量子计算——未来就在这里（英）

量子计算-未来在这里 YehoshuaKalisky|April14, 量子计算背后的思想最早是在20世纪80年代提出的，但它们在过去十年的加速发展预示着一场新的科技革命的开始。这是因为量子计算在“常规”计算几乎达到其物理极限的领域中取得了突破。数字计算机的计算能力取决于每单位面积的芯片数量，但由于技术和物理原因 ，该数量受到限制。计算机和芯片行业正在推动其预算和研究极限，努力使芯片小型化，但似乎很难通过使基本计算单元小型化来提高现有计算机的计算能力。量子计算机在计算领域提供了革命性的替代方案，无限适用于民用和军事目标。 量子理论发展于120年前，并在1920年代和1930年代结晶为一致，精确和实验证实的理论。量子计算机在原子或亚原子水平上应用物质中发生的现象的性质，这意味着在极小的维度上。在这个层面上，物质的测量特性与我们熟悉的宏观物理世界中测量的特性完全不同，因此很难使用人类的直觉来构想它们，这种直觉习惯了三维有形环境的环境。量子系统的奇怪特性困扰着许多科学家，包括阿尔伯特·爱因斯坦等创始人。伟大的丹麦科学家尼尔斯·玻尔甚至创造了这样一句话：“任何不被量子理论震惊的人都不理解它。” 在量子计算机中应用的特殊量子特性如下： 亚原子（量子）粒子可以存在于几种状态中。粒子的整体状态是所有状态的组合，或者用更专业的语言来说，是状态的叠加。在我们物理现实的背景下，“状态的组合”可以通过磁体的示例来说明，其中存在两个相对磁极的状态的组合 同时。信息的基本量子单位是几个状态的组合，称为量子比特. 相同的量子粒子相互影响’s状态立即和在任何距离。这个特性被称为“量子纠缠。” 任何测量过程都会破坏叠加状态（从而使状态崩溃），并提供有关特定量子态的信息。 量子计算机的工作原理 量子计算的基础在于原子或亚原子粒子的量子特性的应用，以及基于这些特性构建合适的计算方法。 标准数字计算机根据基本计算单元的各种组合进行操作，该计算单元称为位，并且由在处于工作状态的电气开关的帮助下创建的电信号组成（打开或“1”)或不工作的开关(关闭或“0”).我们所熟悉的数字计算机的计算操作每次只通过选择一个状态来执行。相反，量子计算机根据以下原理进行操作：原子或亚原子（量子）组件具有表示开关的某种物理性质（例如磁性），但可以同时处于表示开关的状态。“打开”and“已关闭”开关的状态，尽管具有不同的统计概率。因为计算的行为是同时在大量的“1”and“0”状态和它们的组合，原则上这创造了一个有效的计算机，具有大的内存容量，可以同时在很短的时间内执行非常大量的计算操作。 作为一个粒子处于几种状态（叠加）的例证，让我们想象一下围绕原子核运行的电子是一种旋转的顶部。对此的专业术语是“spin,”如插图1a所示。旋转可以是顺时针方向（从左到右），标有向下的箭头，或逆时针，标有向上的箭头，如插图1b所示。这些状态代表了经典数字计算机中的电气开关，出于本讨论的目的，我们将任意定义一个状态作为工作状态，“打开”or“1”状态，以及状态为交换机未激活或处于“关闭。” 量子计算-未来是她2 插图1a：电子旋转的例子，如顶部。插图1b：电子以相反方向旋转的例子，表示电子开关在量子计算机中工作（打开）或不工作（关闭）的状态。 此外，现象量子纠缠是量子系统所独有的，有几种理论方法试图理解和解释它。纠缠现象使量子计算机能够执行经典数字计算机无法执行的操作。当纠缠发生在彼此相距一定距离的两个量子比特（量子计算机的基本计算单位）之间时，它们立即变得相互依赖。因此，可以创建纠缠并同时表示某些量子态的量子开关，并对大量不同的量子位同时执行逻辑运算，这提高了量子计算机执行复杂计算的效率。 为了执行这些任务，需要基于原子级粒子的量子特性的存储器设备和逻辑电路。例如，包含大量纠缠量子位并添加各种逻辑组合的系统，创建“逻辑门”和复杂的计算电路，具有对纠缠态的叠加进行计算的能力，与经典计算系统完全相反。