量子计算的热度一直不高，我的研究热情也一直处于平淡。距离上次的《在MAC下搭建Q#开发环境》又过去了一年半，距离最早开始接触量子编程也快5年了。5年，足以让一个新手变成大牛；而我，还在门外躺平！
这篇文章标题是”发微”，不过门外汉是没有发微能力的，我也就是带大家回顾一下量子计算机的由来。
量子位
这个就是qubit，发音类似”扣贝特”。传统计算机（就是我们天天用的这种）使用bit存储，一个bit要么是0要么是1；量子计算机使用的是qubit，一个qubit能表示的状态是无穷的。看下图，qubit的状态就是球面上任意的点，所以有无数个（但是有很多场景这个球上面的点的概率是0）。
2019年，谷歌和国防科大先后宣布实现了”量子霸权”，谷歌在 发表在自然杂志的文章 称用53个qubit的计算机（对应传统计算机就是53位，不到7比特，连一个长整型数字都存储不下）求解一个传统计算机需要 10000年才能得到结果的问题，耗时 200秒。我国的量子计算一直处于领先，九章号和祖冲之号都取得了不错的试验效果。
比如资讯《重磅！”九章二号”和”祖冲之二号”问世》
提到九章，还有一个对联典故：三强韩赵魏，九章勾股弦；分别以钱三强和赵九章名字开头，由华罗庚提出的，感兴趣可以搜一下
看到这里，如果你是初探量子计算机，可能觉得未来已来，我们的算力可以大大提升了。上面提到谷歌的53位计算机，我们按照一位可以存储1G个状态计算（也就是10亿个，实际不是无穷多嘛），对应到传统存储上就是6G多比特（除以8了）。
但实际上并非如此，量子计算机存储量的增加极其困难，哪怕是一两个qubit：目前最大的机器依然是在百位数。而且量子机的优势也不是说它能存储更多信息，如果这样我们搞足够多的内存条就能代替量子机了。
为什么这么难快速增加qubit呢？因为qubit的可控非常难。大家觉得我们已经能控制核电站、人造太阳，小粒子还搞不定吗，加点磁场不就行了。这么说就显得有些”民科”了。qubit很小，所以大量qubit依然极小；但是为了保护住这些小粒子，需要大量的设施来隔离它们。下图是IBM的量子机：左边是存储50个qubit的电路（也就是处理器），右边是包裹它的计算机
为了保持这个计算机，IBM使用了一台制冷机把处理器降温到15毫K。你想，0K是负273.15度，15毫K就是负273.135度。这个温度已经比液氦还低很多呢。另外还有很多电线通过微波脉冲来获取和控制qubit，增加一个qubit需要增加很多电线。所以量子机的体积很大。
动机
为什么需要量子计算机呢？1981年，诺贝尔奖得主费曼在演讲中问：”What kind of computer are we going to use to simulate physics?（第二自然段）”
我们看一个实际例子。化肥厂的能源消耗差不多占了全球总能源的1.2%，当前的化合方法是使用金属催化剂在高温下将氢和氮合称氨NH3。这个过程耗能非常高。
土壤中的细菌会产生固氮酶，在常温下就能把空气中的氮分离出来合成氨，科学家到现在都在研究这个过程。我们现在的计算机已经能处理上PG的数据（1PB=1000TB），但是连最简单的固氮流程的化学反应都很难模拟得好（最左侧）：
这个流程是最小的了，其中的酶只有4个铁原子和4个硫原子。当原子数量上升的时候，其中的反应会指数级上升。你看，这么普通简单的一个事情，现在的电脑也完成不了。
另外一个例子：AI程序在处理海量数据时我们希望能同时处理多路
如果在两核CPU上，一次可以处理两路
但是对于绝大多数AI任务，就算是几十核也不够啊。所以现在AI模型基本都是在显卡上面训练的，一个高端显卡通常有4000个以上的处理单元。
但是很多现实生活中的问题，复杂度都是指数以上级别的。所以靠堆积硬件显然不能解决问题，现在的计算机打不破这个魔咒了！
量子计算机有啥能力呢？简单说，量子机靠的是光的干涉能力和量子纠缠能力。量子机能够将指数级信息保存在qubit上，因为qubit有量子叠加态；并且能同时处理这些状态，而不是和传统计算机一样一个一个来。这样量子机处理某些问题就超级快了，而且它能解决的不只是量子相关的问题，而是曾经被认为是太复杂而解决不了的。比如说现在广泛使用的互联网加密算法就可以通多Shor的量子算法来破解，但是使用传统计算机理论上需要上千万年才能解开：这也是常被当成表现量子霸权的一个例子。
