什么是量子计算机?量子计算发展面临哪些挑战?

量子计算机以其强大的计算速度和能力吸引了全球科学界和工业界。近年来的技术突破似乎使量子计算机的计算能力更接近商业应用。在当今知识经济和全球化竞争的时代，计算能力就是国家和企业的竞争力。因此，近年来量子计算机已被各国视为一项重点发展技术。

什么是量子计算?

量子比特(qubit)是量子计算机最基本的操作单元。要使用量子比特，量子必须达到量子叠加和量子纠缠，单个量子必须同时处于两种物理状态，两个量子必须介于两者之间。这样就形成了一个连接，即使两个量子不在同一个空间，它们也可以立即相互影响，从而可以用作量子计算的基本单元。量子可以是电子、离子或光子。如果能实现叠加和纠缠，就可以用作量子位。量子比特的读写可以通过微波、磁脉冲或激光传输。目前量子计算方法主要有硅自旋量子、离子阱、超导环、金刚石空位和拓扑量子五种。

量子比特和概率:

传统计算机以比特的形式存储和处理信息，比特可以是1或0，但不能两者都是。量子运算的等价物是量子位。量子比特是任何两个量子态(0和1)可以叠加的量子系统。每个可能的量子态都有一个相关的概率大小。只有在量子位被测量之后，量子位的状态才会坍缩到0状态或1状态，这取决于相关的概率，因此某个概率将采取其中一种可能的状态。量子比特以何种方式坍缩的概率是由量子干涉决定的。量子干涉通过影响量子比特的状态来干扰测量过程中特定结果的概率，而这种概率状态就是量子计算的卓越能力。

量子模拟:

量子机制是宇宙的基本操作系统，它描述了自然界的基本积木是如何运作的。基本行为，如化学反应、生物反应和材料形成，通常涉及许多介质的量子相互作用。如果量子力学系统在本质上是建模的，那么量子比特可以用来表示问题的自然状态。量子系统可以被模拟的例子包括光合作用、超导和复杂的分子形成。

量子加速度:

量子计算研究的目标之一是研究量子计算机可以比传统计算机更快地解决哪些问题，以及量子计算机可以以多快的速度加速。肖尔在量子计算机上执行的算法可能会破坏传统的加密配置，例如RSA配置，该配置广泛应用于电子商务中的安全数据传输。该机制根据质数分解的实际难度，采用传统算法对质数进行分解。量子加密通过应用基础物理而不是复杂性假设来确保信息安全。

量子机器学习:

传统计算机上的机器学习已经彻底改变了科学和商业世界。但最终确定模型的计算成本阻碍了它的发展和应用领域。量子机器学习领域探索如何设计和实现量子软件，使机器学习可以比传统计算机更快地执行。量子开发工具包(QDK)附带了一个量子机器学习库，用于执行混合量子/传统机器学习实验。这个库包含示例和教程，并提供了必要的工具来实现新的混合量子和传统算法(以电路为中心的量子分类器)，用于监督分类问题。

为什么量子计算机比传统计算机更强大?

与传统计算机不同，量子计算机受限于操作步骤中的比特数。可能的数字组的数量之间存在线性关系，当操作的可能性呈指数增长时，即使是超级计算机也要花很长时间才能解决问题。量子运算由于其特殊的量子特性，在面对4位组合数的问题时，运算4次后可以直接得到16种可能情况下的解，运算1000次后可以找到20位组合。100万个特定数字的可能集合，操作次数只需要是可能情况总数的平方根，满足了指数级复杂的操作要求。

与传统数字计算机相比，量子计算机处理信息的方式完全不同。在处理具体问题时，它们不仅具有更强的计算能力，而且计算速度也更快。这是因为量子计算机可以并行处理多个量子比特，不像数字计算机只能按顺序操作。

发展量子计算将面临哪些技术挑战?

• 量子态稳定的维持:
  微妙的量子态非常容易受到振动或电磁场的干扰，甚至是一般的热干扰，所以今天的量子计算机需要在接近绝对零度的超低温下运行。除了增加量子位的数量，目前主要的技术瓶颈是如何保持稳定的量子态，使量子在足够长的时间内保持在一定的量子态，从而完成操作，增加操作的精度。使用编织打结方法可以使量子比特抵抗外部干扰，并使量子比特像打结一样稳定。这样，量子计算机的计算能力就不会再浪费在纠错上了。
• 量子比特的可扩展性:
  使量子计算机进入实际应用的另一个关键是量子位的可扩展性。硅自旋量子是目前主流的量子计算技术之一，正是由于采用了已经成熟的半导体技术。未来很容易向上扩张，吸引英特尔和其他研究人员投资研发。普林斯顿大学实验室最近在硅量子组件方面取得了关键技术突破，生产出了基于硅的组件，可以以极低的误差率准确控制两个电子之间的量子行为。这种突破性的量子位逻辑门由高度有序的硅晶体和数十纳米氧化铝线组成，可以传递电压并捕获两个被能级分开的电子。特定的量子点，再利用能级差的短期降低，使两个电子相互交换信息，达到量子纠缠的状态。这项研究是首次在硅中成功实现量子纠缠。研究人员可以利用磁场来控制量子比特的行为。目前，控制电子量子态的稳定性为99%，逻辑门的可靠性为75%。除了该技术的可扩展性外，未来错误率可能会降低。
• 量子软件研发:
  为了使量子计算机真正有效，专家们认为量子软件应该并行开发。量子计算程序的复杂性和难度源于量子计算机的性质，在操作过程中会有一定程度的噪声。因此，在编程时必须考虑量子计算机的物理原理和比特限制，并且需要预先构建模拟模型来处理操作的正确性。然而，由于早期开发的量子计算机的计算硬件设计尚未统一，它们会有不同属性的细微差别，软件也需要一定程度的定制。操作的高度复杂性也将推动对新算法和开发工具的需求。量子计算机软件设计师需要具备深厚的物理、数学和软件工程知识。培养复合型人才将是一项重要任务。量子软件的研发关键在于，许多软件都有开源社区开发平台，以集体的力量和资源加速软件的早期开发。

