量子计算机的构想被提出数十年后，该领域的发展进程恰如一句描述核聚变能源的业内箴言：永远只差十年便可实现。尽管如此，研发人员仍坚称，过去数年间该领域已取得切实进展。若要看清那些不时显得夸大其词的技术成果，就应当先理解支撑量子计算理论的基本原理：一是量子比特具有脆弱性且易发生错误，二是有观点认为，量子计算机的运行机制中存在“多重宇宙”的作用。

使用多个物理量子比特来进行纠错，并构建出一个单独的逻辑量子比特。

01 量子物理学与人类直觉相悖

量子力学及其相关现象，与人类基于因果律（作用力与反作用力）形成的直观经验并不相符。当阿尔伯特・爱因斯坦发现量子系统的行为并非具有确定性，而是以概率形式呈现结果时，他对此提出了反对意见。1926年，爱因斯坦在致同为量子物理学家的马克斯・玻恩的信件中表示，他确信“上帝不会掷骰子”。另一位量子物理学家尼尔斯・玻尔则给出了一句著名的反驳——其真实性或许存疑：“爱因斯坦，别再对上帝指手画脚了。”量子物理学发展初期的这场交锋，恰恰凸显了该学科的本质特征：它虽不符合人类的直觉逻辑，但确实具备有效性。

02 量子计算机基本原理与传统计算机存在共通之处

正因为物理学家已掌握量子物理学的运行规律，人类才得以对其进行利用与操控——包括通过相关技术手段，研制出性能更为强大的计算机。量子计算机的基本原理与传统计算机存在诸多共通之处。传统计算机采用二进制的0和1表征信息，这两种数字状态由数十亿个晶体管开关的断开与闭合实现。“比特（bit）”这一术语是“二进制数字（binary digit）”的缩写。两个比特可组合为四种不同状态，对应四条不同信息（00、01、10、11）。同理，量子计算机的基本单元为量子比特。量子计算机由任意具备两种明确可区分状态的量子系统构成，例如自旋方向可呈现向上或向下的电子，或是偏振方向可呈现水平或垂直的光子。与传统比特相同，量子比特亦可处于0态或1态。但除此之外，量子比特还能够处于叠加态——一种由0态与1态组合而成的概率值域。例如，量子比特有10%的概率处于0态、90%的概率处于1态，或是60%的概率处于0态、40%的概率处于1态等。

03 量子叠加态机制基本原理

叠加态以及量子力学的其他种种奇特性质均令人费解，因为这些性质无法用人类所处的、由牛顿力学主导的宏观可观测世界中的事物进行类比。1965年诺贝尔物理学奖得主、量子电动力学的奠基人之一，同时也是最早明确提出量子计算机构想的科学家之一——理查德・费曼曾笃定表示，没有人真正理解量子力学。这是因为，基于过往所见事物形成的经验是存在局限性的，是不完整的，微观尺度下物质的行为模式截然不同……其表现形式与人们以往所见的任何事物都相去甚远。

例如，叠加态意味着量子系统同时处于0态与1态的组合状态，但关键问题在于，当对量子比特进行测量时，其叠加态会实际坍缩为确定的0态或1态（例如，观测到的电子自旋方向非上即下）。量子系统产生此类行为的根本原因目前仍存争议，学界亦提出了多种推测性解释，其中一种“多世界诠释”认为，量子测量的所有可能结果，都会在不同的宇宙中以物理形式真实呈现（我们所处的只是其中一个版本的宇宙）。

04 量子门及量子算法的基本原理

尽管如此，越来越多的科研机构与企业正致力于借助“量子门”实现量子比特的纠缠，从而利用叠加态所具备的连续特性。这种特性表现奇特，即当两个量子系统（本文中即指两个量子比特）产生纠缠时，无论二者相距多远，其中一个系统的状态变化往往会与另一个系统的状态形成强关联。爱因斯坦将这种现象称为“鬼魅般的超远距作用”。而“量子门”可被用于执行特定运算操作，例如，若该量子比特处于1态，则对另一量子比特执行X操作。量子纠缠使多个量子比特形成紧密关联，因此大量的“条件判断”运算能够以并行方式高效执行，而非像传统计算机程序那样，以分步分支的形式串行处理。

叠加态下的所有可能结果，可通过波函数进行数学描述，该函数的特性与宏观物理世界中的波极为相似。波函数的复振幅对应着量子客体的各种可能状态；某一状态对应振幅的模的平方，即为该状态被观测到的概率。波函数的相位之间会发生叠加增强或抵消减弱的干涉效应，这一点与宏观物理波的干涉现象完全一致。在量子计算机中，这种波的“干涉效应”——即相位的抵消与叠加，由算法选定并排序的量子门电路进行调控。错误答案对应的相位贡献大多会相互抵消，而正确答案对应的相位贡献则会彼此增强，从而使目标问题的最优解在对量子比特进行测量时，以更高的概率呈现。量子算法无法确保输出唯一确定的结果，而是通过调控使概率分布向有利方向偏移，让正确答案在量子比特测量过程中更有可能出现，因此这类算法通常需要重复运行多次。

05 量子计算存在的挑战

物理量子比特同样易受多种因素影响而发生错误，其原因包括量子态本身具有脆弱性，且极易受到外界干扰——例如杂散热辐射、光子、机械振动、宇宙射线或电磁场等，上述均为可能引发量子态扰动的因素。为解决这一问题，量子计算机研发人员采用了多种技术方案。部分研发团队试图通过低温制冷设备将系统温度降至接近绝对零度，以此隔绝外界干扰，从而有效抑制扰动因素。另一些团队则采用多个物理量子比特进行纠错编码，构建出一个具备容错能力的逻辑量子比特。近年来，越来越多的机构宣称，其研发的逻辑量子比特已将错误率降至临界阈值以下，相关硬件有望在不久后实现商业化应用。与此同时，各机构正竞相研发规模更大、结构更复杂的量子计算系统，以期率先实现“量子计算优越性”。

这种优越性何时能实现，时间会给出答案。