什么是量子计算？

量子计算领域包括一系列学科，包括量子硬件和量子算法。尽管量子技术仍在发展中，但很快将能够解决传统超级计算机无法解决（或无法足够快地解决）的复杂问题。

借助量子物理原理，大规模量子计算机处理特定复杂问题的速度可比现代经典机器快数个量级。经典计算机需耗时数千年的问题，量子计算机或仅需数分钟或数小时即可解决。

量子力学（研究微观尺度物理现象的学科）揭示了惊人的自然基本法则。量子计算机专门利用这些现象，获取经典计算无法独立实现的数学问题解决方法。

实际上，量子计算机有望广泛应用于两类任务：为物理系统的行为建模和识别信息中的模式和结构。

量子力学有点像宇宙的操作系统。利用量子力学原理处理信息的计算机在物理系统建模方面具有一定的优势。因此，量子计算对于化学和材料科学的应用特别感兴趣。例如，量子计算机可以帮助研究人员寻找用于制药或工程应用的有用分子，更快、更有效地识别候选材料。

量子计算机还能运用经典计算机无法采用的数学技术处理数据。这意味着可为数据构建结构并发现传统算法可能忽略的模式。实践中，这种能力可应用于从生物学（如蛋白质折叠）到金融等广泛领域。

如今，量子计算研究的大部分工作都涉及在这些宽泛的预期用途类别中搜索算法和应用。这还不包括构建新技术本身。

随着 IBM、亚马逊、微软、谷歌等领军企业以及 Rigetti、Ionq 等初创公司持续重金投入这项革命性技术，量子计算产业规模预计到 2035 年将达到 1.3 万亿美元。

在讨论量子计算机时，重要的是要明白，在最微小的尺度上，宇宙的行为与我们日常生活中习惯的行为截然不同。与我们在小学物理中学到的相比，量子对象的行为往往是怪异和违反直觉的。

揭示了自然界的基本运行规律——描述量子粒子行为需要突破经典认知框架。常识性范式难以解释量子粒子的奇异特性。而量子力学才真正揭示了宇宙的运行本质。量子计算机通过用量子比特 (qubit) 替代传统二进制电路，充分利用量子力学特性。这些粒子与传统比特截然不同，其独特性质只能 通过量子力学进行描述。

要了解量子计算，了解四个关键的量子力学原理非常重要：

• 叠加
• 纠缠
• 退相干
• 干扰

量子比特本身并没有什么用处。但它可以将它所保存的量子信息置于叠加状态，这种叠加状态代表了量子比特所有可能配置的组合。叠加的量子比特组可以创建复杂的多维计算空间。复杂的问题可以在这些空间中以新的方式表现出来。

当测量量子系统时，其状态会从可能性叠加态坍缩为二进制状态，就像二进制代码那样可被记录为 0 或 1。

纠缠是量子比特将其状态与其他量子比特关联的能力。纠缠系统之间存在着内在的联系，以至于当量子处理器测量单个纠缠量子比特时，它们可以立即确定有关纠缠系统中其他量子比特的信息。

干涉是量子计算的引擎。处于集体叠加状态的量子比特环境以类似波的方式构造信息，并且每个结果都具有相关的振幅。

这些振幅将成为系统测量结果的概率。当许多波在某一特定结果上达到峰值时，这些波会相互叠加；当峰值和谷值相互作用时，这些波会相互抵消。放大一个概率或抵消其他概率都是干涉的形式。

退相干是指量子系统坍缩至非量子态的过程。既可通过测量刻意引发，也可由环境因素意外导致（后者通常需要尽量避免）。总体而言，量子计算需最大限度避免和抑制退相干效应。

为了更好地理解量子计算，请考虑两个令人惊讶的想法都是正确的。首先，可以测量出具有确定状态的对象（具有确定概率幅度的叠加量子比特）的行为是随机的。第二，相距很远的几个对象（在本例中为纠缠的量子比特）仍然可以表现出尽管个体随机但彼此之间具有很强相关性的行为。

