量子化學(xué)學(xué)的重要應(yīng)用
在20世紀(jì)早期，科學(xué)家們開(kāi)始研究原子，不過(guò)越研究科學(xué)家們的疑惑就越多，很顯著，量子化學(xué)學(xué)是違反邏輯科學(xué)的，原子沒(méi)有遵守?cái)?shù)學(xué)學(xué)的傳統(tǒng)規(guī)則。似乎很奇怪，并且任何理論都其應(yīng)用價(jià)值量子物理現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，量子化學(xué)學(xué)也不例外，這么量子化學(xué)學(xué)應(yīng)當(dāng)怎樣被我們所用呢？接出來(lái)我們要提到的就是量子化學(xué)學(xué)目前最重要的一個(gè)應(yīng)用——量子計(jì)算機(jī)。
雖然量子計(jì)算機(jī)就是借助了量子化學(xué)學(xué)的優(yōu)勢(shì)，也就是說(shuō)量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)以量子理論為基礎(chǔ)發(fā)展估算技術(shù)的領(lǐng)域，它的本質(zhì)就是原子和亞原子水平上能量和物質(zhì)的特點(diǎn)，科學(xué)家們須要控制而且借助其本質(zhì)制造和使用量子計(jì)算機(jī)。這么，量子計(jì)算機(jī)究竟是哪些，和普通計(jì)算機(jī)有哪些不同，雖然，它們不僅目的相同之外，其他都不同。
量子計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)
我們現(xiàn)今使用的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能將信息編碼為1或0，這限制了計(jì)算機(jī)的能力。而在另一方面，量子估算則是使用量子比特進(jìn)行估算。疊加和糾纏是量子化學(xué)學(xué)中十分重要的兩個(gè)特點(diǎn)，量子計(jì)算機(jī)就是借助了亞原子的這些奇特的表現(xiàn)來(lái)進(jìn)行估算。這促使量子計(jì)算機(jī)的估算能力獲得了指數(shù)級(jí)的飛越，另外量子計(jì)算機(jī)消耗的電能極少，由于量子計(jì)算機(jī)可以使用量子隧洞技術(shù)運(yùn)行。
更有趣的，我們曉得傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)具有標(biāo)準(zhǔn)化的程序語(yǔ)言，比如Java，SQL和，然而量子計(jì)算機(jī)不能用類似程序代碼，想要讓量子計(jì)算機(jī)工作須要開(kāi)發(fā)新的固定算法。另外從結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)比常規(guī)計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單好多，也就是說(shuō)量子計(jì)算機(jī)沒(méi)有顯存或主板。量子計(jì)算機(jī)核心的部份，相當(dāng)于普通筆記本CPU的結(jié)構(gòu)稱作超導(dǎo)芯片，它由一組可以運(yùn)行的量子比特組成。
科學(xué)家們?cè)诮ㄔ旌昧孔佑?jì)算機(jī)以后才能安
量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的科學(xué)家們經(jīng)常用硬幣的兩面來(lái)告訴你們量子計(jì)算機(jī)工作的原理，如今我們可以想像一枚硬幣，假若這枚硬幣代表的是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，這么硬幣只有正面或背面，也就是0或1。并且對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，它將是一枚正在旋轉(zhuǎn)的硬幣，它還沒(méi)倒下所以我們難以確定它是正面或者是背面。在量子計(jì)算機(jī)中，不會(huì)只有一枚旋轉(zhuǎn)的硬幣，會(huì)有兩個(gè)硬幣同時(shí)旋轉(zhuǎn)，其中二者無(wú)論彼此相距多遠(yuǎn)，都處于相同狀態(tài)。一枚硬幣顯得固定，另一枚硬幣也會(huì)確定，這是量子計(jì)算機(jī)的原理之一，也就是中間態(tài)（薛定諤的貓）和量子比特的疊加態(tài)（一枚成兩枚）。
不過(guò)真正的量子比特可以同時(shí)擁有許多狀態(tài)，所以我們可以這樣理解，量子計(jì)算機(jī)的估算能力隨著量子比特的降低而呈指數(shù)級(jí)下降。并且這在實(shí)際操作中沒(méi)有這么容易，只有在所有條件都滿足的情況下，運(yùn)算結(jié)果才有效，另外量子比特之間必須能進(jìn)行量子糾纏才行。雖然是最小的故障也會(huì)造成估算能力的崩潰，因而，開(kāi)發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)除了是在芯片上布置越來(lái)越多的量子比特，并且還要保持精度，一些公司因此還開(kāi)發(fā)了量子計(jì)算機(jī)糾錯(cuò)程序。