量子计算机对社会的影响?

• 量子计算机和人工智能的结合:
  量子计算机的优势在于生成随机数，找到未排序序列的最小值，解决图论中的节点连接问题，匹配特征。科学家们设计了各种量子算法来解决传统计算机难以解决的问题。量子算法可以快速解决多自由度、巨大的线性代数问题，机器学习在很大程度上依赖于这种类型的线性代数运算。因此，专家们很快就开始尝试将量子算法和机器学习结合起来。机器学习是少数几个可以在量子计算早期找到利基的领域。尽管传统的机器学习在短期内仍将开始在交通、医疗和金融市场上得到实际应用。量子系统将在生成实随机数和处理非传统二进制数据(如传统的常见应用)方面具有更大的优势。金融市场的蒙特卡洛机器学习算法需要生成真实的随机数来实现最优性能。这个时候，量子计算机的优势就可以展示出来了。许多量子机器学习创业公司已经开始开发如何使用量子系统来加速机器学习，他们的市场潜力吸引了大量资本。
• 量子计算机在化学和药学中的应用:
  一般专家普遍认为，化学将是量子计算最强和最直接的应用。量子计算机将被用于帮助设计清洁能源的催化剂，了解生物体中的酶，以及发现太阳能电池或高温超导体的新材料。它的优点是超过了现有传统计算机的强大计算能力，足以模拟和创建复杂的电子和分子的相互作用模型。一般在模拟化学反应时，需要了解每个分子中所含原子的相互作用，需要计算一个原子的每个电子相互作用能，包括所有电子的位置和能级。当现有的传统计算机有125个轨道时，它需要一个超过宇宙中所有原子数量的内存来存储所有信息，无法处理如此大量的复杂数据和计算。因此，目前的量子化学家在建立模型时，往往必须故意忽略电子的一些行为特征，特别是在电子之间存在强相互作用的情况下。这种近似算法在模拟有机化学分子时是可以接受的，但在金属分子这个例子中，许多电子挤在一个小空间里，电子之间的强相互作用是它的本质。如果忽略了它，就不可能真正理解实际的化学原理。类似的传统方法不能简化的例子包括高温超导体材料、含金属酶活性位点等。而量子比特的叠加特性使得量子计算机可以轻松地进行此类操作，为新药和新材料的研发做出了巨大贡献。 Once the technology is mature, the early stage of new drug research and development will be able to simulate the structure of compounds and enzymes in vivo through quantum computers. The interaction of receptors, better prediction of efficacy and side effects, reduced development time and cost, and manufacturers who are familiar with and understand how to use quantum computing will have an advantage in new drug design.
• 量子计算机对比特币市场和区块链安全的威胁:
  虚拟货币比特币和其他使用区块链技术的应用的安全性在于加密强度高，传统计算机不容易被破解。当擅长复杂操作和密码破解的量子计算机技术逐渐成熟时，会对这些应用造成威胁吗?例如，目前的比特币协议使用特定随机数(nonce)的生成作为生成新的区块链的必要条件之一，而这个随机数的生成需要大量的计算能力。矿工的挖矿是提供计算能力并获得比特币作为奖励。然而，偶尔两组矿工会宣布两个不同的区块。此时，比特币协议将专注于完成更多操作的区块，并丢弃其他向后的区块，这将导致网络中的大部分操作。有能力的矿工总是能得到下一个区块，成为控制比特币账本的主人。如果量子计算机加入挖矿行列，并展示出超出其他矿工的压倒性计算能力，整个比特币市场可能会崩溃。将未来十年量子计算机计算能力的预测与目前用于挖矿的电路计算能力的增长进行比较。发现现有硬件在未来十年仍能在速度上有优势，量子计算机将主导比特币挖矿。 The situation should not happen immediately.
  然而，比特币的另一个安全协议特征，椭圆曲线签名，可能会在量子计算下更快地暴露弱点。比特币的所有者将持有一个私钥，并发布一个公钥。在的情况下，使用公钥来证明你是比特币的所有者，公钥可以很容易地从私钥生成，但反之则不然。虽然传统计算机很难从公钥中计算出私钥，但量子计算机却很容易，估计这种安全协议可能会被打破。虽然比特币等虚拟货币尚未普及，但其交易热度和市场接受度正日益提高。当金融市场逐渐开始接受并尝试建立基于密码保护的数字交易平台时，量子计算技术对区块链产生了很大的影响。对未来金融市场的威胁和影响不容低估。在可预见的未来，随着量子计算的逐渐成熟和区块链技术的普及，这场矛盾之战将越来越激烈。