尽管“量子计算机”一词可能暗示着一个微型设备，但最新的化身与Apple Store中可用的任何东西都相去甚远。在纽约市以北60公里处的实验室中，科学家们通过其步伐运行一台刚起步的量子计算机 - 整个包裹看起来就像在地下室的黑暗角落里发现的东西。包裹计算机的冷却系统大约是家用热水器的大小和形状。
在那个笨拙的外观下方，是计算机的心脏，量子处理器，每一侧的微小，精确地设计的芯片大约一厘米。寒冷至绝对零以上的温度，这台计算机是由IBM制造的，位于纽约约克镇高地的公司Thomas J. Watson Research Center中，包括16个Quantum Bits，或Qubits，仅用于简单的计算。
但是，如果可以扩展此计算机，它可能会超越当前计算的限制。基于SuperSmall物理学的计算机可以解决其他计算机无法（至少在理论上）无法解决的难题，因为量子实体的行为与较大领域中的任何内容都不同。
量子计算机尚未使标准计算机感到羞耻。最先进的计算机的工作量少于二十台。但是，来自行业和学术界的团队正在努力将自己的量子计算机版本扩展到50或100 QUAT，足以执行某些计算，而最强大的超级计算机无法实现。
比赛将达到这一里程碑，称为“量子至上”。芝加哥大学的量子物理学家戴维·舒斯特（David Schuster）说，科学家应在几年内实现这一目标。 “没有理由我认为它行不通。”
深冻
冷却系统（Google显示的）维持了位于设备底部的超导量子处理器的寒冷温度。该系统封闭在热水器大小的容器中。
但是，至高无上只是一个初步步骤，这是一个象征性的标记，类似于将旗杆粘在未开发的景观的地面上。对于标准计算机而言，量子计算机占上风的第一个任务将是很难设置的问题，但对于量子计算机来说很容易。最终，希望是，计算机将成为科学家和企业的珍贵工具。
引人注目的想法
量子计算机可能会解决的一些有用的问题可能是模拟小分子或化学反应。从那里开始，计算机可以继续加快寻找新药的速度，或者开始开发节能催化剂以加速化学反应。为了找到特定作业的最佳材料，量子计算机可以搜索数百万可能性，以查明理想的选择，例如，用于飞机翼的超局部聚合物。广告商可以使用量子算法来改进其产品建议 - 在您正处于购买量子的边缘时，就会为该新手机提供广告。
量子计算机也可以推动机器学习，从而允许几乎完美无瑕的手写识别或帮助自动驾驶汽车评估传感器中涌入的数据泛滥，从而远离跑步的孩子。例如，科学家可能会使用量子计算机来探索物理的异国境界，例如，模拟了黑洞内可能发生的事情。
但是，量子计算机不会发挥其真正的潜力，这将需要在十多年内利用数百万量子位的力量。量子计算机的长期未来的可能性恰好仍然存在。
前景类似于围绕20世纪中叶的标准计算机开发（量子科学家称为“古典”计算机）的片状愿景。当他们开始使用电子计算机修补时，科学家无法理解所有最终的应用程序。他们只是知道这些机器拥有强大的力量。从最初的诺言中，古典计算机在科学和商业中变得必不可少，主导日常生活，手持式智能手机成为恒定的伴侣（SN：4/1/17，p。 18）。
我们对真正革命的潜力感到非常兴奋……我们可以计算什么。
-Krysta svore
自1980年代以来，当量子计算机的想法首先引起了兴趣时，进步已经适合并开始。没有创建真实量子计算机的能力，该工作仍然是理论上的，尚不清楚何时（或者如果是 - 量子计算）是可以实现的。现在，随着手头上的小量子计算机以及新的开发迅速发展，科学家和公司正在为最终似乎可以触及的新技术做准备。
Microsoft的Krysta Svore在3月13日在新奥尔良说：“公司真的在关注一个包装的会话在美国物理社会的会议上。热情的物理学家在房间里挤满了人，挤在门口，在她说话时竭力听到。 Svore和她的团队正在探索这些新生的量子计算机最终可能能够使用的内容。 “我们对真正革命的潜力感到非常兴奋……我们可以计算什么。”
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量子计算的承诺植根于量子力学，量子力学是控制原子，电子和分子等微小实体的违反直觉物理。量子计算机的基本元素是Qubit（发音为“ CUE-BIT”）。与标准的计算机位（可能为0或1）的标准计算机位不同，值为0、1或两者的组合 - 一种炼狱在0和1之间被称为量子叠加。测量量子线时，有一些机会获得0，有可能获得1的机会。但是在测量它之前，它均为0和1。