量子计算机上的计算是通过准备计算状态的叠加来进行的。用户准备的量子回路按照量子算法的控制，使用运算来纠缠量子比特并生成干涉图案。许多可能的结果会被干涉抵消，而另一些结果则会被放大。放大的结果就是计算的解。

经典计算机与量子计算机的核心区别在于后者使用量子比特而非传统比特。虽然量子计算确实采用二进制编码，但量子比特处理信息的方式与经典计算机截然不同。那么量子比特究竟是什么？其来源又如何？

经典计算机依靠比特（0 和 1）存储处理数据，而量子计算机则通过处于叠加态的量子比特进行数据处理。

单个量子比特既能像传统比特那样存储 0 或 1，也能同时以加权叠加的形式兼存两种状态。当多个量子比特组合时，其叠加态会呈现指数级增长的复杂性：两个量子比特可叠加四种可能的 2 比特状态，三个量子比特可叠加八种 3 比特状态，依此类推。达到 100 个量子比特时，其可能的状态数量将达到天文数字。

量子算法通过经典计算机无法实现的信息处理方式运作，这为特定问题带来显著加速效应——尤其是在量子计算机与高性能经典超级计算机协同工作时。

一般来说，量子比特是通过操纵和测量表现出量子力学行为的系统（如超导电路、光子、电子、陷获离子和原子）而产生的。

目前，量子计算中使用的量子比特有多种不同的制造方法，其中有些方法更适合不同类型的任务。

一些较常见的量子比特类型如下：

• 超导量子比特：这些量子比特由超导材料制成，工作温度极低，因其运算速度快、控制精确而备受青睐。
• 陷获离子量子比特：陷获离子粒子也可用作量子比特，并以相干时间长和高保真测量而著称，但它们比超导量子比特慢得多。
• 量子点技术：量子点是一种能俘获单个电子并将其作为量子比特的微型半导体，该技术在与现有半导体工艺兼容性及扩展性方面展现出巨大潜力。
• 光子：光子是单粒子光单元。它们可用于制备量子比特，并通过光缆长距离传输量子信息。该技术正广泛应用于量子通信与量子密码学领域。

使用量子比特的计算机比使用经典比特的计算机具有一定的优势。由于量子比特可以保持叠加并表现出干涉，因此使用量子比特的量子计算机以不同于传统计算机的方式解决问题。

理解量子计算机如何运用量子比特解决复杂问题，可用一个形象的迷宫比喻：假设您站在复杂迷宫中心。为了逃出迷宫，传统经典计算会采用“穷举法”尝试所有路径组合来寻找出口。这种计算机使用比特来探索新路径并记录死胡同。

量子计算机可能无需测试所有错误路径，就能推导出正确的路径，就像鸟瞰迷宫一样。然而，量子比特不会一次测试多条路径。相反，量子计算机会通过测量量子比特的概率振幅来确定结果。

这些振幅就像波浪一样，相互重叠、相互干涉。当异步波重叠时，有效地消除了复杂问题的可能解决方案，而实现的一个或多个相干波展现了正确的解决方案。

IBM 量子处理器是一种晶圆，它并不比笔记本电脑中的硅芯片大多少。然而，现代量子硬件系统（用于将仪器保持在超低温状态）以及用于控制系统和处理量子数据的额外室温电子组件的大小与一辆普通汽车差不多。

虽然完整的量子硬件系统占用空间很大，使得大多数量子计算机无法便携，但研究人员和计算机科学家仍然能够通过云计算访问异地的量子计算功能。量子计算机的主要硬件组成如下。

作为量子计算机的“大脑”，量子芯片（又称量子数据平面）由以特定构型排列的量子比特组成，这种布局旨在保障量子比特间的信息交互。

作为量子计算机的核心组件，量子处理器包含系统的物理量子比特以及将其固定在适当位置所需的结构。量子处理单元 (QPU) 包括输入和输出所需的量子芯片、控制电子设备和经典计算硬件。

