強大的量子計算機可以破解加密並解決經典機器無法解決的問題。雖然目前還沒有人成功制造出這樣的設備，但最近我們看到了進步的步伐——那麽，會是新的壹年嗎？目前，註意力集中在壹個被稱為量子霸權的重要裏程碑上：在合理的時間範圍內，量子計算機能夠完成經典計算機無法完成的計算。
谷歌在2019年首次使用具有 54 個量子位（常規計算位的量子等價物）的設備來執行稱為隨機抽樣計算的基本上無用的計算，從而實現了這壹目標。2021 年，中國科學技術大學的壹個團隊使用 56 個量子比特解決了壹個更復雜的采樣問題，後來又用 60 個量子比特將其推得更遠。
但IBM 的Bob Sutor表示，這種跨越式 遊戲 是壹項尚未產生真正影響的學術成就。只有當量子計算機明顯優於經典計算機並且能夠解決不同問題時，才能實現真正的霸權，而不是目前用作基準的隨機抽樣計算。
他說，IBM 正在努力實現“量子商業優勢”——在這壹點上，量子計算機可以比傳統計算機更快地為研究人員或公司解決真正有用的問題。Sutor說，這還沒有到來，也不會在新的壹年到來，但可以預期在十年內。
量子軟件公司Classiq的聯合創始人Nir Minerbi則更為樂觀。他認為，新的壹年將在壹個有用的問題中展示量子霸權。
還記得第壹輛電動 汽車 問世的時候嗎？它們對於開車去雜貨店很有用，但也許不適合開車300公裏送孩子上大學。就像電動 汽車 壹樣，量子計算機會隨著時間的推移變得越來越好，使其在更廣泛的應用中發揮作用。
解決實際問題存在許多障礙。首先是設備需要數千個量子比特才能做到這壹點，而且這些量子比特也必須比現有的更穩定和可靠。研究人員很可能需要將它們分組在壹起，以作為單個“邏輯量子比特”工作。這有助於提高保真度，但會削弱規模的改進：數千個邏輯量子位可能需要數百萬個物理量子位。
隨著時間的推移，量子計算機會變得更好，在壹系列應用中變得有用
研究人員還致力於量子糾錯，以在出現故障時對其進行修復。谷歌在2021年7月宣布，其Sycamore處理器能夠檢測並修復其超導量子比特中的錯誤，但執行此操作所需的額外硬件引入的錯誤多於修復的錯誤。馬裏蘭州聯合量子研究所的研究人員後來設法用他們捕獲的離子量子比特通過了這個關鍵的收支平衡閾值。
即便如此，現在還為時過早。如果通用量子計算機在新的壹年解決了壹個有用的問題，那將是“相當令人震驚的”。在任意時間內保護單個編碼的量子位，更不用說對數千或數百萬個編碼的量子位進行計算了。
量子計算機需要多大才能破解比特幣加密或模擬分子？
預計量子計算機將具有顛覆性，並可能影響許多行業領域。因此，英國和荷蘭的研究人員決定 探索 兩個截然不同的量子問題：破解比特幣（壹種數字貨幣）的加密以及模擬負責生物固氮的分子。研究人員描述了他們創建的壹種工具，用於確定解決此類問題需要多大的量子計算機以及需要多長時間。
這壹領域的大部分現有工作都集中在特定的硬件平臺、超導設備上，就像 IBM 和谷歌正在努力開發的那樣。不同的硬件平臺在關鍵硬件規格上會有很大差異，例如運算速率和對量子比特（量子比特）的控制質量。許多最有前途的量子優勢用例將需要糾錯量子計算機。糾錯可以通過補償量子計算機內部的固有錯誤來運行更長的算法，但它是以更多物理量子比特為代價的。從空氣中提取氮來制造用於肥料的氨是非常耗能的，改進這壹過程可能會影響世界糧食短缺和氣候危機。相關分子的模擬目前甚至超出了世界上最快的超級計算機的能力，但應該在下壹代量子計算機的範圍內。
我們的工具根據關鍵硬件規格自動計算糾錯開銷。為了讓量子算法運行得更快，我們可以通過添加更多物理量子位來並行執行更多操作。我們根據需要引入額外的量子位以達到所需的運行時間，這嚴重依賴於物理硬件級別的操作速率。大多數量子計算硬件平臺都是有限的，因為只有彼此相鄰的量子位才能直接交互。在其他平臺中，例如壹些捕獲離子的設計，量子位不在固定位置，而是可以物理移動——這意味著每個量子位可以直接與大量其他量子位相互作用。
