传统计算与量子计算

计算领域在不断进步。每天都有新设备发布，这些新设备在技术和开发方面都有各种变化。这些设备使得旧版本不再适应变化。过去，房间的大小和计算机的大小一样大，计算需要花费数小时。

过去，我们通过真空管、集成电路和晶体管来触摸屏幕设备。但现在，技术的进步也改变了计算方法。对于新设备，编程方式也发生了变化。现在，如果我们尝试用传统方法编写程序，将无法正常工作。现在，嵌入式软件需要具有交互性、效率和更高的响应能力。旧设备和新设备的基本区别在于，新设备拥有革命性的硬件，速度更快，发热量更低，并且能够同时执行多项任务，而旧设备则不能。

传统计算或传统计算机是计算机的第四代。在这种计算中，利用了电路的经典现象。根据这种现象，同一时间只有一个状态，即 ON 或 OFF。同时，量子计算或量子计算机是计算机的第五代。最受欢迎的计算是量子计算。传统计算机和量子计算机的工作方式完全不同。在量子计算中，利用了量子力学的现象。根据这种现象，同一时间可以有多个状态。为了更深入地理解这一点，我们将详细解释传统计算和量子计算。

传统计算

传统计算可以描述为一种经典的计算设备现象。传统计算机主要执行两项任务：将数据或信息存储在内存中，然后应用计算、算法和公式对该数据进行处理，以便根据需求生成结果，具体描述如下：

• 基于包含 ON 和 OFF 两种状态的电路。ON 状态用 1 表示，OFF 状态用 0 表示。
• 在传统计算机中，位（Bit）是基本构建块。一个位有两种状态，即 0 或 1。所有信息都仅用 0 和 1 来表示。为此，开发了国际编码标准：Unicode，用于表示所有换行符、特殊符号、字母、回车符、数字、换行符、字符等。
• 计算是通过电路完成的。当我们将晶体管组合在一起时，就会形成电路。电路也称为逻辑门。所有这些设备都只有两种状态，即 ON 或 OFF。
• CMOS 晶体管是由金属氧化物半导体制成的，这些晶体管使用最多。
• 所有处理通常由CPU 完成。CPU（中央处理器）包含一个控制单元来管理算术逻辑单元，这些单元用于执行实际计算。

传统计算有一个缺点，即它包含一些问题，需要花费数十年甚至数十亿年才能解决。这意味着这些问题的解决方案永远不会出现。

量子计算

量子计算可以根据量子物理定律来描述。量子计算基于可能的状态数量超过两种的可能性。量子粒子可以由原子描述，原子能够向前和向后移动（在时间上），并且它也能够在同一时间出现在两个地方。量子计算机利用这种奇特的计算行为来实现更快的计算能力，具体描述如下：

• 量子计算基于量子物理定律。根据这一定律，一个粒子能够拥有两种以上状态。
• 在这里，量子位（Qubit）也被称为量子比特。它是基于自旋电子现象的基本构建块。在量子位中，除了 0 和 1 之外，还有一个叠加态，即同时为 0 和 1。这些类型的量子位与它们周围的环境是隔离的。
• 利用量子物理定律，所有电路都可以得到革新。
• SQUID（超导量子干涉仪）是一种非常灵敏的磁力计，它能够测量非常微弱的磁场，其原理基于超导环路。
• QPU（量子处理单元）是一种量子芯片，由大量相互连接的量子位组成。
• 如果是优化问题，例如停车问题，在这种情况下，这类计算机是最佳选择。通过其他事物，如不可破解的加密标准以确保数据安全、处理海量数据、数十亿倍的计算速度以及更多，计算习惯正在改变。

