量子计算系列突破
普通计算机，现在被称为经典或传统计算机，基于 0 和 1（零和一）的基本概念工作。 当我们问 一台 为我们做一项任务，例如数学计算或预约或任何与日常生活相关的事情，在给定时刻的这个任务被转换（或翻译）成一串 0 和 1（然后称为输入），该输入由算法处理（定义为在计算机上完成任务需要遵循的一组规则）。 在此处理之后，返回一个由 0 和 1 组成的新字符串（称为输出），这对预期结果进行编码，并被转换回更简单的用户友好信息，作为用户希望计算机执行的操作的“答案” . 令人着迷的是，无论算法看起来多么聪明或聪明，无论任务的难度如何，计算机算法都只做一件事——处理位串——每个位要么是 0，要么是 1。操作发生在计算机上（在软件端），而在机器级别上，这由电路（在计算机主板上）表示。 在硬件术语中，当电流通过这些电路时，它是闭合的，没有电流时它是打开的。
经典与量子计算机
因此，在经典计算机中，比特是一条信息，它可以以两种可能的状态存在——0 或 1。但是，如果我们谈论 量子 计算机，它们通常使用量子位（也称为“量子位”）。 这些是具有两种状态的量子系统，但是，与通常的位（存储为 0 或 1）不同，量子位可以存储更多的信息，并且可以存在于这些值的任何假设中。 为了更好地解释，量子位可以被认为是一个假想的球体，其中量子位可以是球体上的任何点。 可以说，量子计算利用了亚原子粒子在任何给定时间以一种以上的状态存在并且仍然相互排斥的能力。 另一方面，经典位只能处于两种状态——例如在球体的两个极点的末端。 在日常生活中，我们是看不到这种“叠加”的，因为一旦从整体上看一个系统，这些叠加就会消失，这就是对这种叠加的理解不清楚的原因。
这对计算机意味着使用量子位的量子计算机可以使用比经典计算机更少的能量存储大量信息，因此在量子计算机上可以相对更快地完成操作或计算。因此，经典计算机可以取 0 或 1，这台计算机中的两个位可以处于四种可能的状态（00、01、10 或 11），但在任何给定时间仅表示一种状态。另一方面，量子计算机使用可以叠加的粒子，允许两个量子位同时表示完全相同的四种状态，因为叠加的特性使计算机摆脱了“二元约束”。这相当于四台计算机同时运行，如果我们添加这些量子位，量子计算机的能力将呈指数级增长。量子计算机还利用了量子物理学的另一个特性，称为“量子纠缠”，由阿尔伯特·爱因斯坦定义，纠缠是一种允许量子粒子连接和通信的特性，无论它们在宇宙中的位置如何。 宇宙 因此，改变一个人的状态可能会立即影响另一个人。 ‘叠加’和‘纠缠’的双重能力在原理上是相当强大的。因此，与经典计算机相比，量子计算机所能实现的成就是难以想象的。这一切听起来非常令人兴奋和简单，但是，这种情况存在问题。量子计算机如果以量子位（叠加位）作为输入，那么它的输出也将类似地处于量子态，即具有叠加位的输出，并且叠加位也可以根据其所处的状态而不断变化。这种输出不会它并不能真正让我们接收所有信息，因此量子计算领域最大的挑战是找到从量子输出中获取尽可能多信息的方法。
量子计算机将在这里！
量子计算机可以被定义为强大的机器，基于量子力学原理，采用全新的方法来处理信息。他们寻求探索一直存在但通常隐藏的复杂自然法则。如果能够探索这种自然现象，量子计算就可以运行新型算法来处理信息，这可能会在材料科学、药物发现、机器人技术和人工智能领域带来创新突破。量子计算机的想法早在 1982 年就由美国理论物理学家理查德·费曼 (Richard Feynman) 提出。如今，科技公司（如 IBM、微软、谷歌、英特尔）和学术机构（如麻省理工学院和普林斯顿大学）都在致力于量子计算机的研究。创建主流量子计算机的计算机原型。