我們 探索 了如何最好地利用這種連接遙遠量子位的能力，目的是用更少的量子位在更短的時間內解決問題。我們必須繼續調整糾錯策略以利用底層硬件的優勢，這可能使我們能夠使用比以前假設的更小的量子計算機來解決影響深遠的問題。
量子計算機在破解許多加密技術方面比經典計算機更強大。世界上大多數安全通信設備都使用 RSA 加密。RSA 加密和比特幣使用的壹種（橢圓曲線數字簽名算法）有壹天會容易受到量子計算攻擊，但今天，即使是最大的超級計算機也永遠不會構成嚴重威脅。研究人員估計，壹臺量子計算機需要的大小才能在它實際上會構成威脅的壹小段時間內破解比特幣網絡的加密——在它宣布和集成到區塊鏈之間。交易支付的費用越高，這個窗口就越短，但可能從幾分鐘到幾小時不等。
當今最先進的量子計算機只有50-100個量子比特。“我們估計需要30[百萬] 到3億物理量子比特，這表明比特幣目前應該被認為是安全的，不會受到量子攻擊，但這種尺寸的設備通常被認為是可以實現的，未來的進步可能會進壹步降低要求。比特幣網絡可以對量子安全加密技術執行‘硬分叉’，但這可能會由於內存需求增加而導致網絡擴展問題。
研究人員強調了量子算法和糾錯協議的改進速度。四年前，我們估計捕獲離子設備需要 10 億個物理量子比特才能破解 RSA 加密，這需要壹個面積為 100 x 100 平方米的設備。現在，隨著全面改進，這可能會顯著減少到僅僅 2.5 x 2.5 平方米的面積。大規模糾錯量子計算機應該能夠解決經典計算機無法解決的重要問題。模擬分子可應用於能源效率、電池、改進的催化劑、新材料和新藥的開發。進壹步的應用程序全面存在——包括金融、大數據分析、飛機設計的流體流動和物流優化。
什麽是量子啟示錄？
想象壹個加密的秘密文件突然被破解的世界——這就是所謂的“量子啟示錄”。簡而言之，量子計算機的工作方式與上個世紀開發的計算機完全不同。從理論上講，它們最終可能會比今天的機器快很多很多倍。這意味著面對壹個極其復雜和耗時的問題——比如試圖解密數據——其中有數十億的多個排列，如果有的話，壹臺普通的計算機需要很多年才能破解這些加密。但理論上，未來的量子計算機可以在幾秒鐘內完成這項工作。這樣的計算機可以為人類解決各種問題。英國政府正在牛津郡哈威爾投資國家量子計算中心，希望徹底改變該領域的研究。
壹種用於量子計算的新語言
Twist是麻省理工學院開發的壹種編程語言，可以描述和驗證哪些數據被糾纏在壹起，以防止量子程序中的錯誤。時間結晶、微波爐、鉆石，這三個不同的東西有什麽***同點？量子計算。與使用比特的傳統計算機不同，量子計算機使用量子比特將信息編碼為0或1，或兩者同時編碼。再加上來自量子物理學的各種力量，這些冰箱大小的機器可以處理大量信息——但它們遠非完美無缺。就像我們的普通計算機壹樣，我們需要有正確的編程語言才能在量子計算機上正確計算。
對量子計算機進行編程需要了解壹種叫做“糾纏”的東西，這是壹種用於各種量子比特的計算機，它可以轉化為強大的能量。當兩個量子位糾纏在壹起時，壹個量子位上的動作可以改變另壹個量子位的值，即使它們在物理上是分開的，這引起了愛因斯坦對“遠距離幽靈動作”的描述。但這種效力同樣是弱點的來源。在編程時，丟棄壹個量子位而不註意它與另壹個量子位的糾纏會破壞另壹個量子位中存儲的數據，從而危及程序的正確性。
麻省理工學院計算機科學與人工智能 (CSAIL) 科學家旨在通過創建自己的量子計算編程語言 Twist 來解開謎團。Twist 可以通過經典程序員可以理解的語言來描述和驗證量子程序中糾纏了哪些數據。該語言使用壹個稱為純度的概念，它強制不存在糾纏並產生更直觀的程序，理想情況下錯誤更少。例如，程序員可以使用 Twist 表示程序作為垃圾生成的臨時數據不會與程序的答案糾纏在壹起，從而可以安全地丟棄。