并非所有个人设备都需要像量子计算机这样复杂的系统，因此量子计算机无法取代个人计算机。如果是复杂问题，量子计算机将专门用于解决。

传统计算与量子计算

• 在传统计算中，利用了电线的经典现象，即同一时间只有一个状态，ON 或 OFF。而在量子计算中，则利用了纠缠和叠加等量子机制的现象，即同一时间可以有多个状态。
• 在传统计算中，通过位 0 或 1 来进行信息存储和操作。位进一步基于电荷或电压。0 用于表示低电压，1 用于表示高电压或电流。如果将电荷数量连接在一起，只会呈指数级增加计算能力。在量子计算机中，通过量子位或量子比特进行信息存储和操作。量子位进一步基于自旋电子现象或单个光子的偏振。如果将量子位数连接在一起，量子计算的能力将呈指数级增长。
• 经典物理学用于控制电路的行为。计算是通过电路完成的。当我们将晶体管组合在一起时，就会形成电路。而在量子计算机中，电路则通过量子机制或量子物理学来控制。
• 传统计算使用二进制代码表示信息：位 0 或位 1。如果我们的日常任务需要计算机来完成，在这种情况下，经典计算机将非常有用。而量子计算使用量子位 0、1 以及 0 和 1 的叠加态来表示信息。如果我们想运行模拟和数据分析，例如药物和化学试验，在这种情况下，量子计算机将非常有用。用于化学和药物试验的计算机必须保持超低温。然而，这类计算机非常难以制造，而且非常昂贵。
• 在传统计算中，基本构建块由CMOS 晶体管描述。而在量子计算中，基本构建块由量子晶体管或SQUID、或超导量子干涉仪描述。因此，我们可以说量子计算比传统计算强大得多。我们可以将量子计算用于大数据分析和模拟。
• 在传统计算中，数据处理由CPU（中央处理器）完成。CPU（中央处理器）包含一个控制单元来管理算术逻辑单元，这些单元用于执行实际计算。在量子计算中，数据处理由QPU 或量子处理单元完成。QPU 用于包含大量相互连接的量子位。
• 在传统计算机中，我们可以通过增加内存来提高计算机速度。同时，可以借助量子计算轻松解决更复杂的计算问题**。例如：谷歌正在开发的量子计算机能够帮助许多过程，例如帮助创建更节能的电池或加速机器学习的训练。**例如：**
• 量子计算有许多其他应用。这些应用能够秘密共享信息。其他类型的方法包括抗击癌症和许多与健康相关的问题，如癌症以及开发新型药物。量子计算机能够改进雷达，并且还有助于检测飞机和导弹等许多事物。量子计算在许多其他领域也有帮助，包括环境。**例如：**借助这种计算机，我们可以用化学传感器净化水。
• 量子计算机比传统计算机和超级计算机快许多倍。谷歌的量子计算机Sycamore 可以在短短200 秒内完成计算。而IBM 的 Summit，即世界上最快的计算机，将需要 10,000 年才能解决该问题。IBM 对此提出异议。他们表示需要5 天。但与 200 秒相比，5 天仍然是很长的时间。这基本上是谷歌量子机的 1,000 倍慢。

传统计算机相对于量子计算机的优势

• 传统计算机具有量子计算机不具备的一个独特优势，即传统计算机能够存储数据。相比之下，量子计算机的内存最多只能维持几百微秒。
• 与传统计算机一样，量子计算机也无法给出直接的答案。在传统计算机中，我们可以非常容易地获得输出。我们只需要提供输入。之后，通过算法处理给定输入。最后，传统计算机生成输出。相比之下，量子计算机总是需要一系列不同的输入，并且通过这些输入，量子计算机返回一系列可能性。尽管在量子计算中，我们**无法**得到**直接的答案**。我们将获得不同类型答案的发生概率的估计。
• 如果我们处理的是一个具有复杂算法和许多不同输入变量的复杂问题，在这种情况下，**量子计算**将非常有用。传统计算中的这类过程将花费很长时间。通过量子计算可以缩小问题可能输入变量和解决方案的范围。现在，借助传统计算，我们可以测试量子计算机提供的输入范围并获得直接答案。
• 在未来几十年，**传统计算**将始终非常有用。由于传统计算的持续相关性，一个问题出现了：量子计算需要多长时间才能发展到主流应用。**量子计算机**的另一个问题是其返回解决方案的模糊性。在我们的日常生活中，人们总是需要**直接的答案**，这只能通过**传统**计算机获得。
• 为了保持量子计算机的运行，我们总是需要将温度保持在绝对零度附近，但传统计算机不需要。在量子技术中，这个温度等于-270 摄氏度或-450 华氏度。普通消费者家中不会拥有这类强大的制冷设备。如果这些普通用户考虑相应的能源消耗，最好不要在家中放置量子计算机，因为它也会对环境产生影响。由于量子计算机存在所有这些挑战，我们可以说这些计算机无法成为许多企业和家庭的常态。
• 行业和学术界的研究人员能够通过云计算访问量子计算机。然而，量子技术仍处于早期阶段。各种量子计算提供商已经提供云访问，例如 Microsoft Azure 和 Amazon Web Service。在未来十年，许多行业将被量子计算所改变，这一点毫无疑问。然而，**传统计算机**在我们的日常生活中将始终发挥非常重要的作用。

通过以上比较，我们可以说传统计算机和量子计算机具有不同的特点。在传统计算中，我们可以很容易地得到普通问题的答案，但如果我们有一个复杂的问题，传统计算将花费很长时间才能解决。在这种情况下，量子计算将非常有用。