量子計(jì)算機(jī)
剛才我們大約了解了一下原子（當(dāng)然就是硬幣，量子計(jì)算機(jī)中的量子比特）在量子化學(xué)學(xué)中的奇怪表現(xiàn)，這是量子計(jì)算機(jī)原理之一。聽(tīng)到這兒可能還是有同學(xué)不明白，量子計(jì)算機(jī)如何工作呢？在買(mǎi)筆記本的時(shí)侯，我們會(huì)問(wèn)，顯存多大，哪些主板，多大硬碟，是不是4K屏幕……那量子計(jì)算機(jī)有哪些結(jié)構(gòu)呢？有哪些硬件呢？相信你們看過(guò)好多量子計(jì)算機(jī)的相片，乍一看，量子計(jì)算機(jī)如同一個(gè)由鋁管和電纜線組成的巨型射燈，為何是這個(gè)樣子呢？雖然這個(gè)結(jié)構(gòu)可以幫助科學(xué)家們進(jìn)行更有效率的測(cè)試，防止一些毋須要的干擾。
在講解量子計(jì)算機(jī)的幾個(gè)核心硬件（就好比筆記本的芯片，顯存，主板）之前，我們先來(lái)瞧瞧“吊燈”里面最核心的部份量子物理現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，也就是超導(dǎo)芯片，量子比特就在里面，量子比特的排列猶如棋盤(pán)一樣，例如微軟的量子計(jì)算機(jī)有54個(gè)量子比特。芯片上的量子比特是由鈮制成的離子冷阱來(lái)限制的，由于量子比特的電荷如同旋轉(zhuǎn)的硬幣，在工作的時(shí)侯會(huì)來(lái)回振蕩，很難控制。換句話說(shuō)，它們沒(méi)有固定的狀態(tài)，而在核心外邊有一個(gè)小的可調(diào)耦合器。
量子計(jì)算機(jī)超導(dǎo)芯片及其部份核心結(jié)構(gòu)
超導(dǎo)芯片是須要在磁場(chǎng)中工作的，另外超導(dǎo)芯片中的原子須要在極其嚴(yán)寒的環(huán)境下工作，氣溫接近絕對(duì)零度，例如說(shuō)IBM量子計(jì)算機(jī)的超導(dǎo)芯片只能在0.015開(kāi)爾文的氣溫下工作。離子冷阱限制，極低氣溫還有液氦，只有這三個(gè)條件同時(shí)具備才可以讓原子老老實(shí)實(shí)工作。另外，使用普通的氦是不行的，科學(xué)家們使用的是氦-3和氦-4混和物來(lái)獲得極低的氣溫。這么都設(shè)置好以后，其實(shí)要瞧瞧運(yùn)行療效怎樣樣，科學(xué)家們通常是用復(fù)雜的隨機(jī)抽樣任務(wù)來(lái)測(cè)試原子是否工作，瞧瞧量子計(jì)算機(jī)是否早已開(kāi)始運(yùn)行。
量子計(jì)算機(jī)和普通計(jì)算機(jī)有一個(gè)相同點(diǎn)，那就是她們都是機(jī)器，只不過(guò)原理不同，硬件不同，量子計(jì)算機(jī)不僅超導(dǎo)芯片也有其他硬件。剛剛我們看了看整個(gè)量子計(jì)算機(jī)最核心的部份，接出來(lái)我們一上去瞧瞧量子計(jì)算機(jī)還有哪些其他硬件。首先是量子數(shù)據(jù)平面系統(tǒng)，超導(dǎo)芯片是這個(gè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)部份，量子數(shù)據(jù)平面系統(tǒng)包括超導(dǎo)芯片以及其他核心結(jié)構(gòu)，這兒有好多電纜和負(fù)責(zé)控制訊號(hào)的路由
上圖是量子計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)架（量子計(jì)算機(jī)也可以擴(kuò)充）。量子計(jì)算機(jī)與普通計(jì)算機(jī)之間存在一個(gè)插口，也可以理解為一個(gè)對(duì)接模擬系統(tǒng)，通過(guò)該插口，可以將普通計(jì)算機(jī)的輸入數(shù)據(jù)反饋至量子計(jì)算機(jī)，反之亦然。該插口還可以幫助我們創(chuàng)建量子電路所需的量子寄存器。量子電路由量子寄存器構(gòu)造而成，它是一種由量子比特構(gòu)成的電路，顯然未來(lái)會(huì)有更多方式的量子電路，比如量子堆棧機(jī)，量子儲(chǔ)存器等。
除此之外，量子計(jì)算機(jī)還擁有控制和檢測(cè)平面系統(tǒng)，這一部份硬件將負(fù)責(zé)按要求對(duì)量子比特進(jìn)行操作和檢測(cè)，烏魯木齊頓量模擬備份系統(tǒng)就是這個(gè)結(jié)構(gòu)上面的硬件。接出來(lái)是控制處理器平面系統(tǒng)，這兒是科學(xué)家們?cè)跍y(cè)試和運(yùn)行量子計(jì)算機(jī)時(shí)接觸最多的地方，由于這兒須要確定量子比特算法所需的操作和檢測(cè)次序。以后還有一個(gè)主機(jī)運(yùn)行平面系統(tǒng)，這顯然是一個(gè)模擬系統(tǒng)，可以控制量子寄存器，也就是控制量子電路。量子計(jì)算機(jī)即使和普通計(jì)算機(jī)不一樣，而且它也須要運(yùn)行常規(guī)的操作系統(tǒng)或則用戶界面，這個(gè)系統(tǒng)也是為了推動(dòng)交互方法的進(jìn)步。