因为量表可以同时代表0和1，所以它们可以编码大量信息。在计算中，两个可能性（0和1）同时进行操作，从而允许一种平行计算加速解决方案。
另一个贵族怪癖：它们的特性可以通过纠缠的量子现象交织在一起（SN：4/29/17，p。 8）。在纠缠夫妇中对一个Qubit的测量立即揭示了其伴侣的价值，即使它们的距离很远 - 阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）称之为“远距离的怪异动作”。
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封闭式社区
在量子计算中，程序员执行一系列称为门的操作，以翻转Qubit（由黑色水平线表示），将它们纠缠以链接其属性，或将它们同时表示为0和1。首先，一些门定义：
科学家可以将上面的大门结合到复杂的序列中，以执行经典计算机无法进行的计算。一种这样的量子算法称为Grover的搜索，加快了搜索的速度，例如扫描匹配指纹数据库。要了解其工作原理，请考虑一个简单的游戏节目。
在这个游戏节目中，四扇门藏了一辆汽车和三只山羊。参赛者必须随机打开一扇门，以期找到汽车。格罗弗（Grover）的搜索能够立即探讨所有可能性，并放大了所需的搜索，因此参赛者更有可能找到汽车。两个量子位代表四扇门，在二进制中标记为00、01、10和11。在此示例中，汽车隐藏在门11后面。
步骤1：将两个Qubits都放在叠加中。这四个门的概率均等。
步骤2：隐藏了第11门后面的汽车。在一个现实世界中，此信息将存储在量子数据库中。
步骤3：放大测量量子位时获得正确答案的概率11。
步骤4：衡量两个量子位；结果是11。
资料来源：IBM研究；图形：T。Tibbitts
这种怪异的量子性能可以使得能够充分的计算。但是，该方法不会加快解决问题的解决方案的加快解决方案。量子计算器特别适合某些类型的难题，这种拼图可以通过称为量子干扰的过程选择正确的答案。通过量子干扰，正确的答案被放大，而其他人则被取消，例如在湖中相遇的一组涟漪相遇，导致一些峰变大，而其他峰会消失。
量子计算机最著名的潜在用途之一是将大型整数分解为其主要因素。对于古典计算机，此任务是如此困难，以至于信用卡数据和其他敏感信息是基于保理数来确保的。最终，一台足够大的量子计算机可能会破坏这种类型的加密，这些数字将数百万年的经典计算机破裂。
量子计算机还有望加快搜索速度，并使用量子位更有效地挑选出数据草堆中的信息针。
可以使用各种材料（包括离子，硅或超导体）制造Qubits，这些材料可以无电抗能进行电力。不幸的是，这些技术都不允许一台可以轻松适合台式机的计算机。尽管计算机芯片本身很小，但它们取决于大型冷却系统，真空室或其他笨重的设备，以维持Qubits的精致量子性能。在可预见的将来，量子计算机可能会局限于专门的实验室，可以通过互联网远程访问。
前往至高无上
与网络连接的量子计算机的愿景已经开始进行量子计算令人兴奋。它即将到来，我们希望更多的人对itmaterialize进行精心设计。 2016年，IBM推出了量子体验，这是一款量子计算机，世界上任何人都可以免费在线访问。
量子计算令人兴奋。它即将到来，我们希望更多的人对此有良好的影响。
- 杰里·乔（Jerry Chow）
管理IBM的实验量子计算组的杰里·乔（Jerry Chow）说，只有五个量子位，量子体验“可以做的事情有限”。 （IBM的16量计算机正在Beta测试中，因此量子体验用户才刚刚开始掌握它。）尽管有局限性，量子体验使科学家，计算机程序员和公众能够熟悉与标准计算机不同的规则，因此需要新的思考问题。量子计算令人兴奋。它即将到来，我们希望更多的人对它进行良好的精力。” Chow说。 “这将使发展和进步更快。”
但是，要完全启动量子计算，科学家将需要证明他们的机器可以胜过最佳的标准计算机。悉尼麦格理大学的Quantum物理学家西蒙·德维特（Simon Devitt）说：“这一步骤对于社区说服社区很重要。” Devitt预测，这种量子至高无上的演示可能会在今年年底或2018年进行。
Google的研究人员制定了一种策略展示量子至上，在线发布在2016年的arxiv.org。他们提出了一种算法，如果在足够大的量子计算机上运行，将产生无法由世界上最强大的超级计算机复制的结果。
