量子優(yōu)勢：物理學(xué)家解釋計算機(jī)的未來

量子優(yōu)勢是該領(lǐng)域的里程碑量子計算正在熱切地努力，其中量子計算機(jī)可以解決最強大的非量子或經(jīng)典計算機(jī)無法解決的問題。

量子是指原子和分子的尺度，其中我們體驗到的物理定律會崩潰，并適用一組不同的、違反直覺的定律。量子計算機(jī)利用這些奇怪的行為來解決問題。

有一些類型的問題是經(jīng)典計算機(jī)無法解決，例如破解最先進(jìn)的技術(shù)加密算法。近幾十年來的研究表明，量子計算機(jī)有可能解決其中一些問題。

如果能夠構(gòu)建出能夠真正解決這些問題之一的量子計算機(jī)，那么它將顯示出量子優(yōu)勢。

我是物理學(xué)家世衛(wèi)組織研究量子信息處理和量子系統(tǒng)的控制。

我相信，這一科技創(chuàng)新前沿不僅有望在計算方面取得突破性進(jìn)展，而且還代表了量子技術(shù)的更廣泛發(fā)展，包括量子密碼學(xué)和量子傳感的重大進(jìn)步。

量子計算力量的源泉

量子計算的核心是量子比特，或量子比特.與只能處于 0 或 1 狀態(tài)的經(jīng)典比特不同，量子比特可以處于 0 和 1 的某種組合的任何狀態(tài)。這種既不是 1 也不是 0 的狀態(tài)稱為量子疊加.每增加一個量子比特，量子比特可以表示的狀態(tài)數(shù)就會增加一倍。

這種特性經(jīng)常被誤認(rèn)為是量子計算能力的來源。相反，它歸結(jié)為疊加的錯綜復(fù)雜的相互作用，干擾和糾纏.

干擾涉及操縱量子比特，以便它們的狀態(tài)在計算過程中建設(shè)性地組合以放大正確的解決方案，并破壞性地抑制錯誤的答案。

相長干涉是指當(dāng)兩個波的峰值（如聲波或海浪）結(jié)合產(chǎn)生更高的峰值時發(fā)生的情況。相消干涉是指當(dāng)波峰和波谷結(jié)合并相互抵消時發(fā)生的情況。

量子算法很少且難以設(shè)計，它們設(shè)置了一系列干涉模式，從而為問題提供正確的答案。

糾纏在量子比特之間建立了獨特的量子相關(guān)性：無論量子比特相距多遠(yuǎn)，都不能獨立于其他量子比特來描述一個量子比特的狀態(tài)。這就是阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）著名的“遠(yuǎn)距離幽靈般的行動”。

糾纏的集體行為，通過量子計算機(jī)編排，實現(xiàn)了經(jīng)典計算機(jī)無法企及的計算速度。

量子計算的應(yīng)用

量子計算具有一系列潛在用途，可以勝過經(jīng)典計算機(jī)。在密碼學(xué)中，量子計算機(jī)既帶來了機(jī)遇，也帶來了挑戰(zhàn)。最有名的是，他們有破譯當(dāng)前加密算法的潛力，如應(yīng)用廣泛RSA 方案.

這樣做的一個后果是，今天的加密協(xié)議需要重新設(shè)計，以抵御未來的量子攻擊。這種認(rèn)識導(dǎo)致了蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域后量子密碼學(xué).

經(jīng)過漫長的過程，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院最近選擇了四種抗量子算法，并已開始準(zhǔn)備它們，以便世界各地的組織可以在其加密技術(shù)中使用它們。

此外，量子計算可以大大加快量子模擬的速度：預(yù)測在量子領(lǐng)域運行的實驗結(jié)果的能力。著名物理學(xué)家理查德·費曼設(shè)想了這種可能性40多年前。

量子模擬為化學(xué)和材料科學(xué)的重大進(jìn)步提供了潛力，有助于在諸如藥物發(fā)現(xiàn)的分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜建模以及發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造具有新特性的材料等領(lǐng)域。

量子信息技術(shù)的另一個用途是量子傳感：檢測和測量電磁能、重力、壓力和溫度等物理特性，比非量子儀器具有更高的靈敏度和精度。

量子傳感在以下領(lǐng)域有無數(shù)的應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測,地質(zhì)勘探,醫(yī)學(xué)影像和監(jiān)視.

諸如開發(fā)將量子計算機(jī)互連的量子互聯(lián)網(wǎng)等舉措是連接量子和經(jīng)典計算世界的關(guān)鍵步驟。

該網(wǎng)絡(luò)可以使用量子加密協(xié)議進(jìn)行保護(hù)，例如量子密鑰分發(fā)，它實現(xiàn)了超安全的通信通道，可以抵御計算攻擊，包括使用量子計算機(jī)的通信攻擊。

盡管量子計算的應(yīng)用套件不斷增長，但開發(fā)充分利用量子優(yōu)勢的新算法——特別是在機(jī)器學(xué)習(xí)中– 仍然是正在進(jìn)行的研究的關(guān)鍵領(lǐng)域。

保持連貫性并克服錯誤

量子計算領(lǐng)域在硬件和軟件開發(fā)方面面臨重大障礙。量子計算機(jī)對與環(huán)境的任何無意交互都非常敏感。這導(dǎo)致了退相干現(xiàn)象，即量子比特迅速退化到經(jīng)典比特的 0 或 1 狀態(tài)。

構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)量子加速承諾的大規(guī)模量子計算系統(tǒng)需要克服退相干。關(guān)鍵是開發(fā)抑制和糾正量子錯誤的有效方法，這是我自己研究的重點領(lǐng)域.

在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的過程中，許多量子硬件和軟件初創(chuàng)公司與谷歌和IBM等知名技術(shù)行業(yè)參與者一起涌現(xiàn)。

這種行業(yè)興趣，加上世界各國政府的大量投資，凸顯了對量子技術(shù)變革潛力的集體認(rèn)可。這些舉措促進(jìn)了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界合作的豐富生態(tài)系統(tǒng)，加速了該領(lǐng)域的進(jìn)展。

量子優(yōu)勢映入眼簾

有朝一日，量子計算可能會像生成式人工智能.當(dāng)前，量子計算技術(shù)的發(fā)展正處于關(guān)鍵時刻。

一方面，該領(lǐng)域已經(jīng)顯示出實現(xiàn)狹隘專業(yè)化量子優(yōu)勢的早期跡象。谷歌的研究人員后來是中國研究團(tuán)隊展示的量子優(yōu)勢用于生成隨機(jī)數(shù)列表具有某些屬性。我的研究團(tuán)隊展示了量子加速對于隨機(jī)數(shù)猜謎游戲.

另一方面，存在進(jìn)入“量子寒冬”的切實風(fēng)險，如果短期內(nèi)無法實現(xiàn)實際結(jié)果，則投資減少。

雖然技術(shù)行業(yè)正在努力在短期內(nèi)在產(chǎn)品和服務(wù)中提供量子優(yōu)勢，但學(xué)術(shù)研究仍然集中在研究支撐這種新科學(xué)和技術(shù)的基本原理上。

這項正在進(jìn)行的基礎(chǔ)研究，在我?guī)缀趺刻於紩龅降臒崆榈男律吐斆鲗W(xué)生的推動下，確保了該領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)進(jìn)步。

丹尼爾激光雷達(dá)，電氣工程，化學(xué)，物理與天文學(xué)教授，南加州大學(xué)

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