如今，人類科學(xué)正處于黃金發(fā)展階段，太空探求的盛行，人工智能的出現(xiàn)，還有各類超級(jí)計(jì)算機(jī)的涌現(xiàn)，人類對(duì)于估算的要求是越來(lái)越高了。我們須要更智慧愈加有效率的人工智能或則某種機(jī)器來(lái)幫助人類估算一些很復(fù)雜的問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)就是其中一個(gè)。世界各國(guó)都注意到了量子計(jì)算機(jī)未來(lái)的前景，一旦實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的量子估算，無(wú)論是科學(xué)還是量子計(jì)算機(jī)市場(chǎng)都能突飛猛進(jìn)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)進(jìn)步。量子計(jì)算機(jī)將為全人類帶來(lái)更多經(jīng)濟(jì)效益甚至實(shí)現(xiàn)文明飛越，這么，回到應(yīng)用領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)今發(fā)展的怎樣呢？
量子計(jì)算機(jī)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用
IBM開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為QOne的離子冷阱，并將其推向了市場(chǎng)。One是一種3米乘3米，具有20量子比特的玻璃六面體，如今早已有一些研究人員收到了這個(gè)相當(dāng)于集成模塊化的硬件結(jié)構(gòu)。另外，的量子計(jì)算機(jī)在200秒內(nèi)完成了一次復(fù)雜的估算，假若讓超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)估算的話須要大概10000年時(shí)間，微軟甚至提出了“量子至上”的概念。
你們還記得1997年IBM的計(jì)算機(jī)DeepBlue打敗了國(guó)際圍棋亞軍Garry嗎？DeepBlue之所以還能獲得優(yōu)勢(shì)，是由于它每秒可以思索2億個(gè)可能的動(dòng)作，而量子計(jì)算機(jī)每秒可以估算出1萬(wàn)億個(gè)可能步驟。換句話說(shuō)，一切在絕對(duì)估算實(shí)力之下的布局都是徒勞，Garry的下一步甚至好多步會(huì)走那里，都在估算之中。
微軟表示將在未來(lái)5年內(nèi)要生產(chǎn)一款商業(yè)可行的量子計(jì)算機(jī)，她們還制訂了自己的超導(dǎo)芯片量子比特規(guī)則，5到20個(gè)量子比特就可稱為量子計(jì)算機(jī)，而目前來(lái)說(shuō)擁有一臺(tái)50量子比特的機(jī)器將是人類量子計(jì)算機(jī)的最高水平。該規(guī)則發(fā)布后不久，IBM則表示將在一年內(nèi)為其他企業(yè)提供商用量子機(jī)器。
量子計(jì)算機(jī)如今還不能成為現(xiàn)實(shí)，但很顯著，研究還將繼續(xù)。量子計(jì)算機(jī)在金融、軍事、智能、藥物設(shè)計(jì)與發(fā)覺(jué)、太空探求領(lǐng)域、實(shí)用核聚變、聚合物設(shè)計(jì)、人工智能和大數(shù)據(jù)搜索以及數(shù)字制造等領(lǐng)域有著巨大的貢獻(xiàn)。預(yù)計(jì)到2030年，量子計(jì)算機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)500億歐元。
目前，量子計(jì)算機(jī)還不是現(xiàn)實(shí)，這是由于一些問(wèn)題還沒(méi)有解決，例如怎么讓量子計(jì)算機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，量子計(jì)算機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)小時(shí)、數(shù)天甚至數(shù)年嗎？這個(gè)問(wèn)題仍未得到解答。再者，量子計(jì)算機(jī)使用與精典計(jì)算機(jī)完全不同的編程邏輯。量子計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)，以借助機(jī)器所能提供的量子效應(yīng)。
無(wú)論量子計(jì)算機(jī)何時(shí)能實(shí)現(xiàn)商用，人類都將不斷探求。雖然通過(guò)全文我們可以看見(jiàn)，量子計(jì)算機(jī)的原理基于量子化學(xué)學(xué)的進(jìn)步，量子計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)層面的突破和各類限制量子比特材料科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步。量子計(jì)算機(jī)從來(lái)不是單一的科學(xué)，它須要各領(lǐng)域科學(xué)家們的共同努力，這如同可控甚至商業(yè)核聚變一樣，結(jié)果距離我們很遠(yuǎn)，而且我們?nèi)匀灰粩嗲斑M(jìn)。