雖然新興領域可能會讓人感覺有點浮華和未來感，但腦海中浮現出巨大的金屬機器的圖像，但量子計算機具有在經典無法解決的任務中實現計算突破的潛力，例如密碼學和通信協議、搜索以及計算物理和化學。計算科學的主要挑戰之壹是處理問題的復雜性和所需的計算量。經典的數字計算機需要非常大的指數位數才能處理這樣的模擬，而量子計算機可能會使用非常少量的量子位來做到這壹點——如果那裏有正確的程序。 “我們的語言 Twist 允許開發人員通過明確說明何時不得與另壹個量子位糾纏來編寫更安全的量子程序，”麻省理工學院電氣工程和計算機科學博士生、有關 Twist的新論文的主要作者 Charles Yuan 說. “因為理解量子程序需要理解糾纏，我們希望 Twist 為開發語言鋪平道路，讓程序員更容易應對量子計算的獨特挑戰。”
解開量子糾纏
想象壹個木箱，它的壹側伸出壹千根電纜。您可以將任何電纜從包裝盒中拉出，也可以將其完全推入。
在妳這樣做壹段時間後，電纜會形成壹個位模式——零和壹——取決於它們是在裏面還是在外面。這個盒子代表了經典計算機的內存。該計算機的程序是關於何時以及如何拉電纜的壹系列指令。
現在想象第二個外觀相同的盒子。這壹次，妳拉壹根電纜，看到它出現時，其他幾根電纜被拉回了裏面。顯然，在盒子內部，這些電纜不知何故相互纏繞。
第二個框是量子計算機的類比，理解量子程序的含義需要理解其數據中存在的糾纏。但是檢測糾纏並不簡單。妳看不到木箱，所以妳能做的最好的就是嘗試拉動電纜並仔細推理哪些是糾纏的。同樣，今天的量子程序員不得不用手推理糾纏。這就是 Twist 的設計有助於按摩其中壹些交錯的部分。
科學家們設計的Twist具有足夠的表現力，可以為著名的量子算法編寫程序並識別其實現中的錯誤。為了評估Twist的設計，他們對程序進行了修改，以引入某種對於人類程序員來說相對不易察覺的錯誤，並表明Twist可以自動識別錯誤並拒絕程序。
他們還測量了程序在運行時方面的實際執行情況，與現有的量子編程技術相比，它的開銷不到4%。
對於那些擔心量子在破解加密系統方面的“骯臟”名聲的人來說，Yuan 表示，目前還不清楚量子計算機在實踐中能夠在多大程度上實現其性能承諾。“在後量子密碼學方面正在進行大量研究，這些研究之所以存在，是因為即使是量子計算也不是萬能的。到目前為止，有壹組非常具體的應用程序，人們在這些應用程序中開發了量子計算機可以超越經典計算機的算法和技術。”
重要的下壹步是使用Twist創建更高級別的量子編程語言。今天的大多數量子編程語言仍然類似於匯編語言，將低級操作串在壹起，沒有註意數據類型和函數等東西，以及經典軟件工程中的典型內容。
量子計算機容易出錯且難以編程。通過引入和推理程序代碼的“純度”，Twist 通過保證壹段純代碼中的量子位不會被不在該代碼中的位更改，朝著簡化量子編程邁出了壹大步。 這項工作得到了麻省理工學院-IBM 沃森人工智能實驗室、國家科學基金會和海軍研究辦公室的部分支持。
註釋. 量子計算機
量子計算機是壹種直接利用量子力學現象（如疊加和糾纏）對數據進行運算的計算設備。量子計算背後的基本原理是量子屬性可以用來表示數據並對這些數據執行操作。
盡管量子計算仍處於起步階段，但已經進行了壹些實驗，在這些實驗中，量子計算操作是在非常少量的量子比特（量子二進制數字）上執行的。實踐和理論研究都在繼續進行，許多國家政府和軍事資助機構支持量子計算研究，以開發用於民用和國家安全目的的量子計算機，例如密碼分析。
如果可以建造大規模的量子計算機，它們將能夠比我們目前的任何經典計算機（例如 Shor 算法）更快地解決某些問題。量子計算機不同於DNA計算機和基於晶體管的傳統計算機等其他計算機。壹些計算架構（例如光學計算機）可能會使用經典的電磁波疊加。如果沒有壹些特定的量子力學資源，例如糾纏，推測不可能超過經典計算機的指數優勢。