量子物理学|量子物理学的重要应用，与普通计算机结构完全不同，还需继续探索
量子物理学的重要应用
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在20世纪初期 ， 科学家们开始研究原子 ， 不过越研究科学家们的疑问就越多 ， 很明显 ， 量子物理学是违背逻辑科学的 ， 原子没有遵循物理学的传统规则 。 虽然很奇怪 ， 但是任何理论都其应用价值 ， 量子物理学也不例外 ， 那么量子物理学应该如何被我们所用呢？接下来我们要讲到的就是量子物理学目前最重要的一个应用——量子计算机 。
其实量子计算机就是利用了量子物理学的优势 ， 也就是说量子计算机是一个以量子理论为基础发展计算技术的领域 ， 它的本质就是原子和亚原子水平上能量和物质的特性 ， 科学家们需要控制并且利用其本质制造和使用量子计算机 。 那么 ， 量子计算机到底是什么 ， 和普通计算机有什么不同 ， 其实 ， 它们除了目的相同之外 ， 其他都不同 。
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量子计算机的结构
我们现在使用的传统计算机只能将信息编码为1或0 ， 这限制了计算机的能力 。 而在另一方面 ， 量子计算则是使用量子比特进行计算 。 叠加和纠缠是量子物理学中非常重要的两个特征 ， 量子计算机就是利用了亚原子的这种独特的表现来进行计算 。 这使得量子计算机的计算能力获得了指数级的飞跃 ， 另外量子计算机消耗的电能很少 ， 因为量子计算机可以使用量子隧道技术运行 。
更有趣的 ， 我们知道传统计算机具有标准化的程序语言 ， 例如Java ， SQL和Python ， 但是量子计算机不能用类似程序代码 ， 想要让量子计算机工作需要开发新的固定算法 。 另外从结构来说 ， 量子计算机比常规计算机的体系结构简单很多 ， 也就是说量子计算机没有内存或显卡 。 量子计算机核心的部分 ， 相当于普通电脑CPU的结构叫做超导芯片 ， 它由一组可以运行的量子比特组成 。
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量子计算机领域的科学家们常常用硬币的两面来告诉大家量子计算机工作的原理 ， 现在我们可以想象一枚硬币 ， 如果这枚硬币代表的是传统计算机 ， 那么硬币只有正面或反面， 也就是0或1 。 但是对于量子计算机来说 ， 它将是一枚正在旋转的硬币 ， 它还没倒下所以我们无法确定它是正面或者是反面 。 在量子计算机中 ， 不会只有一枚旋转的硬币 ， 会有两个硬币同时旋转 ， 其中两者无论彼此相距多远 ， 都处于相同状态 。 一枚硬币变得固定 ， 另一枚硬币也会确定 ， 这是量子计算机的原理之一 ， 也就是中间态（薛定谔的猫）和量子比特的叠加态（一枚成两枚） 。
不过真正的量子比特可以同时拥有许多状态 ， 所以我们可以这样理解 ， 量子计算机的计算能力随着量子比特的增加而呈指数级增长 。 但是这在实际操作中没有那么容易 ， 只有在所有条件都满足的情况下 ， 运算结果才有效 ， 另外量子比特之间必须能进行量子纠缠才行 。 即使是最小的故障也会导致计算能力的崩溃 ， 因此 ， 开发人员面临的挑战不仅是在芯片上布置越来越多的量子比特 ， 而且还要保持精度 ， 一些公司为此还开发了量子计算机纠错程序 。
【量子物理学|量子物理学的重要应用，与普通计算机结构完全不同，还需继续探索】
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刚刚我们大概了解了一下原子（其实就是硬币 ， 量子计算机中的量子比特）在量子物理学中的奇怪表现 ， 这是量子计算机原理之一 。 看到这里可能还是有朋友不明白 ， 量子计算机怎么工作呢？在买电脑的时候 ， 我们会问 ， 内存多大 ， 什么显卡 ， 多大硬盘 ， 是不是4K屏幕……那量子计算机有什么结构呢？有什么硬件呢？相信大家看过很多量子计算机的照片 ， 乍一看 ， 量子计算机就像一个由铜管和电线组成的巨型吊灯 ， 为什么是这个样子呢？其实这个结构可以帮助科学家们进行更有效率的测试 ， 避免一些不必要的干扰 。
在讲解量子计算机的几个核心硬件（就好比电脑的芯片 ， 内存 ， 显卡）之前 ， 我们先来看看“吊灯”里面最核心的部分 ， 也就是超导芯片 ， 量子比特就在上面 ， 量子比特的排列就像棋盘一样 ， 比如谷歌的量子计算机有54个量子比特 。 芯片上的量子比特是由铌制成的离子冷阱来限制的 ， 因为量子比特的电荷就像旋转的硬币 ， 在工作的时候会来回振荡 ， 很难控制 。 换句话说 ， 它们没有固定的状态 ， 而在核心外面有一个小的可调耦合器 。