如果我们假设在量子计算机系统中有两个计算电路，即A和B—它们由纠缠的量子粒子组成，这些粒子被编程为执行某些计算操作—电路A中的操作的执行将立即导致电路B中的其他定义操作的执行,从而节省时间和硬件资源。 量子计算-未来是她3 优点和缺点 量子计算机的主要优点是其快速的计算能力，与经典的数字计算机相比，它具有不可思议的数量级。这种优势源于量子计算机同时执行大量操作的事实，这与传统的数字计算机顺序执行其计算操作不同。此属性突破了经典计算机的线性，经典计算机使用仅具有两个状态的二进制方法进行操作，从而在每次添加单个量子位时，量子计算机的计算操作数量和存储容量的值都会加倍：例如，谷歌的科学家在2019年报告说，他们的量子计算机在200秒内完成了复杂的数学运算，而数字计算机执行相同操作需要10,000秒。 因此，可以使用量子计算机来基于因式分解来破解代码。这是一个复杂的数学运算，对于经典的数字计算机来说，占用了大量的时间和计算资源，但是在量子计算机中需要几秒钟的时间。 另一方面，量子计算机的局限性之一是由于“量子噪声“—外部噪声，例如电噪声和磁噪声以及热量，通常以随机和意外的方式导致量子位在计算过程中改变或丢失量子态。可以克服这种限制，但是目前这样做需要仔细调节环境条件。 领先的公司 量子计算的巨大潜力促使公司和组织专注于开发工作，尽管这种开发需要大量的人力和金融资本。开发量子计算能力的动机是为了实现超出经典计算机能力的复杂计算操作，那些需要“量子霸权.”实际上，这些都是复杂的计算，只能通过大量的经典计算机同时运行并持续不合理的时间来实现。在本文中可以找到对该领域领先公司的全面调查。 该领域的领先公司主要是IBM，Google和Microsoft，它们都表现出令人印象深刻的量子计算机性能。 注释[U1]:也许是更好的版本，如“在下面的文章”？ 量子计算-未来是她4 IBM科学家估计，在两年内，量子计算机将执行超出经典计算机能力的复杂计算操作。今天，IBM’具有127个量子位的量子计算机能够执行数百万次操作，而无需量子纠错（QEC）。IBM’美国的目标是到2023年实现1000个量子比特的量子计算机，但随着时间的推移稳定量子比特所涉及的技术问题推迟了这一目标。 微软已经推出了一种具有特殊物理结构的量子计算机，该结构支持稳定的量子比特，并构成了能够每秒执行约十亿次量子运算的量子超级计算机的基础。 谷歌最近宣布，其70量子位量子计算机在6.18秒内完成了复杂的计算，相比之下，位于田纳西州的超级计算机需要47.2秒来执行这些计算。 欧盟和捷克共和国政府最近宣布，他们将在2024年开始在俄斯特拉发大学的计算中心运行量子计算机，并且该计算机将可供来自九个欧洲国家的用户使用。 在以色列，有几家公司，当然规模较小，它们处于量子计算领域技术发展的最前沿。其中之一是量子源。另一家以色列公司是过程控制领域的领导者，这意味着控制量子计算机所需的所有辅助系统，它是QatmMachies，该公司为具有1000个量子位的量子处理器开发辅助和支持系统。 量子计算及其许多应用的优势反映在经济参数中。2022年全球量子计算市场估计为136.7 亿美元，预计将达到1434.4亿美元，2032年的复合年增长率（CAGR）为26.5％。 量子技术的应用——综述 量子计算机具有许多潜在的军事应用和优势。它将能够挑战当今许多用例所基于的基本假设 ，包括： 破解加密代码：今天的常规加密方法是由Rivest，Shamir和Adleman在1970年代末开发的—因此RSA 量子计算-未来是她5 加密。插图1演示了加密方法的理论思想。 插图1：加密原理的示意图 让’假设A侧对发送某些秘密信息感兴趣。这些机密信息以字母，数字或句子的形式被编码到某种集合中。如果将此编码集合暴露给未配备将其恢复为其原始形式的加密密钥的一方，则它将无法知道它包含的内容。