国际商业机器公司（IBM）最近表示，其科学家已经建立了一个强大的量子计算平台，并且可以供访问，但指出这不足以执行大部分任务。他们表示，目前正在开发的 50 量子位原型可以解决经典计算机今天所面临的许多问题，而未来 50-100 量子位计算机将在很大程度上填补这一空白，即只有几百个量子位的量子计算机就能够解决这一问题。同时执行的计算数量比已知的原子数量还要多 宇宙。实际上，量子计算机在困难任务上真正超越经典计算机的道路充满了困难和挑战。最近，英特尔宣布，该公司的新型 49 量子位量子计算机代表着向“量子霸权”迈出的一步，对于两个月前刚刚展示了 17 位量子位系统的公司来说，这是一项重大进步。他们的首要任务是继续扩大该项目，因为他们认识到增加量子比特数量是创建能够提供现实世界结果的量子计算机的关键。
材料是构建量子计算机的关键
几十年来，材料硅一直是计算不可或缺的一部分，因为它的关键功能使其非常适合通用（或经典）计算。 然而，就量子计算而言，基于硅的解决方案并未被采用，主要有两个原因，一是难以控制在硅上制造的量子位，二是目前还不清楚硅量子位是否可以像其他方式一样扩展。解决方案。 英特尔最近开发的一项重大进步1 一种称为“自旋量子位”的新型量子位，它是在传统硅上生产的。 自旋量子位与半导体电子学非常相似，它们通过利用硅器件上单个电子的自旋并用微小的微波脉冲控制运动来传递量子能量。 导致英特尔朝这个方向发展的两个主要优势是，首先英特尔作为一家公司已经在硅行业进行了大量投资，因此在硅方面拥有正确的专业知识。 其次，硅量子位更有益，因为它们比传统量子位更小，并且有望在更长的时间内保持相干性。 当需要扩大量子计算系统（例如从 100 量子位到 200 量子位）时，这非常重要。 英特尔正在测试这个原型，该公司预计将生产具有数千个小型量子位阵列的芯片，这种批量生产非常有利于扩展量子计算机，并且可以成为真正的游戏规则改变者。
在最近发表的一项研究中 科学，美国马里兰大学的一个团队开发了一种新设计的光子晶体模式（即在光子芯片上实现的晶体设计），他们声称这将使量子计算机更容易使用2. 这些光子是已知的最小量的光，并且这些晶体中根深蒂固的孔洞会导致光相互作用。 不同的孔图案改变了光线在晶体中弯曲和反射的方式，这里形成了数千个三角形孔。 单光子的这种使用对于创建量子计算机的过程很重要，因为计算机将能够计算当前计算机无法完成的大量数字和化学反应。 该芯片的设计使量子计算机之间的光子传输可以无任何损失地发生。 这种损失也被视为量子计算机的一大挑战，因此该芯片解决了这个问题并提供了有效的途径 量子 从一个系统到另一个系统的信息。
未来
量子计算机承诺运行的计算远远超过任何传统的超级计算机。 它们有可能通过模拟低至原子水平的物质行为来彻底改变新材料的发现。 它还通过更快、更有效地处理数据，为人工智能和机器人技术带来希望。 在未来几年内，任何主要组织都可以提供商业上可行的量子计算系统，因为这项研究仍然是开放式的，而且是对所有人公平的游戏。 预计在未来五到七年内会有重大公告，理想情况下，随着一系列进展的出现，工程问题应该得到解决，1 万或更多量子比特的量子计算机应该成为现实。
***
{您可以通过单击下面引用来源列表中给出的 DOI 链接来阅读原始研究论文}
来源（S）
1. Castelvecchi D. 2018. 硅在量子计算竞赛中取得进展。 自然。 553(7687)。 https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. 等。 2018. 拓扑量子光学接口。 科学。 359(6376)。 https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
