量子霸权

什么是量子霸权？

量子霸权是指量子计算机通过执行传统计算机无法以 unmatched 速度完成的计算，实验性证明其对经典计算机的统治地位和优势。要确认实现量子霸权，计算机科学家必须证明经典计算机永远无法解决该问题，同时证明量子计算机能够快速完成计算。

计算机科学家认为，量子霸权将导致肖尔算法（Shor's algorithm）的破解——这是目前不可能完成的计算，也是大多数现代密码学的基础——同时在药物开发、天气预报、股票交易和材料设计方面提供优势。

量子计算正在不断发展。量子计算机尚未达到能够展示其对经典计算机霸权的程度，这主要是由于执行有意义的量子计算需要大量量子比特（qubits）。随着必要逻辑门数量和量子比特数的增加，错误率也会上升。如果错误率过高，量子计算机将失去对经典计算机的任何优势。

要成功执行有用计算（例如确定物质的化学性质），可能需要数百万个量子比特。目前，最大的量子计算机设计是 IBM 的 Osprey，具有 433 个量子比特。

量子计算机与经典计算机

量子计算机和经典计算机的主要区别在于它们的工作方式。经典计算机将信息处理为比特，所有计算都以 1 和 0 的二进制语言执行。经典计算机中的电流要么流过晶体管，要么不流；没有中间状态。

相反，量子计算机以量子理论为基础。量子理论专注于不可见尺度上粒子（如原子、电子和光子）之间的非凡相互作用。因此，经典计算机中使用的二进制状态不再适用于量子计算机。

理论上，量子比特可以大幅超越二进制比特的计算规模。这主要归因于量子叠加——亚原子粒子能够同时存在于两种状态。叠加使量子比特能够同时对各种可能性运行特定计算。

trapped ions、光子和超导体使量子计算机能够以异常快的速度执行计算并处理大量数据。然而，量子计算机可能提供的真正价值是解决经典计算机无法解决或需要数十亿年才能回答的问题的能力。量子计算机应该能够从随机量子电路中创建一系列遵循特定正确分布的样本。

尽管这些优势可能导致量子霸权，但处理器尚未具备所有能力。经典计算机继续以计算能力和解决特定类型问题的能力让计算机科学家感到惊讶。在建造出能够解决已被证明经典计算机无法解决的问题的量子计算机之前，仍然可能存在更好的经典算法，量子霸权将无法实现。

量子霸权的应用

有些人认为，实现量子霸权的量子计算机可能是自 1971 年英特尔 4004 微处理器发明以来最具颠覆性的新技术。某些职业和商业领域将受到量子霸权的显著影响。例如：

• 在更大规模上执行更复杂模拟的能力将为企业提供更高的效率、更深入的洞察和更好的预测，从而优化流程。

• 增强模拟复杂量子系统（如生物分子）将成为可能。

• 将量子计算与人工智能结合可以使 AI 比现在聪明得多。

• 可以设计、建模和修改新的定制药物、化学品和材料，以帮助培育新的制药、商业或商业产品。

• 分解极大数的能力可能会打破当前长期存在的加密形式。

尽管大多数这些应用似乎都有益处，但量子霸权也可能 destabilize 当前大多数数据加密所基于的数学。一旦实现量子霸权，计算机科学家将不得不完全重新评估计算机安全以及如何保护信息和数据。随着量子计算机处理的高速和大量数据，这将变得极其困难。

量子霸权的例子

虽然首次 exemplify 量子霸权的问题可以是计算机科学家想要的任何问题，但预计他们将使用称为随机电路采样的问题。

这个问题要求计算机从随机量子电路的可能输出中正确采样——类似于可以对一组量子比特执行的一系列操作。经典计算机没有任何快速算法来生成这些样本。随着可能样本阵列的增加，经典计算机变得 overwhelmed。如果量子计算机在这种情况下能够高效地提取样本，它将证明量子霸权。

量子霸权的重要性

第一个量子算法在 1990 年代得到解决。虽然问题本身无用，但该过程为设计它们的计算机科学家提供了知识和洞察力，他们可以用这些来开发更有意义的算法——如肖尔算法——这可能具有巨大的实际后果。

计算机科学家希望量子霸权将重复这一过程，并推动发明者创建能够 outperforming 经典计算机的量子计算机——即使它只解决一个简单、无用的问题——因为这项工作可能是建造有益且 supreme 量子计算机的关键。

有些人还认为摩尔定律即将结束。这将抑制 AI 研究，因为更智能的应用（如 fully autonomous cars）需要大量的处理能力。一旦达到量子霸权，量子计算应该能够解决这个问题，并彻底改变机器学习（ML）。

量子霸权将极大地影响理论计算机科学领域。几十年来，该领域的科学家一直相信扩展的 Church-Turing 论文，该论文指出经典计算机可以高效完成任何其他类型计算机可以完成的任何问题。量子霸权违反了这一假设。科学家将被迫考虑一个全新的计算机科学世界。

量子霸权的未来

量子计算的最终目标是创建一个 fully functional、universal fault-tolerant gate computer。在建造这台机器之前，计算机科学家需要开发：

• refined 错误校正，不需要大量硬件。

• advanced 算法，可以支持 uniquely 复杂的问题。

• enhanced 噪声。

• 具有 less 噪声敏感性、 longer 相干时间和 increased 可靠性的量子比特。

• 拥有数千个量子比特的量子处理器。

美国和中国一直最专注于投资量子项目，以及谷歌、微软、IBM、洛克希德·马丁和阿里巴巴等组织和企业。

量子霸权的优点和缺点

一旦展示量子霸权，量子计算机将为处理大型数据集（如用于癌症研究、药物设计、基因工程粒子物理和天气预报的数据集）提供 superior 用途。由于叠加，致力于开发编码量子计算机工具的程序员无法查看其数据从输入到输出的路径，使得调试过程 highly complicated。

虽然量子霸权对各个行业 extremely beneficial，但这一 breakthrough 也可能导致 rogue states 或 actors 使用量子计算机用于 destructive purposes，例如打破当前加密模型。

本文最初由 Kate Brush 撰写。TechTarget 编辑在 2023 年更新了文章以改善读者体验。更多精彩内容 请关注我的个人公众号 公众号（办公 AI 智能小助手）公众号二维码

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