该方法涉及在量子位上进行随机操作，并测量吐出的答案的分布。在经典超级计算机上获得相同的分布将需要模拟量子计算机的复杂内部工作。模拟具有超过45吨的量子计算机变得难以管理。超级计算机无法到达这些量子野外。
为了进入这个腹地，拥有9个Quibit Computer的Google具有积极的计划，可以扩展多达49 QUAT。 “我们非常乐观，” Google的约翰·马蒂尼斯（John Martinis）也是加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的物理学家。
马提尼酒和同事计划分阶段进行，并沿途解决扭结。他说：“您会构建一些东西，然后如果它运行不佳，那么您就不会做下一个 - 您可以解决正在发生的事情。”研究人员目前正在开发15量和22个Qubits的量子计算机。
像Google一样，IBM也计划走得大。 3月，该公司宣布将在未来几年内制造一台50 Quition的计算机，并使渴望成为新兴技术的第一批采用者之一。仅两个月后，IBM宣布其科学家创建了16个Qubit的Quantum计算机，以及17个Qubit的原型，这将是该公司未来商用计算机系列的技术起点。
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但是，量子计算机远不止其量子位的总和。 Chow说：“扩展的真正关键方面之一不仅是……QUBIT号码，而且可以真正提高设备性能。”因此，IBM研究人员正在关注他们称为“量子量”的标准，该标准考虑了几个因素。其中包括量子数的数量，每个量子位如何连接到其邻居，错误速度降低到计算中以及一次可以执行多少操作。 “这些都是真正赋予您的量子处理器功能的因素。”
错误是增加量子体积的主要障碍。及其精致的量子特性，Qubits可以在每个操作时会累积故障。 Qubits必须抵抗这些错误或计算很快变得不可靠。最终，具有许多量子位的量子计算机将能够通过称为误差校正的过程来修复出现的错误。尽管如此，为了提高计算量子计算机的复杂性，量子计算机的可靠性将需要不断提高。
形成量子位的不同技术具有各种影响量子体积的优势和劣势。 IBM和Google和许多学术科学家一样，是用超导材料来建造的。在冷却至极低温度的超导体中，电子流动不受阻碍。为了塑造超导码头，科学家形成了电路，其中电流在由铝制或其他超导材料制成的电线环内流动。
几个学术研究人员的团队创建了单个离子的Qubit，被困在适当的位置并用激光探测。英特尔和其他人正在使用用微小的硅制成的Qubits（称为量子点）（SN：7/11/15，p。 22）。 Microsoft正在研究所谓的拓扑量表，这对于逐渐计算出的错误将是抗甲的。甚至可以使用分离单个电子的晶体中的缺陷，甚至可以从钻石中锻造吨位。同时，光子量子计算机使用光颗粒进行计算。一支由中国领导的团队在5月1日发表的论文中展示自然光子学那基于光的量子计算机的表现可以胜过最早的电子计算机关于特定问题的s。
一家公司D-Wave声称拥有一台可以执行严重计算的量子计算机，尽管使用了比其他量子计算机更有限的策略（SN：7/26/14，p。 6）。但是许多科学家对这种方法持怀疑态度。 Devitt说：“目前的一般共识是量子正在发生，但目前尚不清楚它是什么。”
相同的离子
虽然超导量子位受到IBM和Google等巨人的最大关注，但采用不同方法的弱者最终可能会通过这些公司。一个潜在的新贵是克里斯·梦露（Chris Monroe），他是基于离子的量子计算机。
在他在马里兰州大学公园的马里兰州校园办公室附近的一条人行道上，这是一个横幅，上面刻有门罗装饰的寿命大的肖像。消息：梦露的量子计算机是一个“无所畏惧的想法”。横幅是一项广告活动的一部分，其中有几个大学的研究人员，但梦露似乎是一个适当的选择，因为他的研究很容易与超导量子台一起工作的趋势。
门罗和他的小型研究人员将离子排成整齐，用激光来操纵它们。在发表的论文中自然2016年，门罗及其同事首次亮相五量量子计算机，由ytterbium离子制成，允许科学家进行各种量子计算。他说，一台32英国的计算机正在进行中。
