是什么让量子计算如此难以解释？我们离量子时代有多远？

你可能听说过，量子计算机是神奇的超级机器，它将很快通过在不同的平行宇宙中尝试所有可能的方案来治愈癌症和解决气候问题 。近年来，随着世界各国政府和企业投入数十亿美元，随着技术发展到可编程50量子位设备，量子计算机确实可以与世界上最大的超级计算机竞争，关于量子计算机的炒作只会越来越多。就像加密货币、机器学习一样，有了钱就有了叫卖者。

现实情况是，即使你消除了所有的不良动机和贪婪，如果没有数学，量子计算仍然很难简单地被解释。正如量子计算先驱理查德·费曼（Richard Feynman）曾经说过的，让他获得了诺贝尔奖的对量子电动力学的研究，如果可以用几句话来描述它，它都不值得获得诺贝尔奖。

这并不是阻止人们尝试。自从彼得·肖尔（Peter Shor）在1994年发现量子计算机可以破解保护互联网交易的大部分加密技术以来，人们对这项技术的兴奋不仅仅是出于知识上的好奇心。事实上，该领域的发展通常被报道为商业或技术故事，而不是科学故事。

如果一个科技记者可以诚实地告诉读者，“这里面有很多深奥的量子理论，但你只需要明白最基本的一点：物理学家即将制造出更快的计算机，这将彻底改变一切。”

问题是量子计算机不会彻底改变一切。

有一天他们可能会在几分钟内解决一些特定的问题，而这些问题在经典计算机上所花费的时间比宇宙的年龄还要长。但是对于许多其他重要的问题，大多数专家认为量子计算机如果能解决的话，也只能起到有限的作用。此外，虽然谷歌和其他公司最近声称他们已经实现了人为的量子加速，但这只是针对特定的、深奥的问题。量子计算机要想在破解密码和模拟化学等实际应用中超越经典计算机，可能还有很长的路要走。

但是，可编程计算机如何能在某些问题上更快呢？在这种情况下，“快速而可靠”的量子计算机到底意味着什么？要回答这些问题，我们必须深入研究。

让我们从量子力学开始。叠加的概念很难用通俗语句表达出来。因此，许多科普作家选择了简化叠加的概念：他们说叠加的意思是“同时存在”，所以一个量子位，就是一个可以“同时是0和1”的位，而一个古典位只能是其中之一。他们接着说，量子计算机将通过使用量子位来尝试所有可能的叠加来增加它的速度——也就是说，同时或并行。

这就是我认为的量子计算普及过程中最根本的失误，也是导致其他所有失误的原因。从这里开始，量子计算机可以通过一次尝试所有可能的答案来快速解决诸如旅行推销员问题——这是几乎所有专家都认为他们无法做到的。

问题是，要想让电脑起作用，在某些时候你需要看着它并读取输出。但如果你看所有可能答案的相等叠加，量子力学的规则说你只会看到和读到一个随机的答案。如果这就是你想要的，那么你可以自己选一个。

叠加真正的意思是“复线性组合”。这里的“复”是复数的意思（实数加虚数），而“线性组合”是指将不同状态的倍数相加。一个量子位有一个复数，叫做振幅，它有可能是0，另一个振幅，它有可能是1。这些振幅与概率密切相关，因为某些结果的振幅离零越远，看到该结果的机会就越大；更准确地说，概率等于距离的平方。

但是振幅不是概率。他们遵循不同的规则。例如，如果对一个振幅的一些贡献是正的，其他是负的，那么这些贡献可以相互干扰，相互抵消，使振幅为零，并没有观察到相应的结果；同样，它们可以建设性地干预，增加给定结果的可能性。为量子计算机设计算法的目标是设计一种构造干扰和破坏性干扰的模式，以便每个错误的答案对其振幅的影响相互抵消，而对正确答案的影响相互增强。当且仅当，你能把它排列好，当你看的时候，你会很有可能看到正确的答案。棘手的部分是在不事先知道答案的情况下做这个，而且比你用经典计算机做得要快。

27年前，肖尔演示了如何用这一切来解决整数的保理问题，这破解了很多在线商务中广泛使用的密码。我们现在也知道如何解决其他问题，但只能利用这些问题中的特殊数学结构。这不只是一次尝试所有可能的答案。

更复杂的是，如果你想诚实地谈论量子计算，那么你也需要理论计算机科学的概念词汇。经常有人问我，量子计算机将比现在的计算机快多少倍。一百万倍吗？十亿倍吗？

这个问题忽略了量子计算机的重点，即实现更好的“标度行为”，或将运行时间作为输入数据位数n的函数。这可能意味着选择一个最好的经典算法需要的步数以n指数增长，然后用只以n^2增长的步数来解决它。在这种情况下，对于较小的n，用量子计算机解决问题实际上会比用经典方法解决问题更慢。只有当n增长时，量子加速才首先出现，然后最终占据主导地位。

但是我们怎么知道没有经典的捷径——一个传统的算法会有和量子算法相似的标度行为？这个问题在量子算法研究中是一个核心问题，尽管在流行的描述中通常被忽略。在量子算法研究中，困难往往不是证明量子计算机能快速完成某些事情，而是令人信服地证明经典计算机不能。事实证明，证明问题是困难的，就像著名的P Vs NP问题的证明是非常困难的。

请注意，在解释了所有这些之后，我还只字未提关于建造量子计算机的实际困难。简而言之，问题在于退相干，这意味着量子计算机与其周围环境——附近的电场、温暖以及其他可以记录量子比特信息的东西——之间存在不必要的相互作用。这可能会导致过早地“测量”量子位元，从而将它们变为经典位元，它们要么绝对是0，要么绝对是1。这个问题唯一已知的解决方案是量子纠错：一个在20世纪90年代中期提出的方案，巧妙地将量子计算的每个量子位编码成几十个甚至数千个物理量子位的集体状态。但研究人员现在才开始在现实世界中进行这种纠错工作，而且实际应用还需要更长的时间。当你读到关于50或60个物理量子位的最新实验时，重要的是要明白量子位是不会被错误纠正的。在此之前，我们不指望能超越几百个量子位元。

一旦有人理解了这些概念，我敢说他们已经准备好开始写一篇关于量子计算最新进展的文章了。理解这些东西真的是有可能的——毕竟，这不是火箭科学，这只是量子计算！

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