翻译：望湖煮水 【仅供沟通讨论学习使用】
原文地址：https://www.technologyreview.com/2019/01/29/66141/what-is-quantum-computing/
来自：MIT Technology Review
阐释：什么是量子计算机（一）
它如何运作，为什么如此强大，其首要的用处在哪儿？
著：Martin Gilesarchive 2019年1月20日
标题图片由RIGETTI COMPUTING提供。贾斯汀·范特摄。
这是量子技术讲解系列的第一部分，其他两部分见量子通讯和后量子密码学。
量子计算机利用量子力学中一些几近神秘的现象实现了处理能力的巨大飞跃。量子计算有望超越现有或未来的处理能力最强的超级计算机。
然而，它不会消灭传统的计算机。使用传统计算机仍是解决大部分问题最简便和经济的方案。但是从材料科学到药物研究等各种领域，量子计算都有望促成激动人心的进步。许多公司已经开始用它们来开发更轻、更强大的电动汽车电池，并协助研发新药。
量子计算机能力的秘密在于它能生成和管控量子比特。
什么是量子比特？
今天的计算机使用的是比特——一种用1或0表示的电脉冲或光脉冲流，从你的Tweet、电子邮件到你的iTunes歌曲和YouTube视频，所有东西实质上都是这些二进制数字长串。
另一方面，量子计算机使用量子比特，量子比特是典型的亚原子粒子，如电子或光子。生成和管控量子比特是一项科学和工程学上的挑战。一些公司如IBM，Google和Rigetti Computing，使用超导电路将温度冷却到比外太空更低的温度。其他公司如IonQ，则在超高真空密室中，俘获硅片电磁场中的单个原子。这两种方式的目标都是将量子比特隔离在一种受控制的量子状态。
量子比特有一些奇特的量子特性，一组相关量子比特有比相同数量二进制比特更高的处理能力。其中一种性质为叠加，另一种被称为纠缠。
什么是叠加？
量子比特可以同时表示1和0的无限种可能组合。这种同时处于多种状态的能力称为叠加。为了将量子比特叠加，研究人员使用精确的激光或微波束来控制它们。
由于这种违反直觉的现象，一台具有多个量子比特叠加的量子计算机可以同时处理大量潜在的结果。计算的最终结果只会出现在量子比特被观测时，立即导致量子态“崩溃”到1或0。
什么是纠缠？
科研人员可以制造出“纠缠”的量子比特对，也就是一对中的两个量子存在于一个单一的量子态中。改变其中一个量子比特的状态，即可预测出另一个量子比特的状态也将瞬间改变。即使它们相距很远也会如此。
没有人确切知道纠缠是如何或为什么起作用的。它甚至令爱因斯坦感到困惑，将其描述为“超距幽灵作用”。但这是量子计算机能力的关键。在传统计算机中，位数加倍使其处理能力加倍。但由于纠缠，在量子机器中添加额外的量子比特会使其数字处理能力呈指数级增长。
量子计算机利用纠缠在量子菊花链中的量子比特来发挥它们的魔力。这些机器能够使用特别设计的量子算法来加速计算，这就是为什么会有这么多关于它们潜力的讨论。
这是个好消息。坏消息是，由于量子退相干，量子计算机比经典计算机更容易出错。
什么是退相干？
量子比特与其环境的相互作用导致其量子行为衰减并最终消失，称为去相干。它们的量子态非常脆弱。极轻的震动或温度的变化——量子理论中称为“噪声”的干扰——可能会导致它们在未完成工作之前就从叠加状态中跑出。这就是为什么研究人员努力将量子比特保护在超级制冷的冰柜和真空密室中，以与外界隔开。
尽管诸多努力，噪声仍会造成大量的错误影响计算。智能量子算法可以弥补一些不足，增加更多的量子比特也有帮助。然而，这可能将需要成千上万的标准量子比特来创建一个单一的、高度可靠的量子比特，称为“逻辑”量子比特。这将大大削弱量子计算机的计算能力。
还有一个问题：到目前为止，研究人员还没能生成超过128个标准量子比特（请参阅我们的量子比特计数器）。因此，离广泛使用量子计算机还有很长一段时间。
然这并没有削弱开发者们第一个展示“量子优越性”（也有翻译为量子霸权）的希望。
什么是量子优越性？
这是指量子计算机能够完成即使是最强大的超级计算机也无法完成的数学计算。
目前还不清楚到底需要多少量子比特才能实现这一目标，因为研究人员在不断寻找新算法提高传统机器的性能，而超级计算的硬件也在不断改进。但是研究人员和众公司一直在努力争取这一称号，进行各种测试与世界上最强大的超级计算机进行比试。
在研究界，关于实现这一里程碑的意义有很多争论。不少公司已经开始试验由IBM、Rigetti和加拿大D-Wave等公司制造的量子计算机，而不是等待宣布“霸权地位”。像阿里巴巴这样的中国公司也在提供量子机器的接入。一些企业正在购买量子计算机，而其他一些企业则通过云计算服务使用量子计算机。
量子计算机最有用的地方在哪儿？
量子计算机最有前途的应用之一是模拟物质分子水平上的行为。大众（Volkswagen）和戴姆勒（Daimler）等汽车制造商正在使用量子计算机来模拟电动汽车电池的化学成分，以帮助找到改善电池性能的新方法。制药公司正在利用它们来分析和比较可能研制出新药的化合物。
这些机器也能极大的优化问题，因为它们能飞速地处理大量潜在的解决方案。例如，空中客车公司（Airbus）正利用这些数据来帮助计算最省油的飞机上升和下降路径。大众汽车公司还推出了一项服务，可以计算出城市中公共汽车和出租车的最佳路线，以尽量减少交通拥堵。一些研究人员还认为这些机器可以用来加速人工智能发展。
量子计算机可能需要相当长的时间才能充分发挥其潜在能力。致力于此领域的高校和企业面临着专业研究人员的短缺以及关键组件供应商缺乏的问题。但是，如果这些奇特的新型计算机能够实习其预期，它们将可能改变整个行业并推动全球创新。
【水平有限，不足之处敬请斧正！】
