——它是如何工作的，为什么它如此强大以及它首要的应用将在哪里?
By Martin Giles January 29, 2019. MIT Technology Review
https://www.technologyreview.com/2019/01/29/66141/what-is-quantum-computing/
编译：Richard Wang
量子计算机利用了一些几乎神秘的量子现象，从而实现了计算处理能力的巨大飞跃。量子机器有望超越当今和未来功能最强的超级计算机。不过，它们不会完全替代传统计算机，采用经典机器仍然是应对我们所面临的大多数问题最简单最经济的方案。但是量子计算机有望在推动从材料科学到药物研究等各个领域的发展并会取得令人兴奋的进步。 许多公司已经开始尝试利用它们，来开发更轻，更强大的电动汽车电池和研发新药。量子计算机强大功能的秘诀依赖它们可以生成和操作量子比特或量子位的能力。
什么是量子位？
当今的计算机使用“位”，即表示1或0的电流或光脉冲流。从网络微博，电子邮件到iTunes歌曲以及YouTube视频的所有内容基本上都是二进制数字组成的长字符串。
然而，量子计算机使用了量子位，它们通常是诸如电子或光子之类的亚原子粒子。生成和管理量子位是极具科学和工程上的挑战性的，一些公司，例如IBM，Google和Rigetti Computing，制造量子计算机使用的超导电路被冷却到比宇宙深空还冷的温度。诸如IonQ之类的其他公司则将单个原子捕获在带有电磁场的超高真空腔室内的硅芯片上来实现量子计算。他们这么做的目的都是孤立量子位使其处在受控的量子状态。
量子位具有一些奇特的量子特性，使得一组相关联的量子位要比相同数量的二进制位可以提供更强大的处理能力，这其中一个特性被称为量子叠加，另一特性被称为量子纠缠。
什么是量子叠加？
量子位可以同一时间来表示1和0的许多可能组合，这种同时处于多种状态的能力称为量子叠加。 为了使量子位处在量子叠加的状态，研究人员需要使用精密激光或微波束对其进行处理。正是这种违反直觉的现象，使得具有几个量子叠加态的量子位的计算机可以同时计算处理大量的可能结果，计算的最终结果仅在测量了量子位后才显现，这立即导致其量子态“塌陷”为1或0。
什么是量子纠缠？
研究人员可以产生成对的相互“纠缠”的量子位，这意味着配成对的两个粒子以单个量子态存在。改变一个量子位的状态将立即以可预测的方式改变另一个量子位的状态。即使它们分开很长的距离，也会发生这种情况。
没人真正知道纠缠是怎样发生以及为什么会发生，它甚至让爱因斯坦感到困惑，他曾以“远距离的怪异行为” 来形容它，但这却是量子计算机功能强大的关键。在常规计算机中，位数翻倍会使处理能力加倍。但是由于纠缠，增加额外的量子位，会使量子计算机的量子运算能力成指数量级增加。
量子计算机就是利用纠缠在一起的量子比特以在一种类似量子雏菊链中来发挥它们的神奇作用。这些机器能够使用专门设计的量子算法加快计算速度，这就是为什么人们对它们的潜力如此关注的原因。坏消息是，由于退相干性，量子机器比传统计算机更容易出错。
什么是退相干？
量子位会与环境的相互作用而导致其量子行为衰减并最终消失的现象称为退相干。它们的量子态非常脆弱。微小的振动或温度变化（在量子的语言里称为“噪声”的干扰）都可能导致它们在正确完成工作之前，退去它们的量子叠加态，使得计算无法完成。这就是为什么研究人员尽最大努力在那些过冷的冰箱和真空室中保护量子比特免受外界影响的原因。
但是，尽管他们付出了很大的努力，但噪声仍然会导致许多错误蔓延到计算中。智能量子算法可以补偿其中的一些错误，增加更多的量子位也有帮助。但是，创建一个单一的，高度可靠的标准量子比特（称为“逻辑”量子位）可能会花费数千个标准量子比特。这也将大大削弱量子计算机的计算能力。
麻烦的是：到目前为止，研究人员还不能生成超过128个标准量子比特。因此，我们距离生产出可以广泛使用的量子计算机还有很长的路要走。但这并没有削弱那些先驱者们想成为第一个展示“量子霸权”的希望。
什么是量子霸权？
当达到量子霸权时，量子计算机可以的完成数学计算是功能最强大的超级计算机都无法企及的。
目前尚不清楚究竟需要多少个量子位才能实现这一目标，因为研究人员一直在寻找新的算法来提高经典机器的性能，而且超级计算的硬件也在不断进步。不过很多研究人员和公司正在努力争取夺得这一称号，并与一些世界上最强大的超级计算机进行了比赛。
关于实现此里程碑的重要性在该领域的研究里还有很多争论，但很多公司都等不及它们的“霸权”地位被宣布的时刻了，而且已经开始尝试使用由IBM，Rigetti和加拿大的D-Wave等公司生产的量子计算机。阿里巴巴等中国公司也提供了访问他们的量子机器的途径。一些企业正在购买量子计算机，其他企业正在使用可通过云计算服务而获得的量子计算资源。
量子计算机开始出现时在哪里最有用？
量子计算机最有前途的应用之一是模拟尺度接近分子水平的物质行为。大众汽车和戴姆勒等汽车制造商正在使用量子计算机来模拟组成电动汽车电池的化学成分，借以寻找提高其性能的新方法。制药公司正利用它们来分析和比较可能产生新药的化合物。
这些机器还可以用来解决有关优化的问题，因为它们可以非常快速地来分析处理大量不同的潜在备选方案。例如，空中客车公司正在使用它们来计算飞机最省油的上升和下降路径。大众汽车还推出了一项服务，该服务可以计算城市公交车和出租车的最佳路线，以最大程度地减少交通拥堵。一些研究人员还认为，这些机器可以加速人工智能的发展。
要实现量子计算机的全部潜能，可能需要花费很多年的时间。从事这些工作的大学和企业正面研究人员短缺的问题，也缺少某些关键组件的供应商。但是，如果这些奇特的新型计算机能够实现它可能的功能的话，那么它们可以改变整个行业并加速全球创新。
