在1965年，英特爾的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）觀察到微芯片上每平方英寸的晶體管數(shù)量每隔一定時(shí)間就會(huì)翻一番，這就叫“摩爾定律”。過去50年來(lái)，英特爾一直依靠摩爾定律推動(dòng)芯片創(chuàng)新，但本文作者說，從量子計(jì)算機(jī)在過去二十年里的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)中發(fā)現(xiàn)，摩爾定律已經(jīng)變得多余了。

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80年代末到90年代初是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)期，個(gè)人電腦變得越來(lái)越小和越來(lái)越便宜，直觀的圖形界面和更多的功能噴涌而出，使得家庭計(jì)算成為一種新趨勢(shì)。互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)真正推動(dòng)了科技經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。

最初的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是基于微芯片的（發(fā)明于1958年），在每平方英寸的芯片上集成了很多晶體管。1965年，英特爾的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）觀察到微芯片上每平方英寸的晶體管數(shù)量每隔一定時(shí)間就會(huì)翻一番，這就是眾所周知的“摩爾定律”。摩爾定律推斷：計(jì)算能力大約每12個(gè)月翻一番，同時(shí)價(jià)格也變得更便宜。過去50年來(lái)，英特爾一直依靠摩爾定律推動(dòng)芯片創(chuàng)新，但最近計(jì)算機(jī)技術(shù)的革命性發(fā)展預(yù)示了晶體管時(shí)代的終結(jié)。

一些專家指出，計(jì)算機(jī)變得越來(lái)越小和越來(lái)越快的關(guān)系要么正在放緩，要么已經(jīng)走到了死胡同。新聞媒體對(duì)摩爾定律的報(bào)道（上圖）表明，曾經(jīng)流行的作為推動(dòng)計(jì)算增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)因素的這個(gè)名詞已經(jīng)不再受歡迎。

其原因是量子計(jì)算的出現(xiàn)。簡(jiǎn)單地說，量子計(jì)算機(jī)是具有更先進(jìn)處理能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)。它們?yōu)楝F(xiàn)代的計(jì)算機(jī)提供了指數(shù)增長(zhǎng)的引擎。量子計(jì)算機(jī)具有執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算、多個(gè)數(shù)據(jù)集和多個(gè)變量的能力，與目前基于晶體管的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，它在計(jì)算效率方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它的巨大的潛力足以在全球范圍引發(fā)每一個(gè)行業(yè)的革命。那么量子計(jì)算機(jī)如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)呢？答案就在于這些機(jī)器的基礎(chǔ)設(shè)施。為了搞清楚這一點(diǎn)，我們首先需要了解傳統(tǒng)的基于晶體管的微芯片是如何處理信息的。

量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的區(qū)別

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)以比特或位(Bit)的形式處理信息。這些比特或位以0或1的狀態(tài)存儲(chǔ)在晶體管上。這兩種狀態(tài)作為電子開關(guān)（ON-OFF），在兩種狀態(tài)之間交替進(jìn)行計(jì)算。而量子計(jì)算機(jī)不使用晶體管，它使用量子比特（Qubit）來(lái)處理信息。使量子計(jì)算機(jī)如此之快的原因是這些量子比特具有同時(shí)存在兩種狀態(tài)0和1中的能力，并能同時(shí)表現(xiàn)出兩種狀態(tài)的特性。這一特性以及量子計(jì)算機(jī)依賴于自然發(fā)生的量子力學(xué)現(xiàn)象——疊加和糾纏，使得這些機(jī)器能夠高效和準(zhǔn)確地執(zhí)行大量復(fù)雜的計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)在過去二十年里的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)重申了一個(gè)事實(shí)，摩爾定律已經(jīng)變得多余了。

如下圖所示，牛津大學(xué)的研究人員于1998年成功地測(cè)試了第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，它只能處理2個(gè)量子比特。

到了2017年，IBM設(shè)計(jì)了一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，其處理能力為50個(gè)量子比特，計(jì)算能力提高了25倍。

2018年，谷歌已經(jīng)展示了72個(gè)量子比特的信息處理能力。

現(xiàn)在，一家總部位于加州伯克利的初創(chuàng)公司Rigetti Computing正致力于打造世界上最強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，其處理能力為128量子比特。

他們的使命是解決人類最大的問題。Steve Jurvetson是D-Wave Systems公司的一個(gè)投資者，而D-Wave是一家總部位于加拿大的公司，它專攻混合量子和經(jīng)典機(jī)器，是量子計(jì)算系統(tǒng)開發(fā)的早期領(lǐng)導(dǎo)者。

Steve創(chuàng)造了一個(gè)新的詞來(lái)形容量子計(jì)算機(jī)不斷增長(zhǎng)的能力，稱之為“羅斯定律”。與基于半導(dǎo)體的機(jī)器的摩爾定律相比，它給出了量子計(jì)算增長(zhǎng)的平行定義。

三種類型的量子計(jì)算

下面這三種類型的量子計(jì)算已經(jīng)提供了一些實(shí)際的用例。

量子退火（Quantum Annealing?）：用于解決優(yōu)化問題。大眾汽車與谷歌和D-Wave公司合作，在中國(guó)北京這個(gè)擁擠不堪的城市進(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)整和優(yōu)化交通流量的試驗(yàn)。計(jì)算算法通過為每輛車選擇理想的路徑，成功地減少了交通擁擠。如果將此解決方案應(yīng)用于全球旅行和物流，想象一下我們能實(shí)現(xiàn)多少增產(chǎn)節(jié)約。

量子模擬（Quantum Simulation）：這可以解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的量子物理化學(xué)問題。通過量子模擬技術(shù)，模擬亞原子粒子或單個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)成為現(xiàn)實(shí)。這些模擬將對(duì)醫(yī)療保健和科學(xué)研究領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。。

普適量子（Universal Quantum ）：這臺(tái)真正具有未來(lái)感的量子計(jì)算機(jī)將有100000個(gè)量子比特的容量，超過100萬(wàn)個(gè)量子比特的處理能力。它將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前只能進(jìn)行128量子比特計(jì)算的量子計(jì)算機(jī)。想象一下，當(dāng)我們進(jìn)入太空旅行的時(shí)代，這些機(jī)器可以解決難以想象的問題。即使是在目前的增長(zhǎng)速度下，我們也要等待一段時(shí)間才能得到這些機(jī)器。然而，研究人員對(duì)普適量子計(jì)算機(jī)的特定算法已經(jīng)進(jìn)行了一段時(shí)間的研究， Shor的數(shù)字分解量子算法（將會(huì)用于高級(jí)代碼分解）和Grover的用于非結(jié)構(gòu)化和海量數(shù)據(jù)集的快速搜索量子算法（將會(huì)用于高級(jí)互聯(lián)網(wǎng)搜索等）是這方面兩個(gè)最著名的算法。展望未來(lái)，普適量子計(jì)算機(jī)在人工智能領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。

利用這些量子機(jī)器的計(jì)算能力對(duì)我們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算是至關(guān)重要的。量子計(jì)算現(xiàn)在還處于它的早期發(fā)展階段，我們?nèi)匀恍枰€(wěn)定的軟件和硬件開發(fā)平臺(tái)以及用于這種革命性技術(shù)的分發(fā)（云計(jì)算）渠道。科技巨頭、大公司、咨詢公司和政府在量子計(jì)算項(xiàng)目上不斷增長(zhǎng)的興趣和投資預(yù)示著這一計(jì)算新時(shí)代的即將來(lái)臨……讓我們拭目以待！