量子计算中的存储与内存概述

1. 引言

量子存储与内存与当今计算机技术存在显著差异，其对计算能力和存储容量的潜在影响未来可能极为惊人。

2017 年，在其旗舰大会 Ignite 上，Microsoft 发布了首台量子计算机，令与会者大为惊讶。

自那以后，quantum computing 量子计算持续升温，多家科技公司也开始构建各自的量子计算机系统。存储领域的从业者对此需要予以关注。

尽管如此，量子计算仍处于发展阶段，仍有诸多技术挑战需要克服，其中相当一部分问题与内存和数据存储密切相关。

量子计算机无法使用传统的内存和数据存储方式，而必须依赖量子内存。量子内存在能力上优于传统内存，但同时也更加脆弱且容易出错。

量子内存基于量子比特（qubit），即 qubit。它与传统计算机所使用的比特存在本质区别。

传统计算机使用的是二进制比特（binary bits），其取值只能是 0 或 1。而量子比特不仅可以表示 0 或 1，还由于叠加态（superposition）这一特性，可以同时处于 0 和 1 的叠加状态。

本质上，这可以看作是一种多维度的存储形式。

量子内存的主要优势在于，它可以在多种量子态中存储海量信息。

举个对比：100 个传统比特仅能存储约 12.5 字节的数据；而根据Doug Finke 在 2021 年存储开发者大会上的 Quantum Computing Report 说法，100 个量子比特所能表示的状态数量，可能超过全球所有硬盘的总和。

不过，量子内存是非持久性的。虽然经典内存（即 RAM）同样是非持久的，但 RAM 至少可以在设备断电或重启前持续保存数据；而量子内存通常只能维持约 100 毫秒（ms）。

此外，在不改变量子态的情况下读取它是不可能的，并且数据只能读取一次：一旦读取，量子比特会"释放"其所包含的所有状态，最终坍缩为一个确定值------0 或 1。

"叠加态"常被比喻为抛硬币。

一枚硬币有两面：正面可以看作二进制中的 0，反面代表 1。落地后，结果只能是其中之一。但在空中旋转时，它既不是单纯的正面，也不是反面，而是两者的某种组合状态。

叠加态可以用数学公式来表达，该公式描述的是概率与振幅，而 0 和 1 则是二进制状态。这个方程必须满足：所有概率之和始终等于 1。

通过该表达式，可以计算某个量子态在测量时变为 0 或 1 的概率。

量子比特存储数据的方式有多种：

1）基于原子的存储方式
一些量子计算机会将单个原子存储在真空中，通过电磁场包围，并利用激光脉冲进行激发。数据本质上编码在电子的能级中。
2）基于光子的存储方式
另一类量子计算机使用光子来存储数据。光子可以具有水平或垂直偏振：
- 水平偏振 → 表示 0
- 垂直偏振 → 表示 1
  通过改变光的相位（即操控光波）或使用分束器，可以实现叠加态。
3）基于电子自旋的存储方式
还有一些量子计算机利用电子自旋来存储数据：
- 自旋向上 → 表示 0
- 自旋向下 → 表示 1
  通过施加微波脉冲，可以改变电子的自旋状态，从而实现数据编码。

无论采用哪种数据存储方式，量子态都极其脆弱，这使得量子计算机非常容易出错。通常可以通过基于冗余的纠错机制来缓解这些错误。

举例来说，一个逻辑量子比特（logical qubit）可能由多个物理量子比特组成。由于单个量子比特的结果不可靠，可以对多个量子比特进行综合分析，并推导出一个更可信的结果，再映射到逻辑量子比特上。这个过程称为"推断（inference）"，用于过滤错误结果。

在物理学中，有一个概念叫做 observer effect（观察者效应），指的是系统在被观测的过程中会发生改变。换句话说，即无法在不影响系统的情况下对其进行测量。

这一基本原理正是量子计算机难以构建的重要原因之一。在量子计算中，量子态可能会因一种称为 decoherence（退相干）的过程而丢失。这通常是由于环境因素（如热量或磁场）扰动了脆弱的量子态。更重要的是，仅仅是读取一个量子比特的过程，就会导致其叠加态坍缩为一个确定的二进制状态。

如前所述，叠加态本质上表示概率。如，一个量子比特可能有 70% 的概率为 1，30% 的概率为 0。由于无法直接确定其真实值（否则会有 30% 的错误概率），必须多次运行计算过程，从而让量子计算机以接近确定性的方式推断出真实结果。

由于量子比特只能在极短时间内存储数据（通常只是毫秒级），因此目前并不存在"量子硬盘"。

然而，量子计算在破解复杂数学问题方面具有巨大优势。这类问题通常需要多个步骤，每一步的结果都会作为下一步的输入。只要计算速度快于数据衰减速度，量子比特就可以胜任这类任务。如，如果系统能在 50 毫秒内完成读取和计算，即使数据在 100 毫秒后消失，也不会构成问题。

同样，"读取会改变量子态"这一特性对安全领域来说反而具有吸引力。因为一旦数据被读取，其状态就会发生改变，从而可以判断数据是否被访问过。有人甚至认为，可以构建一种 quantum network（量子网络），在点对点传输数据时，能够保证数据未被篡改。

这一设想基于 quantum entanglement（量子纠缠）原理。当多个量子比特发生纠缠时，它们会共享相同的状态，即使相距很远也是如此。实际上，当一个量子比特坍缩为某个二进制状态时，与之纠缠的量子比特也会同时发生坍缩。

因此，未来有可能利用量子纠缠，实现跨越远距离的实时数据传输。

如，旅行者一号（Voyager 1）是一艘于 20 世纪 70 年代发射的深空探测器，目前距离地球已超过 150 亿英里。无线电信号从地球传输到该探测器大约需要 22 小时以上。

如果未来设计的类似探测器能够利用 quantum entanglement（量子纠缠），理论上就可以实现实时的数据发送与接收。

量子内存和量子计算还带来了许多其他安全方面的影响。如，量子计算有可能破解那些对经典计算机而言过于复杂的加密算法。

在 ransomware（勒索软件）攻击场景下，如果某个组织拥有量子计算机，可能无需支付赎金就能解密自身数据。与此同时，量子计算也可能推动新一代加密算法的发展------即当前技术无法破解的后量子加密体系。

近年来，量子内存的可靠性已经显著提升，但仍需要进一步发展。

截至 2025 年 1 月，IBM 拥有全球最强大的量子计算机，其规模达 1121 个量子比特。而在 2025 年 2 月，Microsoft 发布了 Majorana 1 芯片，并声称未来单芯片可支持多达 100 万个量子比特。

量子计算正以极快的速度发展，预计在未来几年内将变得更加实用。