比如一个64qubit的量子系统，可以同时存储的状态数用十进制表示将超过20位数。量子机可以同时处理这么多信息。不过我们并不能直接访问这些数据，只有通过测量才行。而测量的时候，量子叠加态会坍缩成某一个固定的信息，和测量前的那么多叠加态并不一样。坍缩导致算法的设计非常困难。
如果你不太懂这里，我们先看一点简单的量子力学概念。
自旋
你要是了解自旋就不用看这里了。不过即使是回顾，量子力学的反直觉现象也很有意思。
许多粒子和原子在磁场中都会发生偏转。自旋是粒子的一种角动量，在磁场中也会使得粒子轨迹偏转。但是自旋只会取两个方向，而不是四面八方的。比如我们把这两个方向规定为” 上“和” 下“。那么，一个例子的自旋是确定的，要么上要么下（因为是测量后的）。但是在磁场中的偏转是有量子行为的，会同时向上和向下偏转，从来不是只偏转某一个方向。
假设有两个黑盒，我们用他们来测量自旋。第一个盒子里面测量出来自旋向上。我们设置实验装置让所有从右边出来的粒子自旋向上，从下面出来的粒子自旋向下。然后连接两个盒子，让第一个盒子中自旋向上的粒子再入射到第二个盒子重新测量它的自旋。按理说，都是自旋向上的粒子，应该都从右边射出来。事实上的确如此。
接下来我们做最后一个实验，先把实验1中的装置连接两套，然后把第二个和第四个盒子的磁场顺时针转90度（称为右旋）：
按理说，第二个盒子的粒子都是上旋的，应该都从下面的口出来，右边不应该有粒子出来。 但是实际上，两个口各有一半粒子出射。
我们先不理会盒子2的右口射出的粒子是什么自旋方向的，按理说，经过盒子3后，后边出来的都是自旋向上的，盒子4的粒子应该是右旋的，都从下口出来； 但是盒子4两个口依然各有一半粒子出来。
根据 哥本哈根解释，物理系统一般在测量前没有确定的状态，量子机制只能预测其状态概率，并且在测量后产生某个结果。测量会影响系统，使得概率立即汇聚到某单个状态。
根据这个解释，好像粒子生活在一个我们无法进入的私人世界，它们处于不同状态的线性叠加态：
当我们测量的时候，”上帝”会大致按照状态系数（其平方是概率）随意的把状态设置成确定的自旋向上或向下。 所以说测量会影响状态，叠加态会坍缩成某个单一状态！为啥呢？可能就是铁律，像”光速不变”一样；也可能是内在原理我们还没搞明白。现在有一些接受度还不错的解释，比如”多世界假说”（就是平行宇宙），这是实实在在的物理概念，可不是科幻小说。
量子叠加是量子力学的核心概念，它能解释自旋是同时向上和向下的。不过我们也不用特意去理解它，这个就是在调和我们的观察和理论。比如在《黑衣人2》中，汤米琼斯并不关心邮局里的信件为什么可以被分类得很好（因为里面藏了外星人帮他分类），他不用打开分类机看，分类机也一直为他工作得很好。所以可能量子叠加就是个错误的解释，但是现在它能解释我们观察到的现象，我们就用它就行（就像牛顿引力）。
注意
注意，量子计算机并不是用来替换传统计算机的，并不是有了量子机然后把我们代码重新编译一下到量子机上面就能用并且快得多。一个常见的误区是认为量子机解决所有问题都比传统的快，这是无量媒体炒作的结果（并不是制造量子机的结果）。有很多问题，目前的量子机理论针对他们都没有优势。所以量子机和传统机是互补的，会共存。
现在有一个新的计算复杂性概念叫BQP —— bounded-error quantum polynomial time “有界错误量子多项式时间“问题，是对传统NP复杂性理论的量子算法补充，意思是使用量子算法， 有希望在多项式时间解决（不过不能保证一定）。破解RSA加密体系的因子分解问题就是一个BQP问题。所以量子机主要就是解决BQP问题，解决其他问题没有优势，甚至根本解决不了。
传统计算机依然活力充足，因为我们还没有充分知道哪些问题是传统计算机解决不了而需要用量子计算机的。很多时候科学家都是通过学习量子算法来改善传统算法，而且如果过程中不涉及量子纠缠，传统算法就和量子算法一样有效。
未完…
科学家们对量子叠加和qubit这些东西依然理解得不够。将来我们对它们有了更深刻理解，量子机可能会有用得多。
接下来，我们先了解一下qubit。
Original: https://www.cnblogs.com/somefuture/p/16228500.html
Author: 老魏去东
Title: 量子计算机发微
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