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超导芯片是需要在磁场中工作的 ， 另外超导芯片中的原子需要在极度寒冷的环境下工作 ， 温度接近绝对零度 ， 比如说IBM量子计算机的超导芯片只能在0.015开尔文的温度下工作 。 离子冷阱限制 ， 极低温度还有液氦 ， 只有这三个条件同时具备才可以让原子老老实实工作 。 另外 ， 使用普通的氦是不行的 ， 科学家们使用的是氦-3和氦-4混合物来获得极低的温度 。 那么都设置好之后 ， 当然要看看运行效果怎么样 ， 科学家们一般是用复杂的随机抽样任务来测试原子是否工作 ， 看看量子计算机是否已经开始运行 。
量子计算机和普通计算机有一个相同点 ， 那就是他们都是机器 ， 只不过原理不同 ， 硬件不同 ， 量子计算机除了超导芯片也有其他硬件 。 刚才我们看了看整个量子计算机最核心的部分 ， 接下来我们一起来看看量子计算机还有什么其他硬件 。 首先是量子数据平面系统 ， 超导芯片是这个结构的一个部分 ， 量子数据平面系统包括超导芯片以及其他核心结构 ， 这里有很多线缆和负责控制信号的路由
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除此之外 ， 量子计算机还拥有控制和测量平面系统 ， 这一部分硬件将负责按要求对量子比特进行操作和测量 ， 哈密顿量模拟备份系统就是这个结构里面的硬件 。 接下来是控制处理器平面系统 ， 这里是科学家们在测试和运行量子计算机时接触最多的地方 ， 因为这里需要确定量子比特算法所需的操作和测量顺序 。 之后还有一个主机运行平面系统 ， 这其实是一个模拟系统 ， 可以控制量子寄存器 ， 也就是控制量子电路 。 量子计算机虽然和普通计算机不一样 ， 但是它也需要运行常规的操作系统或者用户界面 ， 这个系统也是为了促进交互方式的进步 。
现在 ， 人类科学正处于黄金发展阶段 ， 太空探索的兴起 ， 人工智能的出现 ， 还有各种超级计算机的涌现 ， 人类对于计算的要求是越来越高了 。 我们需要更智慧更加有效率的人工智能或者某种机器来帮助人类计算一些很复杂的问题 ， 量子计算机就是其中一个 。 世界各国都注意到了量子计算机未来的前景 ， 一旦实现稳定的量子计算 ， 无论是科学还是量子计算机市场都能突飞猛进实现指数级进步 。 量子计算机将为全人类带来更多经济效益甚至实现文明飞跃 ， 那么 ， 回到应用领域 ， 量子计算机现在发展的如何呢？
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IBM开发了一个名为Q System One的离子冷阱 ， 并将其推向了市场 。 QSystem One是一种3米乘3米 ， 具有20量子比特的玻璃立方体 ， 现在已经有一些研究人员收到了这个相当于集成模块化的硬件结构 。 另外 ， Google的量子计算机在200秒内完成了一次复杂的计算 ， 如果让超级计算机来计算的话需要大约10000年时间 ， 谷歌甚至提出了“量子至上”的概念 。
大家还记得1997年IBM的计算机Deep Blue击败了国际象棋冠军Garry Kasparov吗？Deep Blue之所以能够获得优势 ， 是因为它每秒可以思考2亿个可能的动作 ， 而量子计算机每秒可以计算出1万亿个可能步骤 。 换句话说 ， 一切在绝对计算实力之下的布局都是徒劳 ， Garry Kasparov的下一步甚至很多步会走哪里 ， 都在计算之中 。
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谷歌表示将在未来5年内要生产一款商业可行的量子计算机 ， 他们还制定了自己的超导芯片量子比特规则 ， 5到20个量子比特就可称为量子计算机 ， 而目前来说拥有一台50量子比特的机器将是人类量子计算机的最高水平 。 该规则发布后不久 ， IBM则表示将在一年内为其他企业提供商用量子机器 。
量子计算机现在还不能成为现实 ， 但很明显 ， 研究还将继续 。 量子计算机在金融、军事、智能、药物设计与发现、太空探索领域、实用核聚变、聚合物设计、人工智能和大数据搜索以及数字制造等领域有着巨大的贡献 。 预计到2030年 ， 量子计算机的市场规模将超过500亿美元 。
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目前 ， 量子计算机还不是现实 ， 这是因为一些问题还没有解决 ， 比如如何让量子计算机稳定运行 ， 量子计算机可以稳定运行数小时、数天甚至数年吗？这个问题尚未得到解答 。 此外 ， 量子计算机使用与经典计算机完全不同的编程逻辑 。 量子计算机软件系统必须经过专门设计 ， 以利用机器所能提供的量子效应 。
无论量子计算机何时能实现商用 ， 人类都将不断探索 。 其实通过全文我们可以看到 ， 量子计算机的原理基于量子物理学的进步 ， 量子计算机软件系统层面的突破和各种限制量子比特材料科学领域的进步 。 量子计算机从来不是单一的科学 ， 它需要各领域科学家们的共同努力 ， 这就像可控甚至商业核聚变一样 ， 结果距离我们很远 ， 但是我们依然要不断前进 。
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