量子计算机有可能显著提高计算的多样性和准确性，为计算机开辟新的应用领域，并增强物理现象的模型。然而，尽管量子计算机的媒体报道越来越多，但许多人仍然不确定量子计算机与普通计算机有何不同。让我们来看看量子计算机是如何工作的，它们的一些应用，以及它们即将到来的未来。

什么是量子计算机？

在我们能够有意义地研究量子计算机是如何工作的之前，我们需要首先定义量子计算机。量子计算机的简短定义是：基于量子力学的计算机，能够以比传统计算机更高的效率进行某些复杂的计算。这是量子计算机的一个快速定义，但是我们需要一些时间来真正理解量子计算机与传统计算机的区别。

普通计算机用二进制编码信息：将数据的每一位表示为1或0。一系列的1和0被链接在一起以表示文本、图像和音频等复杂的信息块。然而，在这些二进制系统中，信息只能存储为1和0，这意味着数据的表示和解释有一个硬限制，随着数据变得越来越复杂，它必然会变得越来越长，由1和0组成的字符串。

量子计算机之所以能够更有效地存储和解释数据，是因为它们不使用比特来表示数据，而是使用“量子位”。量子比特是像光子和电子一样的亚原子粒子。量子位有两个有趣的特性，这使它们对新的计算方法很有用。量子比特有两个特性，计算机工程师可以利用：叠加和纠缠。

量子叠加使量子比特不仅存在于“一”态或“零”态，而且还存在于这些态之间的连续体中，这意味着使用量子位可以保存更多的信息。同时，量子纠缠是指这样一种现象：一对量子比特可以产生，如果一个量子比特被改变，另一个量子比特也会以可预测的方式改变。这些量子特性可以用来更有效地表示和构造复杂的数据。

量子计算机如何工作

量子“叠加”之所以得名，是因为它们一次可以处于多个位置。虽然比特可以只有两个位置，但是量子比特可以同时以多种状态存在。

部分由于量子叠加的存在，量子计算机能够同时计算许多不同的潜在结果。一旦计算完成，量子位就被测量出来，这就产生了一个最终的结果，通过量子态塌缩到0或1，这意味着结果可以被传统计算机解释。

量子计算研究人员和工程师可以通过使用微波或精密激光改变量子比特的位置。

计算机工程师可以利用量子纠缠来显著提高计算机的处理能力。量子纠缠是指两个量子比特可以以这样一种方式连接在一起，改变其中一个量子比特可以可靠地改变另一个量子比特。我们还不完全理解为什么量子比特可以建立这样的关系，或者这种现象是如何确切地工作的，但是科学家们已经很好地理解了它，有可能将其用于量子计算机。由于量子纠缠，在量子机器中添加额外的量子比特并不仅仅是计算机处理能力的两倍，它还可以成倍地扩展处理能力。

如果这一切看起来有点过于抽象，我们可以通过想象迷宫来描述叠加是如何有用的。对于一台普通的计算机来说，它必须尝试迷宫的每一条路径，直到找到一条成功的路径。然而，量子计算机基本上可以同时探索所有不同的路径，因为它不受任何给定状态的束缚。

所有这些都是说，纠缠和叠加的特性使量子计算机变得有用，因为它们可以处理不确定性，能够探索更多可能的状态和结果。量子计算机将有助于科学家和工程师更好地模拟和理解多方面、多变量的情况。

量子计算机是用来做什么的？

既然我们对量子计算机的运行方式有了更好的直觉，让我们来探索量子计算机的可能使用案例。

我们已经提到了这样一个事实：量子计算机可以以更快的速度进行传统计算。然而，量子计算机技术可以用来实现传统计算机甚至可能无法实现或非常不实际的事情。

量子计算机最有前途和最有趣的应用之一是在人工智能领域。量子计算机有能力改进由神经网络创建的模型，以及支持它们的软件。谷歌目前正在使用其量子计算机来协助自主驾驶汽车的研发。

量子计算机在分析化学相互作用和反应方面也有作用。即使是最先进的普通计算机也只能模拟相对简单的分子之间的反应，而这些反应是通过模拟所涉及分子的性质来实现的。然而，量子计算机允许研究人员创建与他们正在研究的分子一样具有精确量子性质的模型。更快、更精确的分子建模将有助于创造新的治疗药物和新材料，用于创造能源技术，例如更高效的太阳能电池板。

量子计算机也可以用来更好地预测天气。天气是许多事件的交汇点，用于天气模式预测的公式复杂，包含了许多变量。要进行所有预测天气所需的计算，可能需要非常长的时间，在此期间天气条件本身可以演变。幸运的是，用于预测天气的方程具有量子计算机可以利用的波性质。量子计算机可以帮助研究人员建立更精确的气候模型，这在气候变化的世界中是必要的。

量子计算机和算法也可以用来帮助确保人们的数据隐私。量子密码学利用了量子不确定性原理，在这种原理下，任何试图测量物体的尝试最终都会对该对象进行更改。试图拦截通信将影响最终的通信，并显示篡改的证据。

量子计算的未来

量子计算机的大部分用途将局限于学术界和企业。消费者/大众不太可能获得量子智能手机，至少不会很快。这是因为它需要专门的设备来操作量子计算机。量子计算机对干扰非常敏感，因为即使环境中最微小的变化也会导致量子比特移位，并退出叠加状态。这被称为退相干，这是量子计算机的进步似乎比普通计算机来得慢的原因之一。量子计算机通常需要在极端低温的条件下工作，与其他电气设备隔离。

即使有了所有的预防措施，噪音仍然能在计算中产生错误，研究人员正在寻找方法使量子比特更可靠。为了实现量子至上，量子计算机完全超越了当前超级计算机的能量，量子位元需要连接在一起。一台真正的量子最高计算机可能需要数千个量子比特，但现在最好的量子计算机通常只能处理50个量子比特左右。研究人员不断地在道路上创造更稳定和可靠的量子比特。量子计算机领域的专家预测，强大可靠的量子器件可能在十年内出现。