只有加密密钥能够实现这一点，并且它由非常大的数字（几百个）数字组成，这是通过将两个素数（意味着只能被自己和1整除的数字）相乘来实现的，它们本身具有数百或数千个数字。这两个数字是。“键“并且它们仅为消息的接收者所知 。对于经典计算机来说，找到一对质数的乘积是数百位数字的素数是一项不可能的任务。量子计算机可以使用1994年为量子计算机开发的特殊算法快速有效地执行此操作（Shor’s算法)。因此今天可以相对容易地破解’s惯用的加密方法–RSA加密–与经典计算机的数千年相比，在几秒钟内。计算估计表明，使用我们熟悉的计算机将一个具有5,000位数字的数字分解为两个素数因子，将花费大约是宇宙年龄的两倍的时间，而量子计算机仅需几百秒即可执行操作。 控制庞大的数据库：在短时间内从大型未分类数据库中查找各种随机值(Grover’s算法) 。例如,已知的加密方法之一数据加密标准(DES)或高级加密标准(AES)假定存在包含非常大量加密密钥的数据库,其中每个密钥由大量位组成。使用Grover’的算法，量子计算机执行 量子计算-未来是她的6 同时为所有键搜索正确的键，与经典计算机相比，显着缩短了所需的时间。例如，对于需要在DES加密中的数亿个密钥中找到正确密钥的经典计算机，以每秒一百万个密钥的速度，大约需要一千年才能找到密钥并破解代码。相比之下，对于使用Grover的量子计算机。’s算法 ，它将需要大约四分钟或更短的时间。在数学上已经证明，这种算法比Shor效率低’破解当今最有用的加密代码的算法–RSA代码。 量子密码学：此应用程序基于量子粒子的特殊属性，根据该属性，收听者试图拦截（即执行测量）组成使用基于它们的协议加密的消息的粒子，由于粒子的量子态崩溃，将导致接收信息的中断，因此也会立即检测到拦截或测量尝试。因此，通过为此目的开发的特殊协议使用这种加密，可以传输不可能拦截或解密的信息，并且完全不暴露于第三方。 多变量优化问题：量子计算机能够计算大量路径和大量地址的最佳路径选项，或者更一般地 ，计算具有许多变量的系统之间的耦合。在这种方法中，计算机根据最佳路径寻找最佳可能的解决方案，并且通过同时计算可能的耦合状态（实际上是一系列可能的解决方案）来实现。它寻找解决方案，即实际上处于物理状态的耦合量子位的能量最小的状态。解决优化问题的另一种选择是使用基于激光物理学的光学计算机。此方法称为。量子退火。这台计算机不同于上面讨论的量子计算机。它的操作基于光学和量子理论的集成原理–一个名为量子光学。重要的是要注意，光学计算机不是通用计算机；它是只解决特定问题的计算机，在这种方法中，优化问题是“记录”在一个光学元件上，激光束以光速同时穿过该光学元件，“寻找”所有可能路径中的最佳路径。这是最合理的路径，实际上构成了系统中能量最少的过程。在军事应用方面，这种能力可以优化未来战场上的极端场景，例如对大量攻击群的多维响应，同时集成和实施创新的光谱和电光技术以取得胜利。 量子计算-未来是她7 过程模拟：量子计算机在过程模拟中具有内置的优势。著名科学家理查德·费曼（RichardFeyma）在1980年表示，由于计算的复杂性和相对较弱的计算能力，在经典计算机中执行模拟是一个困难的过程。相比之下，基于量子系统的计算机由于能够通过应用叠加现象来执行复杂计算而在执行模拟方面具有固有优势。实际上，构成每个生物的量子（分子）系统已经使用量子计算机的原理和计算能力同时执行非常复杂的操作 。过程模拟的示例是天气预报，对同时的多粒子物理过程进行建模，模拟复杂的化学过程。–所有这些都是量子计算机可以模拟的量子过程。 当物理实验存在不合理的成本或其他风险时，计算机模拟尤其重要–例如，与核武器发展有关的实验。量子计算将能够快速有效地模拟核武器过程，同时避免这些风险。 工程新材料，医疗应用：量子计算机具有模拟复杂分子结构的内置优势，作为生产药物的手段，包括定制药物或新化学物质。化学合成药物的习惯方法，特别是定制的药物或复杂的化合物，涉及大量的