台式电脑通常依靠风扇冷却即可正常工作。量子处理器需维持在极低温环境——约比绝对零度高百分之一度——以最大限度减少噪声并避免退相干，从而保持量子态稳定性。这种超低温通过超冷超流体实现。在此温度下，特定材料会呈现重要的量子力学效应：电子无阻力通过材料，该效应使其成为超导体。

当材料进入超导态时，其电子会两两结合形成库珀对。这些电子对可通过量子隧穿效应穿越势垒（即绝缘层）。将两块超导体置于绝缘层两侧即构成约瑟夫森结，这是量子计算机硬件系统的核心元件。

量子计算机使用带有电容器和约瑟夫森结的电路作为超导量子比特。通过向这些量子比特发射微波光子，我们可以控制它们的行为，让它们保持、改变和读出单个量子信息单元。

研究继续改进量子硬件，但这只是等式的一半。用户发现量子优势的关键在于一个高性能和稳定的量子软件栈，以支持下一代量子算法。

2024 年，IBM 推出了 Qiskit 开源软件开发工具包 (SDK) 的 首个稳定版本——Qiskit SDK 1.x。作为量子计算领域的首选软件栈，Qiskit 已拥有超过 60 万注册用户，并被全球 700 所高校用于开发量子计算课程。

但 Qiskit 不仅仅是世界上最受欢迎的用于构建和构造量子回路的量子开发软件。我们正在重新定义 Qiskit，以代表 IBM 的量子全栈软件，并使用中间件软件和服务扩展 Qiskit SDK，以便在 IBM Quantum 系统上编写、优化和运行程序，包括新的生成式 AI 代码辅助工具。

量子计算建立在量子力学原理之上，它描述了非常小的物体与大物体的行为有何不同。但是，由于量子力学为我们的整个宇宙提供了基础法则，因此在微观层面上，每个系统都是一个量子系统。

因此，我们可以说，虽然传统计算机也是建立在量子系统之上的，但它们在计算过程中未能充分利用量子力学特性。量子计算机有望更好地利用量子力学，进行即使高性能计算机也无法执行的计算。

从老式的穿孔卡片加法器到现代的超级计算机，传统（或经典）计算机的运行方式基本相同。这些机器通常按顺序执行计算，使用二进制信息位存储数据。每个位代表 0 或 1。

当组合成二进制代码并使用逻辑运算进行操作时，我们可以使用计算机来创建从简单的操作系统到最先进的超级计算的所有内容。

量子计算机与经典计算机一样，都是解决问题的机器。但量子计算使用的是量子比特，而不是传统比特。量子比特与传统比特一样用于处理数据；然而，通过利用量子现象，量子比特可以使用更复杂的数学，进行不同类型的量子计算。这是由于前面讨论过的称为叠加和干涉的量子力学概念。

• 由常见的通用计算机和设备使用。
• 采用比特处理信息，其状态离散且非 0 即 1。

• 由专门的基于量子力学的量子计算硬件使用。
• 以 0、1 或 0 和 1 的叠加形式处理量子比特中的信息。
• 利用干涉来求解问题，用量子逻辑处理数据。

量子处理器不像经典计算机那样执行数学方程式。与必须计算复杂计算的每一步的经典计算机不同，由逻辑量子比特制成的量子回路可以更高效地处理复杂问题。

传统计算机通常提供单一答案，而概率量子机器通常提供一系列可能的答案。这个范围可能会使量子计算看起来不如传统计算精确。然而，对于量子计算机可能即将解决的各种极其复杂的问题，这种计算方式可能会节省数十万年的传统计算时间。

实践中，量子计算机与经典计算机通过协同工作流程解决问题。最高效的解决方案往往将计算任务分解：量子计算机擅长部分分配至量子计算资源，经典计算机擅长部分则分配至经典计算资源。

对于整数因数分解等特定问题，完全实现的量子计算机与高性能经典计算机协同工作时，将展现出远胜传统计算机的性能优势。但需要明确的是，量子计算并非适用于所有（甚至大多数）问题场景。

