什么是量子计算机?量子计算发展的挑战是什么?

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的目光。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，计算能力是国家和企业的竞争力。因此，近年来量子计算机被各国视为重点发展的技术。

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。要使用量子位，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。这样就形成了一种连接，即使两个量子不在同一个空间，它们也可以瞬间相互影响，从而可以作为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，主要有五种量子计算方法:硅自旋量子、离子阱、超导环、金刚石空位和拓扑量子。

量子位和概率:

传统计算机以位存储和处理信息，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。量子比特是两个量子态(0和1)可以叠加的任何量子系统。每个可能的量子态都有一个相关的概率大小。只有在测量量子位之后，量子位的状态才会根据相关的概率坍缩为0状态或1状态，因此某个概率将采取可能的状态之一。量子比特坍缩的概率是由量子干涉决定的。量子干涉通过影响量子位的状态来干扰测量过程中某一特定结果的概率，这种概率状态是量子计算的显著能力。

量子模拟:

量子机制是宇宙的基本操作系统，它描述了自然界基本组成部分的行为。基本行为，如化学反应、生物反应和物质形成，往往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被建模，量子比特可以用来表示问题的自然状态。量子系统可以建模的例子包括光合作用、超导性和复杂的分子形成。

量子加速度:

量子计算研究的目标之一是研究量子计算机能比传统计算机更快地解决哪些问题，以及它们能以多快的速度加速。肖尔的算法在量子计算机上执行可能会破坏传统的加密配置，例如在电子商务中广泛用于安全数据传输的Rivest-Shamir-Adleman (RSA)配置。该机制根据素数分解的实际难度，采用传统算法分解素数。量子加密通过应用基础物理学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。但模型定型的计算成本阻碍了模型的发展和应用领域。量子机器学习领域探索如何设计和实现量子软件，使机器学习能够比传统计算机执行得更快。量子开发工具包(QDK)附带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。该库包含示例和教程，并提供必要的工具来实现用于监督分类问题的新的混合量子和传统算法(以电路为中心的量子分类器)。

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。可能的数组数量之间存在线性关系，当运算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这个问题。量子运算由于其特殊的量子特性，当面对4位组合数的问题时，经过4次运算可以直接得到16种可能情况的解，经过1000次运算可以得到20位组合。一百万个可能的特定数集合，运算次数只需为可能情况总数的平方根，即可满足指数复运算要求。

与传统的数字计算机相比，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，而且具有更快的计算速度。这是因为量子计算机可以并行处理多个量子位，而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?

• 稳定量子态的维持:
  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外，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，提高操作的精度。使用编织缠结方法可以使量子比特抵抗外部干扰，并使量子比特像结一样稳定。这样，量子计算机的计算能力就不会再浪费在纠错上。
• 量子位的可扩展性:
  使量子计算机进入实际应用的另一个关键是量子比特的可扩展性。硅自旋量子是目前主流的量子计算技术之一，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元件方面取得了关键技术突破，生产出了能够以极低的错误率精确控制两个电子之间量子行为的硅基元件。这个开创性的量子比特逻辑门由高度有序的硅晶体和数十纳米的氧化铝线构成，可以传递电压并捕获两个按能级分开的电子。特定的量子点，再利用短期内降低能级间隙，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之外，错误率在未来可能会降低。
• 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，在运行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位限制，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，并且软件需要在一定程度上进行定制。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者需要具有深厚的物理、数学和软件工程知识。培养各领域知识渊博的人才将是一项重要任务。对于软件研发的关键，很多量子软件都有开源社区开发平台，以集体的努力和资源加速早期软件开发。

量子计算机对社会的影响?

• 量子计算机与人工智能的结合:
  量子计算机的优势在于生成随机数、寻找无序序列的最小值、解决图论中的节点连接问题以及匹配特征。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、庞大的线性代数问题，而机器学习很大程度上依赖于这种线性代数运算。因此，专家们很快开始尝试将量子算法和机器学习结合起来。在量子计算的早期阶段，机器学习是少数几个可以找到利基市场的领域。尽管传统的机器学习仍将在短期内开始在交通、医疗和金融市场上实际应用。量子系统将在生成实随机数和处理非传统二进制数据方面具有更大的优势，例如传统的通用应用。用于金融市场的蒙特卡罗机器学习算法需要生成真实的随机数才能实现最佳性能。在这个时候，量子计算机的优势可以得到证明。许多量子机器学习初创公司已经开始开发如何使用量子系统来加速机器学习，其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。它的优势在于，它超越了现有传统计算机强大的计算能力，足以模拟和创建电子与分子复杂的相互作用模型。一般来说，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存储器来存储所有信息，无法处理如此大量的复杂数据和计算。因此，当当前的量子化学家建立模型时，他们经常必须故意忽略电子的一些行为特征，特别是在电子之间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，但是在这个金属分子中许多电子被挤进一个小空间的例子中，电子之间的强相互作用是它的本质。如果忽略它，就不可能真正理解实际的化学原理。类似的传统方法无法简化的例子包括高温超导体材料、含金属酶活性位点等。然而，量子比特的叠加特性使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究和开发做出了巨大贡献。 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:
  使用区块链技术的虚拟货币比特币等应用的安全性在于其加密强度高，不容易被传统计算机破解。当擅长复杂运算和密码破解的量子计算机技术逐渐成熟时，是否会对这些应用构成威胁?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。矿工的挖矿是为了提供计算能力，并获得比特币作为奖励。然而，偶尔会有两组矿工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，并丢弃其他落后的区块，这将导致网络中的大多数操作。有能力的矿工总是得到下一个区块，并成为控制比特币分类账的主人。如果量子计算机加入挖矿行列，并展示出超越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采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私钥并释放公钥。在这种情况下，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中生成，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在与日俱增。当金融市场逐渐开始接受并尝试构建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，这场矛与盾的较量将越来越激烈。