加州理工學院:什么是量子計算？
許多研究人員認為，量子計算機將補充而不是取代我們的傳統技術。
我們為什么需要量子計算機？
科學家和工程師預計，傳統經典計算機實際上無法解決的某些問題對于量子計算機來說將很容易解決。量子計算機也有望挑戰當前的密碼學方法，并為完全私密的通信引入新的可能性。
量子計算機將幫助我們了解、建模和操縱其他量子系統。這種能力將提高我們對物理學的理解，并將影響在量子力學發揮作用的規模上設計的東西的設計，例如計算機芯片，通信設備，能源技術，科學儀器，傳感器，時鐘和材料。
正如人們可以設想今天很少使用經典計算機和相關技術在 1950 年代一樣，我們可能會對量子計算機出現的應用感到驚訝。
量子計算機如何工作？
量子計算機與經典計算機共享一些屬性。例如，這兩種類型的計算機通常都有芯片、電路和邏輯門。它們的操作由算法（本質上是順序指令）指導，并且它們使用一和零的二進制代碼來表示信息。
這兩種類型的計算機都使用物理對象對這些 1 和 0 進行編碼。在經典計算機中，這些對象以兩種狀態編碼位（二進制數字），例如，電流打開或關閉，磁鐵指向上方或向下。
量子計算機使用量子比特或量子比特，它們處理信息的方式非常不同。雖然經典比特總是表示 1 或 0，但量子比特可以同時處于 1 和 0 的疊加態，直到測量其狀態。
此外，多個量子比特的狀態可以糾纏在一起，這意味著它們在量子力學上相互鏈接。疊加和糾纏賦予量子計算機經典計算所不知道的功能。
量子比特可以通過操縱原子、稱為離子的帶電原子或電子，或通過納米工程所謂的人造原子（例如超導量子比特的電路）使用稱為光刻的打印方法制成。
了解更多：量子計算機動畫，來自加州理工學院量子信息與物質研究所 [視頻]
量子計算機存在嗎？
新生的量子計算機以各種形式存在了十多年。一些技術公司已經擁有工作的量子計算機，并將它們與相關的編程語言和軟件開發資源一起提供。
具有廣泛潛在用途的技術，其中量子門通過邏輯運算控制量子比特，正處于快速發展的早期發展中。今天，這種類型的計算機通常少于 100 個量子比特。量子比特在嵌套室內保持量子態，將它們冷卻到接近零度的溫度，并保護它們免受磁和電干擾。
這項技術在 2019 年達到了一個里程碑，當時量子計算機在經典超級計算機解決相同問題所需的時間內完成了特定的計算。這一壯舉被認為是原則的證明;使用這種類型的量子計算機來解決實際問題預計還需要數年時間。
一種不同的量子計算方法，稱為量子退火，正在進一步發展，但僅限于特定類型的計算。在這種方法中，安裝在低溫冰箱中的量子計算機使用數千個量子比特來快速接近復雜問題的解決方案。該方法僅限于稱為二進制優化問題的數學問題，這些問題有許多變量和可能的解決方案。一些公司和機構已經購買了這種類型的計算機或租用新型號的時間，以解決與調度，設計，物流和材料發現相關的問題。
廣泛使用的量子計算機何時可用？
通用量子計算機可能還需要數年時間才能應用于各種實際問題。為了做有用的工作，它們可能需要數千個量子比特。擴大規模會帶來挑戰。
大量的量子比特更難分離，如果它們與環境中的分子或磁場相互作用，它們就會坍縮或退相干，失去疊加和糾纏的基本但脆弱的特性。量子比特越多，機器就越有可能出錯，因為單個量子比特受到環境的干擾。
理論家和實驗家制定策略來減少錯誤，延長量子比特可以停留在量子態的時間，并提高系統的容錯能力，即使在存在錯誤的情況下也能保持其準確性。
研究人員正在為量子比特和量子計算機發明新的設計，并增強現有技術。已建立和較新的戰略將需要時間來擴大規模，提高可靠性并展示其潛力。
加州理工學院如何影響量子計算？
從一開始，量子計算領域就由加州理工學院塑造。突破來自校友和現任加州理工學院的科學家和工程師，其中一些人隸屬于加州理工學院中心，如量子信息與物質研究所及其前身;卡夫利納米科學研究所;新的 AWS 量子計算中心;和JPL，一個由加州理工學院管理的NASA實驗室。這些研究人員在工程和科學領域以及與世界各地的同事一起工作，已經
進行了個實現量子隱形傳態的實驗，可以遠距離傳輸信息;
創建了Shor算法，該算法表明量子計算機具有解決經典計算機無法解決的問題的潛力;
將糾纏量子態存儲在存儲設備中;
概念化了一種通過利用糾纏來保護信息免受當地環境干擾來糾正錯誤的方法;
開發了驗證量子計算機是否正確計算的方法。
