期刊導航
量子優勢：物理學家解釋計算機的未來
量子優勢是該領域的里程碑量子計算正在熱切地努力，其中量子計算機可以解決最強大的非量子或經典計算機無法解決的問題。
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。量子計算機利用這些奇怪的行為來解決問題。
有一些類型的問題是經典計算機無法解決，例如破解最先進的技術加密算法。近幾十年來的研究表明，量子計算機有可能解決其中一些問題。
如果能夠構建出能夠真正解決這些問題之一的量子計算機，那么它將顯示出量子優勢。
我是物理學家世衛組織研究量子信息處理和量子系統的控制。
我相信，這一科技創新前沿不僅有望在計算方面取得突破性進展，而且還代表了量子技術的更廣泛發展，包括量子密碼學和量子傳感的重大進步。
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 狀態的經典比特不同，量子比特可以處于 0 和 1 的某種組合的任何狀態。這種既不是 1 也不是 0 的狀態稱為量子疊加.每增加一個量子比特，量子比特可以表示的狀態數就會增加一倍。
這種特性經常被誤認為是量子計算能力的來源。相反，它歸結為疊加的錯綜復雜的相互作用，干擾和糾纏.
干擾涉及操縱量子比特，以便它們的狀態在計算過程中建設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。
相長干涉是指當兩個波的峰值（如聲波或海浪）結合產生更高的峰值時發生的情況。相消干涉是指當波峰和波谷結合并相互抵消時發生的情況。
量子算法很少且難以設計，它們設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性：無論量子比特相距多遠，都不能獨立于其他量子比特來描述一個量子比特的狀態。這就是阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）著名的“遠距離幽靈般的行動”。
糾纏的集體行為，通過量子計算機編排，實現了經典計算機無法企及的計算速度。
量子計算的應用
量子計算具有一系列潛在用途，可以勝過經典計算機。在密碼學中，量子計算機既帶來了機遇，也帶來了挑戰。最有名的是，他們有破譯當前加密算法的潛力，如應用廣泛RSA 方案.
這樣做的一個后果是，今天的加密協議需要重新設計，以抵御未來的量子攻擊。這種認識導致了蓬勃發展的領域后量子密碼學.
經過漫長的過程，美國國家標準與技術研究院最近選擇了四種抗量子算法，并已開始準備它們，以便世界各地的組織可以在其加密技術中使用它們。
此外，量子計算可以大大加快量子模擬的速度：預測在量子領域運行的實驗結果的能力。著名物理學家理查德·費曼設想了這種可能性40多年前。
量子模擬為化學和材料科學的重大進步提供了潛力，有助于在諸如藥物發現的分子結構的復雜建模以及發現或創造具有新特性的材料等領域。
量子信息技術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。
量子傳感在以下領域有無數的應用環境監測,地質勘探,醫學影像和監視.
諸如開發將量子計算機互連的量子互聯網等舉措是連接量子和經典計算世界的關鍵步驟。
該網絡可以使用量子加密協議進行保護，例如量子密鑰分發，它實現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的通信攻擊。
盡管量子計算的應用套件不斷增長，但開發充分利用量子優勢的新算法——特別是在機器學習中– 仍然是正在進行的研究的關鍵領域。
保持連貫性并克服錯誤
量子計算領域在硬件和軟件開發方面面臨重大障礙。量子計算機對與環境的任何無意交互都非常敏感。這導致了退相干現象，即量子比特迅速退化到經典比特的 0 或 1 狀態。
構建能夠實現量子加速承諾的大規模量子計算系統需要克服退相干。關鍵是開發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域.
在應對這些挑戰的過程中，許多量子硬件和軟件初創公司與谷歌和IBM等知名技術行業參與者一起涌現。
這種行業興趣，加上世界各國政府的大量投資，凸顯了對量子技術變革潛力的集體認可。這些舉措促進了學術界和工業界合作的豐富生態系統，加速了該領域的進展。
量子優勢映入眼簾
有朝一日，量子計算可能會像生成式人工智能.當前，量子計算技術的發展正處于關鍵時刻。
一方面，該領域已經顯示出實現狹隘專業化量子優勢的早期跡象。谷歌的研究人員后來是中國研究團隊展示的量子優勢用于生成隨機數列表具有某些屬性。我的研究團隊展示了量子加速對于隨機數猜謎游戲.
另一方面，存在進入“量子寒冬”的切實風險，如果短期內無法實現實際結果，則投資減少。
雖然技術行業正在努力在短期內在產品和服務中提供量子優勢，但學術研究仍然集中在研究支撐這種新科學和技術的基本原理上。
這項正在進行的基礎研究，在我幾乎每天都會遇到的熱情的新生和聰明學生的推動下，確保了該領域將繼續進步。
提供云服務支持