來源：Yahoo Finance

作者：Daniel Howley

量子計算聽起來像是科幻小説中用來解釋人物如何穿越時空或縮小到螞蟻大小的工具。但這項技術是真實存在的，硅谷也越來越多地加入量子潮流。

過去幾個月，亞馬遜、谷歌和微軟都宣佈推出自己的量子計算芯片。英偉達正準備於 3 月 20 日在其年度 GTC 開發者大會上舉辦首屆量子日活動。IBM、英特爾和一大批專注於量子的公司也都有自己的芯片。

量子計算機有望在幾分鐘和幾小時內完成傳統計算機需要數千年才能完成的計算。這意味着在材料、化學、醫學等領域巨大的進步潛力。

但量子計算機到底是什麼？它有什麼特別之處？

比特與量子比特

為了更好地理解量子計算機，我們先來談談經典計算機。你的筆記本電腦、智能手機，甚至智能手錶都有中央處理器 (CPU)。它們是現代計算機的大腦。

每個 CPU 都有所謂的晶體管。晶體管就像計算機內部對電信號作出反應的小開關。你可能聽過芯片製造商吹噓他們的芯片有多少億個晶體管。蘋果公司宣稱其 Mac 和 iPad 的 M4 芯片上有 280 億個晶體管，而 Nvidia 則表示其 Blackwell 芯片有 2080 億個晶體管。

CPU 通過這些電脈衝，使用所謂的二進制代碼（一種由 1 和 0 組成的機器語言）翻譯您每天使用的應用程序和程序。每個 1 和 0 稱為一個位。

位串構成了一系列複雜的指令，這些指令在經過現代編程語言運行後，被翻譯成您在屏幕上看到的視頻和圖像、您玩的遊戲以及您在整個工作日使用的應用程序。

一系列電脈衝穿過芯片的晶體管，產生各種 1 和 0。然後，芯片將解釋這些信號以訪問您的計算機內存或存儲。隨着命令的複雜性增加，它們能夠解釋從手指在手機屏幕上滑動到單擊網站上的鏈接時要執行的操作等所有內容。

這些二進制規則應用於整個計算系統，無論是您的家用計算機、醫療設備、汽車還是幾乎任何其他需要 CPU 的技術。

然而，量子計算機使用的是被稱為量子比特（qubit）的亞原子物體，而不是傳統比特。這是一種完全不同的數據存儲和處理方式。量子比特不像比特那樣以 1 或 0 的形式存在，而是可以同時以 1 和 0 的形式存在，或者兩者的任意組合形式存在，這要歸功於所謂的疊加。

“把量子比特想象成一個球體，”亞馬遜網絡服務量子硬件總監 Oskar Painter 解釋道。“它有南極和北極，可以同時是 0 和 1 的任意組合。”

更奇怪的是，科學家在觀察量子比特之前並不知道它是 1 還是 0。

“在量子世界中，系統本身可以同時處於幾種不同的狀態，”紐約大學應用物理學助理教授 Rupak Chatterjee 告訴雅虎財經。“在我們測量之前，我們並不一定知道它處於哪種確切狀態。”

這種以 1 和 0 存在的能力實現了所謂的並行處理，這使得量子計算機能夠比傳統計算機更快地解決計算問題。

有多種方法可以操縱量子比特，無論是通過超導系統將量子比特周圍的溫度降低到接近絕對零度，還是使用激光與原子相互作用，或者利用極端真空中的光粒子（光子）。

你看到的那些巨大的、金色的、看起來像章魚的機器通常被稱為量子計算機？它們主要是與超導量子比特一起工作的冷卻系統，以確保它們足夠冷以正常運行。

更重要的是，量子計算機並不是獨立存在的。它們連接到傳統計算機，傳統計算機控制量子系統如何與量子比特交互並提供其性能的讀數。

量子誤差

因此，與我們的傳統計算機相比，量子計算機可以利用量子比特的疊加以極快的速度處理計算。那麼為什麼我們還沒有使用它們來解決世界上最複雜的問題呢？因為量子誤差。

“[量子比特]非常非常脆弱，”卡內基梅隆大學泰珀商學院運營管理學教授 Sridhar Tayur 解釋道。“如果它與環境相互作用，你就不可能同時擁有 0 和 1。”

因為量子比特的規模如此之小，它們極易受到外界幹擾。這意味着即使是一個原子也可能擾亂量子比特，導致它丟失信息——即 1 和 0。

根據 Painter 的説法，量子系統每 300 次量子操作就會出現一次錯誤。然而，為了讓量子計算機發揮作用，它只能每萬億次操作出現一次錯誤。這是一個巨大的差異。

為瞭解決這個問題，各公司採用了所謂的量子糾錯技術。微軟、谷歌和亞馬遜在其最新芯片中重點關注了這一點。量子糾錯背後的想法是使用冗餘量子比特。

“如果我想保護一個量子比特的信息，我實際上需要複製它 1,000 次才能得到一個好的，我們稱之為邏輯量子比特的信息，”Painter 説。

但這會佔用大量資源。研究人員正在努力解決這個問題，但在他們能夠解決這個問題之前，量子計算機還不夠可靠，無法用於與化學相關的計算、幫助發現新化合物或瞭解原子如何相互作用。

量子計算機並非萬能

雖然量子計算機有助於運行特定算法和解決極其複雜的問題，但即使研究人員能夠克服量子誤差問題，它們也無法取代經典超級計算機。

這是因為它們的目的不是讓你最喜歡的應用程序運行速度更快。更重要的是，當經典計算機被設計來處理這樣的任務時，根本沒有理由使用量子計算機來進行替代。

換句話説，不要指望回家後打開你的個人量子計算機，然後開始播放 Netflix。你的筆記本電腦已經足夠處理好這件事。