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当被问及如何向其家人或朋友描述量子计算研究项目时，默克计算机模拟研究主管Philipp Harbach的回答十分简短：“我根本不解释。”他笑着说道。

这也许不足为奇。物理学通常被外行人视为十分令人生畏的科学学科，更不用说量子力学了。一旦进入量子领域，非专家通常会为其中涉及的矛盾所困扰。

“量子力学中最著名的现象学解释便是薛定谔猫。”Harbach说，“但是这种解释是非常有限的。”

“薛定谔猫”简单来说就是，如果将猫和可以杀死猫的物体（如放射性原子）放在盒子中并密封，则您在打开盒子之前不会知道猫是死还是活。在他眼中，这意味着在打开盒子之前，猫在某种意义上既死又活。

此思想实验描述了一种被称为“量子叠加”的现象，即一种量子系统，例如原子或光子之类的基本粒子，可以作为对应于不同可能结果的多个状态的组合而存在。

“薛定谔猫最初用于展示，试图以传统方式描述量子力学是毫无意义的。”Harbach继续说道，“问题在于，没有任何传统理论或‘现实生活中’的例子可以解释量子力学中发现的悖论。因此人们倾向于相信这就像魔术。不！这其实是纯粹的数学问题。”

但是，即使我们无法体验到这种让人难以理解的量子“怪异性”，我们仍然可以体会到它在应用中尤为真实的效果。例如，量子叠加在量子计算中至关重要，它具有从根本上改变化学、材料科学、药物开发、人工智能和安全性等领域研究方法的潜力。

量子物理学描述了原子和亚原子粒子（如电子和光子）的行为。量子计算机通过控制这些粒子的行为展开运行，这与常规计算机完全不同。

而且，量子计算机并非我们现有计算机的增强版本，就像灯泡并非增强版的蜡烛一样。没有人能通过提升蜡烛的性能来制造灯泡。

量子计算机是一种全新的设备，它基于量子物理学，尤其是量子叠加的概念。

在普通计算机中，数据以“位”为单位储存。一位则代表一条信息，能够以两种状态存在，即“0或1”。量子计算则使用“量子位”（qubit）。这些是具有两种状态的量子系统。但是，与通常的位不同，它们可以存储的信息远远不止0或1，因为它们能够以这些值的任何叠加形式同时存在，即“0和1”。

为了说明这一点，请想象一个球体。传统的位能够以两种状态存在，就像球体两个极点中的任何一个。与此相对，量子位则可以是球体上的任何点。您可以 在此 查看示意图。

得益于这种违反直觉的现象，具有多个量子位重叠的量子计算机可以同时处理大量潜在结果。计算的最终结果仅在测量了量子位后才出现，这将立即导致其量子态“崩塌”为0或1。

这意味着，与传统计算机相比，使用量子位的计算机可以存储和处理更多数量的量子信息，并且使用更少的能量、位和更小的空间。

量子计算具有许多令人振奋的潜在应用领域。一个重要的例子便是人工智能。人工智能采用“从经验中学习”原理，即随着反馈的增加，它会变得越来越准确，直到计算机程序表现出“智能”属性。

此类反馈基于对众多可能选项概率的计算，因此量子计算十分适用于人工智能，这将使其能够更快执行这些计算。

例如，洛克希德马丁公司（Lockheed Martin）计划使用其D-Wave量子计算机来测试目前对于传统计算机而言过于复杂的自动驾驶软件，而Google则正在使用量子计算机来设计可区分汽车与地标的软件。 [1]

量子计算同样对我们意义重大，它可以令量子化学具有解决“现实世界”问题的能力，由此改变科学研究。

分子的设计和分析是一个具有挑战性的问题，这是因为即使对于最先进的超级计算机而言，要准确描述和计算分子中所有原子的量子特性，同样是一项计算难题。

“量子化学使我们能够在计算机上模拟复杂的实验，以了解潜在的自然现象。”Harbach说，“这可以帮助我们做很多事，从加快全新候选药物的识别，到使太阳能电池等材料更为高效。其应用领域尤为多样。但到目前为止，尽管这些算法非常高效，我们依然必须在有限的传统计算硬件上运行它们。”

“问题在于，大多数量子化学问题都随系统规模成倍增长，并且传统计算机难以应对这种指数级增长。因此，这些永远无法令量子化学解决‘现实世界’问题。这种固有的局限性只能通过技术范式的转变来克服，这就是量子计算前途无量的原因。”

为了达到“量子霸权”的目标，世界上一些最大型科技巨头之间展开了角逐。“量子霸权”预示着一种量子计算机可以完成数学计算的目标状态，这显然超出了当今最强大超级计算机的能力。

实际上，Google研究人员在2019年10月《自然》杂志上发表的一篇论文中称，他们已经达到了量子霸权。这篇文章中写道：“在传统超级计算机上需耗时一万年的计算，在我们的量子计算机上只需200秒。”  但是，IBM的研究人员很快就认为这实际上根本并非真正的“霸权”状态。 [2]

无论是否已经达到了“霸权”地位，这都不会改变一个事实，即当今的量子计算机最多只有几十个量子位，而且它们经常会释放出影响计算的扰人噪声。实际上，研究人员距离通用型“容错”量子计算机还有很长差距。

但是，科学家正在寻找如何对已经可用的量子系统加以充分利用的方法。这些量子系统被称为近期量子计算机，或嘈杂中级量子（NISQ）机器，已经展现出解决Harbach团队所面临问题的巨大潜力。

“可以确定的是，高性能量子计算机领域的研发将在接下来的数十年中继续向前推进。”Harbach解释说，“其发展速度与传统计算机类似。虽然距离应用这些技术来解决当今问题还有一段距离，但我们已经能够确定未来发展的方向。”

“默克已与初创公司HQS Quantum Simulations签署了为期三年的合作协议。”他继续说道，“我们正在与他们合作开发用于量子化学应用的软件，该软件将在近期量子计算机上运行。

通过这一合作关系，我们能够探索将量子编程与量子化学问题相结合所能释放的潜力，这在目前依然处于未知状态。”

HQS赢得了我们在数字化和计算领域的年度研究补助金，
这是公司去年在成立350周年框架内设立的多项研究补助金之一。他们在借助NISQ装置实现量子化学方面具有独到的专业知识。

“这项合作关系的结果不一定是实实在在的软件。”Harbach说，“相反，它将为学术界基础研究提供一种应用概念。”

除了与HQS的合作关系外，我们还通过其他多种途径在量子计算领域投入大量时间和资源。

“我们的M Ventures部门正在投资许多初创公司。”Harbach说，“不仅如此，默克还参与了多项针对量子计算硬件的计划。同时，我们在创新中心内设立了探索项目，借此研究可用于高性能材料业务部的全新硬件方法，并于2020年2月与欧洲航天局和GSI——一家领先的粒子加速器机构——共同举办了‘应用量子会议’。”

对于更长远的未来，Harbach相信量子计算将成为“大势所趋”。

“这将是未来最广泛的研究领域之一。”他说道，“我们的工作仅仅是开始。”

_{[1] https://sis.smu.edu.sg/master-it-business/research-thought-leadership-articles/quantum-computing
[2] https://www.space.com/quantum-computer-milestone-supremacy.html
[3] https://www.forbes.com/sites/bernardmarr/2018/02/23/20-mind-boggling-facts-about-quantum-computing-everyone-should-read/#393274b45edb}