门罗的实验室 - 他在校园里有六个 - 与通常与计算机相关的任何东西都不类似。桌子上有一堆难以理解的镜头和镜子，周围是容纳离子的真空室。与IBM的计算机一样，尽管完整的包装很大，但量子部分很小：离子的链条仅一百毫米。
激光护目镜中的科学家倾向于整个设置。 Monroe说，设备的异性解释了为什么用于量子计算的离子技术尚未起飞。因此，他和同事将事情掌握在自己手中，创建了一个名为IONQ的初创企业，该初创企业计划改善离子计算机，以使其更易于使用。
门罗指出了他的技术的一些优势。特别是，相同类型的离子是相同的。在其他系统中，量子位之间的微小差异可能会使量子计算机的操作崩溃。梦露说，随着量子计算机的扩大，对于那些小差异，将为这些小的差异付出巨大的代价。 “拥有数百万人的量子位相同，这将非常重要。”
在三月份发表的一篇论文中国家科学院论文集，门罗和同事将他们的量子计算机与IBM的量子体验进行了比较。离子计算机的执行操作要比IBM的超导能力更慢，但是它受益于更相互联系 - 每个离子可以与其他任何离子纠缠在一起，而IBM的Qubits只能与相邻的Qubits纠缠在一起。相互联系意味着可以以更少的步骤执行计算，从而帮助弥补较慢的操作速度，并最大程度地减少错误的机会。
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多少多少
两台不同的量子计算机（一台使用离子量子位，另一个使用离子量子台）在最近的比较中进行了面对面。两台五数分计算机的性能都相似，但每台计算机都有自己的优势：超导计算机更快；离子计算机更加互连，需要更少的步骤来执行计算。
资料来源：NM Linke等/PNAS2017
早期申请
像门罗这样的计算机仍然远没有解锁量子计算的全部功能。为了执行越来越复杂的任务，科学家将不得不纠正误入计算的错误，从而通过在许多量子位中传播信息来即时解决问题。不幸的是，此类误差校正将量子数的数量乘以10倍，100倍甚至数千个，具体取决于量子的质量。完全错误校正的量子计算机将需要数百万个Qubits。那仍然是很长的路要走。
因此，科学家们正在勾勒出一些简单的问题，这些问题可以在没有错误校正的情况下挖掘量子。最重要的早期应用之一是通过使用量子计算机模拟化学系统的量子力学来研究小分子或简单反应的化学。 2016年，来自Google，哈佛大学和其他机构的科学家进行了对氢分子的量子模拟。氢已经使用具有相似结果的经典计算机模拟，但是随着量子计算机的扩展，可以随之而来的分子更复杂。
一旦出现了错误校正的量子计算机，许多量子物理学家尤其关注一种化学问题：制作肥料。尽管对于量子物理学家来说，这似乎是一个不太可能的任务，但该任务说明了量子计算机的改变潜力。
Haber-Bosch工艺用于产生富含氮的肥料，是精力密集的，苛刻的高温和压力。对于现代农业至关重要的过程，该过程消耗了全球能源供应量的1％。可能有更好的方法。氮固定细菌借助氮酶很容易从空气中提取氮。量子计算机可以帮助模拟该酶并揭示其特性，也许使科学家“设计一种催化剂来改善氮固定反应，使其更有效并节省世界的能量，” Microsoft的Svore说。 “这就是我们想在量子计算机上做的事情。对于这个问题，似乎我们需要纠正错误。”
确定不需要错误校正的应用程序很困难，并且可能没有完全映射。 “这不是因为它们不存在；我认为这是因为物理学家不是找到他们的合适人选。”麦格理的德维特说。一旦可以使用硬件，计算机科学家就会提出新的想法。
这就是为什么像IBM这样的公司通过网络将其量子计算机推向用户的原因。 Devitt说：“这些公司中的许多公司都意识到他们需要人们开始玩这些事情。”
量子科学家正在跋涉进入一个新的，未知的计算领域，使计算机程序员乘坐。这些刚起步的系统的功能可以重塑社会使用计算机的方式。
最终，量子计算机可能成为我们技术社会结构的一部分。例如SN：10/15/16，p。 13）。
MIT的物理学家Seth Lloyd说：“量子计算机和量子通信有效地使您能够以更加私人的方式做事。”
量子计算机可能还有更多的用途，还没有人想到。
“我们不确定这些将要使用什么。这有点奇怪。”门罗说。但是，他坚持认为，计算机会找到他们的利基。 “建造它，他们会来的。”
这个故事出现在2017年7月8日的《科学新闻有了标题，“量子计算机变得真实：随着第一个基于Qubit的机器的在线机器，科学家才刚刚开始想象的可能性。”