对于大多数任务和问题，传统计算机仍将是最佳解决方案。但是，当科学家和工程师遇到某些高度复杂的问题时，量子计算就会发挥作用。对于这些类型的困难计算，即使是最强大的传统超级计算机与量子计算相比也相形见绌。这是因为，即使是最强大的经典超级计算机也是依赖于 20 世纪技术的基于二进制代码的机器。

复杂问题是指大量变量以复杂方式相互作用的问题。例如，由于电子之间存在各种不同的相互作用，因此对分子中单个原子的行为进行建模是一个复杂问题。在超级对撞机中识别新的物理特性也是一个复杂问题。对于有些复杂问题，我们不知道如何用任何实际规模的传统计算机来解决。

传统计算机可能很擅长完成一些困难的任务，比如对大型分子数据库进行分类。但在解决更复杂的问题时，比如模拟这些分子的行为方式时，它就显得力不从心了。

如今，如果科学家想知道一种分子的行为方式，他们必须合成这种分子，并在现实世界中进行实验。如果他们想知道一个细微的调整会对其行为产生怎样的影响，他们通常需要合成新的版本，然后重新进行实验。这个过程既昂贵又耗时，阻碍了医学和半导体设计等不同领域的进步。

一台传统的超级计算机可能会尝试使用蛮力来模拟分子行为，通过使用其众多处理器来探索分子每个部分可能的行为方式。但当对象不再是最简单、最直接的分子时，超级计算机就会束手无策。没有任何经典计算机能够使用任何已知方法来处理分子行为的所有可能排列。

量子算法通过创建多维计算空间来运行行为类似于这些分子本身的算法，从而为解决这些复杂问题提供了一种新方法。事实证明，在解决化学模拟等复杂问题时，这种方法的效率要高得多。

思考这个问题的一种方式是：经典计算机需要处理数字来计算分子的行为方式。量子计算机不需要计算数字。它可以直接模仿分子系统。

量子算法能够以经典计算机无法实现的方式处理数据，从而提供全新的分析维度和洞见。

最初是在 20 世纪 80 年代初提出理论，但直到 1994 年，数学家 Peter Shor 才发表了假想中的量子机器在现实世界中的首批实际应用之一。Shor 的整数分解算法展示了量子力学计算机如何可能破解当时最先进的密码系统，其中一些系统至今仍在使用。Shor 的研究证明了量子系统的可行应用，不仅对网络安全，而且对许多其他领域都有重大影响。

工程公司、金融机构与全球航运企业正在积极探索量子计算在其领域解决关键问题的应用场景。量子研发带来的效益爆发已初现端倪。随着量子硬件规模扩大和量子算法持续演进，我们很快就能在分子模拟技术、能源基础设施管理和金融市场建模等重要领域获得突破性解决方案。

量子计算机特别擅长解决多变量复杂问题。从新药研发 到 半导体技术革新 ，再到应对复杂能源挑战，量子计算可能成为 多个 关键行业实现突破的核心技术。

虽然量子计算已不再停留于理论层面，但其技术仍处于发展阶段。当全球科学家致力于提升量子机器速度、算力与效率的新技术时，这项技术正逼近历史性转折点。我们通过“量子优势”和“量子效用”这两个关键概念来理解实用型量子计算的发展进程。

量子公用事业是指任何能够为超出暴力经典计算量子机模拟器能力范围的问题提供可靠、准确解决方案的量子计算。以前，这些问题只能用经典的近似方法来解决，通常是针对特定问题精心设计的近似方法，以利用特定问题的独特结构。IBM 于 2023 年首次展示了量子公用事业。

从广义上讲，量子优势一词是指量子能够提供比所有已知经典方法更好、更快或更便宜的解决方案。在量子计算机上表现出量子优势的算法应该能够提供超越所有已知经典计算方法的显著实际优点。IBM 预计，如果量子社区和高性能计算社区共同努力，到 2026 年底将实现第一批量子优势。

