量子优势：计算机的未来
发布日期：2023-11-30 浏览次数：2
量子计算具有里程碑式的优势
量子计算具有里程碑式的优势。 量子计算机 可以解决最强大的非量子或经典计算机无法解决的问题。
量子计算机利用它的奇异的性能来解决问题。量子指的是原子和分子或更小粒子的尺度。当我们体验它们时，物理定律被打破，然后应用一套不同的、违反直觉的定律。
有些问题是传统计算机无法解决的，例如破解最先进的加密算法。近几十年的研究表明，量子计算机有可能解决其中的一些问题。
如果一台量子计算机能够被建造出来，并且确实解决了这些问题中的一个，那么它就证明了量子优势。
量子物理学家是研究量子信息处理和量子系统的控制。
这一科学和技术创新的前沿不仅有望在计算方面取得突破性进展，而且代表了量子技术的更广泛的激增，包括量子密码学和量子传感的重大进展。
量子计算的力量之源
量子计算的核心是量子位。与只能处于0或1状态的经典位不同，量子位可以处于0和1的任意组合状态。这种既不是 1 也不是 0 的状态称为量子叠加 。对于每一个额外的量子位，可以用量子位表示的状态数加倍。
这个属性经常被误认为是量子计算能力的来源。相反，这是一个复杂的相互作用的叠加，干涉和纠缠 。
干涉涉及操纵量子位元，使它们的状态在计算过程中建设性地结合，以放大正确的答案，并抑制产生错误的答案的破坏性。
相长干涉是当两个波的波峰——如声波或海浪——结合起来产生一个更高的波峰时所发生的现象。相消干扰是波峰和波谷结合并相互抵消时发生的现象。
量子算法数量不多，设计起来也很困难，它通过建立一系列的干涉模式来产生问题的正确答案。
纠缠在量子比特之间建立了一种独特的量子关联：一个量子比特的状态不能独立于其他量子比特来描述，不管它们之间有多远。这就是爱因斯坦著名的“幽灵般的超距作用”。
纠缠的集体行为，通过量子计算机的编排，使计算速度超出了经典计算机的范围。
量子计算的应用
量子计算有一系列的潜在用途，它可以超越经典计算机。在密码学中，量子计算机既带来了机遇，也带来了挑战。最显著的是,它们有可能破解当前的加密技术算法 ，如广泛使用的 RSA 格式 。
这样做的一个后果是，今天的加密协议需要重新设计，以抵抗未来的量子攻击。这一认识导致了后量子密码学的蓬勃发展。
经过一个漫长的过程，美国国家标准与技术研究院最近选定了四种抗量子算法，并已经开始准备这些算法，以便世界各地的组织可以在其加密技术中使用。
此外，量子计算可以极大地加速量子模拟：预测在量子领域操作的实验结果的能力。著名的物理学家理查德·费曼（ Richard Feynman ） 40 多年前就 预见到了这种可能性 。
量子模拟提供了化学和材料科学的巨大进步的潜力，有助于在药物发现的分子结构的复杂建模等领域，并使发现或创造具有新颖性能的材料。
量子信息技术的另一个用途是量子传感 ：探测和测量物理特性，如电磁能量、重力、压力和温度，比非量子仪器具有更高的灵敏度和精度。
量子传感技术在环境监测 、 地质勘探 、 医学成像和监视等领域有着广泛的应用。
量子互联网的发展是连接量子计算和经典计算世界的关键步骤。
这个网络可以使用量子加密协议，如量子密钥分发 ，使超级安全的通信通道免受计算攻击，包括使用量子计算机的攻击。
尽管量子计算的应用套件不断增长，但开发充分利用量子优势的新算法，特别是在机器学习中 ，它面前仍然是一个正在进行的研究的关键领域。
美国麻省理工学院研究人员开发的量子传感器原型可以探测到任何频率的电磁波
保持连贯性与纠正错误
量子计算领域在硬件和软件开发方面面临重大障碍。量子计算机对与其环境的任何无意的相互作用高度敏感。这导致退相干的现象，量子比特迅速退化到经典比特的0或1状态。
建造大规模的量子计算系统，能够实现量子加速的承诺，需要克服退相干。关键是开发有效的抑制和校正量子错误的方法， 这是科学家的研究重点 。
在应对这些挑战的过程中，许多量子硬件和软件初创公司与谷歌和IBM等成熟的技术行业参与者一起涌现。
出于对这一行业兴趣，加上来自世界各国政府的大量投资，凸显了对量子技术变革潜力的集体认识。这些举措促进了学术界和产业界合作的丰富生态系统，加速了该领域的进展。
量子优势将进入视野
量子计算有朝一日可能会像生成人工智能的到来一样具有破坏性。当前，量子计算技术的发展正处于关键时刻。
一方面，该领域已经显示出取得了狭义的专门量子优势的早期迹象。 谷歌的研究人员 和随后中国的研究团队证明了量子优势， 可以生成一组随机数 。科学家展示了一个随机数猜测游戏的量子加速。
另一方面，存在着进入"量子冬天"的切实风险，即如果短期内不能取得实际成果，投资就会减少。
虽然技术行业正在努力在短期内提供产品和服务的量子优势，学术研究仍然集中在调查支撑这一新的科学和技术的基本原则。
这项正在进行的基础研究，由那些孜孜不倦的量子科学家的不断探索，确保了该领域将继续进步。
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