量子計算機有望徹底改變計算機的未來

多年來，量子計算機只不過是一個概念。今天，公司、政府和情報機構都在投資量子技術的發展。慕尼黑工業大學複雜量子系統理論教授羅伯特?科尼格(Robert Konig)與滑鐵盧大學量子計算研究所(Institute for quantum Computing)的戴維?戈塞特(David Gosset)和IBM的謝爾蓋?布拉義(Sergey Bravyi)合作，現已在這一前景廣闊的領域奠定了基礎。

為什麼量子計算機應該更快?

傳統計算機遵循經典物理定律。它們依賴於二進位數字0和1。這些數字被儲存起來用於數學運算。在傳統的存儲單元中，每一個比特——信息的最小單位——都由微晶元上的一個微小點表示。這些點中的每一個都可以容納一個電荷，這個電荷決定了比特被設置為1還是0。

然而，在量子計算機中，比特可以同時是0和1。這是因為量子物理定律允許電子同時存在於多個位置。因此，量子比特或量子位元以多種重疊狀態存在。這種所謂的疊加可以讓量子計算機一次對多個值執行操作，而傳統計算機通常必須順序執行這些操作。量子計算的前景在於能夠更快地解決某些問題。

從猜想到證明

Konig和他的同事們已經最終證明了量子計算機的優勢。為此，他們開發了一種量子電路，可以解決一個特定的「困難」代數問題。新的電路結構簡單:它只對每個量子位執行固定數量的操作。這種電路被稱為具有恆定深度的電路。在他們的工作中，研究人員證明了手頭的問題不能用經典的等深電路來解決。他們進一步回答了為什麼量子演算法勝過任何經典電路的問題:量子演算法利用了量子物理的非局部性。

在這項工作之前，量子計算機的優勢既沒有被證實也沒有實驗證明——儘管有證據指向這個方向。一個例子是肖爾的量子演算法，它有效地解決了質因數分解問題。然而，這只是一個複雜的理論猜想，沒有量子計算機這個問題是無法有效解決的。同樣可以想像的是，對於經典計算機來說，還沒有找到正確的方法。

在量子計算的道路上邁出了一步

Robert Konig認為新的研究結果主要是對複雜性理論的貢獻。他說:「我們的研究結果表明，量子信息處理確實帶來了好處——無需依賴未經證實的複雜理論推測。」除此之外，這項工作為量子計算機的發展提供了新的里程碑。由於其簡單的結構，新的量子電路是一個候選的短期實驗實現的量子演算法。

進一步的信息

這些成果在慕尼黑得到了廣泛的應用:近年來，在慕尼黑建立了一個享譽全球的量子技術研究中心，位於加爾興的慕尼黑工業大學正在建設一座新的量子研究大樓。今年9月，慕尼黑工業大學與路德維希-馬克西米利安-慕尼黑大學(LMU)一起，獲得了卓越集群慕尼黑量子科學與技術中心(MCQST)的合同。

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