由于量子计算如今能为特定问题提供优于经典近似算法的解决方案，研究人员认为其已成为科学探索的有效工具，即具有实际效用。需要明确的是，量子效用的确立并不代表量子方法在所有已知经典方法上都实现了可验证的加速效果。这正是其与“量子优势”概念的核心区别。

IBM 引入了两个指标来对量子计算机进行基准测试：层保真度和每秒回路层运算数 (CLOPS)。

作为极具价值的基准指标，层保真度既能反映量子处理器运行电路的整体能力，又能揭示单个量子比特、量子门及量子串扰的详细信息。通过运行层保真度协议，研究人员既可评估量子设备的整体性能，又能获取有关单个组件的精细化性能与误差数据。

除层保真度外，IBM 还定义了速度度量指标：每秒电路层操作数 (CLOPS)。CLOPS 目前用于衡量处理器连续运行量子体积电路的速度，是融合量子与经典计算的系统整体速度的衡量标准。

层保真度与 CLOPS 共同构成了全新的系统基准测试体系，这对致力于改进和使用量子硬件的研究人员具有更重要的意义。这些指标不仅简化了系统间的横向对比、不同架构的跨平台比较，还能准确反映跨尺度的性能提升。

回路深度也是量子处理单元的基本功能。它是处理单元在量子比特退相干之前可以运行的并行门执行次数（量子回路中的步骤数）的度量。回路深度越大，计算机可以运行的回路越复杂。

如今，IBM、Google、Microsoft、D-Wave、Rigetti Computing 等公司都在生产真正的量子硬件。四十年前仅仅是理论上的尖端工具现在可供数十万开发人员使用。我们的工程师定期推出功能更强大的超导量子处理器，同时在软件和量子传统编排方面也取得了重要进展。这项工作将推动实现改变世界所需的量子计算速度和能力。

在实现量子效用的基础上，研究人员正全力提升最先进量子计算机的实用价值。IBM Quantum 等机构的研究人员已识别出若干关键挑战，这些挑战既是提升量子效用的攻坚方向，更是实现量子优势的潜在路径：

1. 扩展量子处理器：虽然量子计算中使用的量子比特处理器有可能大大超越基于传统比特的处理器，但当前的量子处理器只能支持少量的潜在量子比特。随着研究的进展，IBM 计划到 2029 年推出具有 200 个逻辑量子比特，可运行 1 亿个量子门的量子系统，并致力于到 2033 年推出具有 2,000 个逻辑量子比特，可运行 10 亿个量子门的系统。
2. 扩展量子硬件：量子比特虽然功能强大，但也非常容易出错，需要能够产生低于外太空温度的大型冷却系统。研究人员目前正在开发扩展量子比特、电子设备、基础设施和软件的方法，以减少占用空间、成本和能源使用。
3. 量子纠错技术：退相干效应（即量子比特失效并产生错误结果的过程）是所有量子系统面临的主要障碍。量子纠错要求我们将量子信息编码到远超常规数量的量子比特中。2024 年，IBM 宣布推出突破性新型纠错代码，其效率较既往方法提升约十倍。虽然实现量子纠错编码和在编码量子信息上执行计算仍存挑战，但新代码标志着通向运行十亿逻辑门以上量子电路的清晰路径。
4. 量子算法发现：量子优势需要两个组件。第一种是可行的量子回路，第二种是证明这些量子回路在解决量子问题方面比已知的经典方法更好的手段。量子算法的发现将使当前的量子技术从量子公用事业转变为量子优势。
5. 量子软件和中间件：量子计算的优势需要高性能和稳定的软件栈来编写、优化和执行量子程序。开源且基于 Python 的 Qiskit 由 IBM 开发，是迄今为止世界上使用最广泛的量子 SDK。它既适用于在 IBM 的超导量子计算机机群上执行，也适用于使用其他技术的系统，如磁场中的离子捕获或量子退火。
6. 以量子为核心的超级计算：在可预见的未来，量子计算需与现代及未来经典超级计算技术协同工作才能发挥实用价值。为此，量子研究人员正在构建一个经典超级计算机能够调用量子电路辅助解决问题的技术体系。