以色列专家介绍量子计算的原理，并试图回答为什么需要这样做的问题。

什么是量子计算？为什么我们需要量子计算？根据摩尔定律（“微电路的复杂性，例如通过每个芯片的晶体管数量来衡量，每 18 个月翻一番，因此每 3 年翻两番”），计算芯片上每单位面积的晶体管密度每年翻一番半，这给传统计算机带来了两个主要问题。首先，在计算方面，高密度晶体管将面临功耗和热效应问题。其次，尺寸的缩小会导致晶体管经典理论的失效，其性能将偏离原设计。

这两个问题都会限制晶体管的进一步缩小，从而终结摩尔定律。然而，尽管传统计算机发展到摩尔定律终结，但依旧无法应对许多需要解决的问题。假设我们计算 N 个耦合的两能级系统的基本状态能量，因为未知数的数量将与 2^N 成正比。IBM 的超级计算机目前所需的模拟时间是 2.5 天，在谷歌的 53 量子位量子计算机上进行特定计算，大约需要 200 秒。量子比特是量子比特的缩写，是本杰明舒马赫创造的术语，用来表示量子比特，即量子信息的基本单位。

随着量子比特数量的不断增加，传统计算机很快就会遇到瓶颈。然而，几乎所有涉及量子力学的传统计算都面临同样的问题。因此，许多研究人员早在 1970 年就开始思考如何将量子特性本身用作计算资源，随后由 Richard Feynman 在 1982 年进行了总结。

因此，量子位与传统计算相比有哪些优势？最令人惊讶的莫过于量子叠加和量子纠缠的性质。量子叠加是一种与经验直觉形成对比的非经典状态，比喻是既活又死的薛定谔猫。

然而，叠加态是微观或中观尺度（介于宏观和微观尺度之间的空间尺度、视点等）上的量子比特的真实状态。量子比特可以在两个特征量子态的叠加中找到，而这种叠加态是量子世界中存在与不存在共存的非经典状态。在这种状态下，量子比特既不是 0 也不是 1，但不是处于两边（0 和 1）都不确定的状态，而是以相等的概率，就像一枚硬币落在手掌上之前一样。

虽然在可见的自然界中，可以观察到一种现象而不会仅通过观察（即仅通过观察所述现象）来明显地影响它 - 在原子物理学和量子力学中，有限的 - 直到某一点 - 不可见的扰动是相连的到每一个观察。不确定性原理是对自然现象中绝对偶然性和任意性的认识。另一方面，正如稍后将变得清楚的那样，量子力学并没有为观察或任何观察者预测一个单一的、明确定义的结果。

量子比特可以在一组叠加态（既不是 0 也不是 1）中经历量子演化这一事实意味着相关计算中的量子并行性。然而，每个量子比特的演化不足以构建多量子比特系统的所有可能演化。因此我们必须

还与不同的量子位交互，以便它们可以交织在一起，以便为这种计算构建令人满意的算法。这种特殊的叠加精确地称为纠缠量子态。

让我们以两个量子比特为例，这是一个典型的纠缠态。在它们之间，代表第一个量子位的状态与第二个量子位的状态相连。这两个连接处于量子叠加状态，因此我们不能谈论两个量子位在那个时刻所处的状态——因此我们谈论纠缠。

在量子计算中有更实际的纠缠观点，即纠缠态通常来自一个量子位（控制量子位）对另一个（目标量子位）的控制。控制量子比特和目标量子比特的关系类似于前面提到的薛定谔猫。根据这种观点，如果控制部分处于叠加状态，则被控制部分将处于不同受控情况的叠加。

这种纠缠过程是量子计算中的一个重要元素。可以说，叠加和纠缠协同编织了量子计算的多样平行演化。每次测量只能计算其中一个可能的状态，第一次测量后叠加状态不再存在。因此，为了获得叠加态所需的统计信息，我们必须重新计算和测量结果。

因此，在很多量子算法中（如Shor的因式分解算法[解决整数分解为素数的问题]和数字量子模拟），我们需要在计算后使用一些干涉机制，使得由于建设性干扰（即通过紧随其后产生的其他数据的变化），包含叠加态响应的相位被转换为守恒（隐含的想法是防止最终溢出或丢失），而进一步的数据被破坏性消除干涉。

这样，可以用更少的测量值获得响应。大多数量子算法在很大程度上依赖于波动和干涉现象——因此相对相位对于量子计算非常重要，这被称为量子相干性。在量子计算机的硬件设计中，很多考虑都与如何保护量子态以延长相干寿命有关。

量子计算机有多种硬件实现，但设计考虑是相似的。有三个常见的考虑因素：量子比特的可操作性、可测量性和量子态的保护。针对这些考虑，开发了腔量子电动力学 (cQED) 系统。

可以以超导量子系统为例介绍量子计算机的实现。谐振腔和量子比特之间的频率差异意味着谐振腔和量子比特之间的耦合倾向于不交换能量量子，而只会产生纠缠，这意味着谐振腔的频率会随着量子比特。因此，可以通过使用位读出线测量谐振频率附近的微波穿透或反射光谱来推断量子位的状态。

相邻量子位之间的纠缠机制是由相对于交叉型电容器之间的电容的耦合提供的。耦合效应由相邻量子位之间的频率差控制。振荡行为反映了量子干涉效应，其逐渐消失导致相干性和量子能量的衰减。

量子比特的相干寿命受两个因素影响，一个内在因素和一个外在因素。外在影响主要来自量子位和量子态读出电路之间的耦合。在位和读出线之间的微波腔中存在类似滤波器的保护机制可以提供类似量子位的保护机制，因为腔和量子位具有大约 718 MHz 的频率差。内在影响主要来自于量子比特本身的损耗及其频率对各种噪声的敏感性，通常可以通过改进材料和工艺以及优化几何结构来抑制。

量子计算应用广泛，目前涉及解密与密码学、量子化学、量子物理、优化问题和人工智能等领域。这几乎涵盖了人类社会的方方面面，并将对修行后的人类生活产生重大影响。然而，最好的量子计算机还不能表现出量子计算的优势。

虽然量子计算机上的量子比特数已经超过 50 个，但运行算法所需的电路深度还远远不够。主要原因是量子比特在计算过程中的错误率依旧很高，尽管我们可以使用量子比特的量子校正和容错量子计算。在量子计算的情况下，逐渐提高数据的精度将大大增加硬件的生产难度和算法的复杂度。

目前，一些知名算法的实现仅达到概念论证的水平，足以论证量子计算的可行性，但实际应用还有很长的路要走。

但我们应该保持乐观，因为虽然通用的量子计算依旧需要通过量子计算机硬件来改进，但我们依旧可以找到新的算法和应用。而且，硬件的发展也可以取得长足的进步，就像传统计算机的发展初期一样。

根据这一目标，许多现有的技术产业可以在不久的将来进行升级。得益于大量的公共和私人投资，研究正在快速进行，首批商业应用将在短期内出现。

考虑到国防和情报问题，许多政府都在资助这一领域的研究。美国启动了价值数十亿元人民币的多年计划。欧盟还设立了投资10亿欧元的量子旗舰计划。