量子计算的发展趋势

量子计算是指专注于基于量子理论原理开发计算机技术的研究领域。

如今，数以百亿计的公共和私人资本正在投资于量子技术。世界各国已经意识到量子技术可以成为现有业务的主要颠覆者，在2021年共投资240亿美元用于量子研究和应用。

经典计算与量子计算的比较

经典计算：在其终极层面上依赖于布尔代数所表达的原则。数据必须在任何时间点以独占的二进制状态或我们所说的位进行处理。虽然现在可以以十亿分之一秒测量每个晶体管或电容器在切换状态之前需要处于0或1的时间，但这些设备切换状态的速度仍然存在限制。

随着我们向更小更快的电路发展，我们开始达到材料的物理极限和经典物理定律的应用门槛。除此之外，在量子计算机中，量子世界接管了许多基本粒子，例如电子或光子，它们的电荷或极化代表0或1。这些粒子中的每一个都是已知的作为一个量子比特（qubit），这些粒子的性质和行为构成了量子计算的基础。经典计算机使用晶体管作为逻辑的物理构建块，而量子计算机可能使用捕获的离子、超导环、量子点等。

物理与逻辑量子位

在讨论具有纠错功能的量子计算机时，我们谈论的是物理和逻辑量子比特。物理量子比特是量子计算机中的物理量子比特，而逻辑量子比特是我们在计算中用作单个量子比特来对抗噪声和改进纠错的物理量子比特组。

为了说明这一点，让我们考虑一个具有100个量子位的量子计算机的例子。假设这台计算机容易产生噪音，为了解决这个问题，我们可以使用多个量子位来形成一个更稳定的量子位。我们可能会决定需要10个物理量子位来形成一个可接受的逻辑量子位。在这种情况下，我们会说我们的量子计算机有100个物理量子位，我们将其用作10个逻辑量子位。

区分物理量子比特和逻辑量子比特很重要。关于我们需要多少量子比特来执行某些计算，有很多估计，但其中一些估计是关于逻辑量子比特，而另一些是关于物理量子比特。例如：要破解RSA密码学，我们需要数千个逻辑量子位，但需要数百万个物理量子位。

要记住的另一件事是，在经典计算机中，计算能力随着晶体管数量和时钟速度线性增加，而在量子计算机中，计算能力随着每个逻辑量子比特的增加呈指数增长。

量子叠加和纠缠

量子物理学最相关的两个方面是叠加原理和纠缠原理。

叠加：将量子比特想象成磁场中的电子。电子的自旋可以与场对齐，称为自旋向上状态，也可能与场相反，称为自旋向下状态。根据量子定律，粒子进入叠加态，在这种叠加态下，它的行为就好像它同时处于两种状态一样。使用的每个量子位都可以叠加0和1。普通计算机中的2位寄存器在任何给定时间只能存储四种二进制配置（00、01、10或11）中的一种，而2量子位量子计算机中的寄存器可以同时存储所有四个数字，因为每个量子位代表两个值。如果添加更多的量子比特，则增加的容量会呈指数级增长。

纠缠：在某个点相互作用的粒子保持一种连接，并且可以成对地相互纠缠，这个过程称为相关。了解一个纠缠粒子的自旋状态——向上或向下——可以让人们知道它的伴侣的自旋方向是相反的。量子纠缠允许相隔令人难以置信的距离的量子比特瞬间相互作用（不限于光速）。无论相关粒子之间的距离有多大，只要它们被隔离，它们就会保持纠缠状态。总之，量子叠加和纠缠创造了极大增强的计算能力。

量子计算机分为四类：

量子模拟器/模拟器

量子退火炉

嘈杂的中级量子(NISQ)

通用量子计算机——可以是密码相关量子计算机(CRQC)

量子模拟器/模拟器

这些是您今天可以购买的模拟量子算法的经典计算机。它们使测试和调试有一天可能能够在通用量子计算机(UQC)上运行的量子算法变得容易。由于它们不使用任何量子硬件，它们并不比标准计算机快。

量子退火炉

一种专用量子计算机，旨在仅运行组合优化问题，而不是通用计算或密码学问题。虽然它们比任何其他当前系统拥有更多的物理量子比特，但它们并没有被组织为基于门的逻辑量子比特。目前，这是一种寻找未来可行市场的商业技术。

嘈杂的中级量子(NISQ)计算机。

将这些视为通用量子计算机的原型——位数少了几个数量级。它们目前有50-100个量子位、有限的门深度和短的相干时间。由于量子比特有几个数量级，NISQ计算机无法执行任何有用的计算，但它们是学习的必要阶段，尤其是在硬件开发的同时推动整个系统和软件学习。将它们视为未来通用量子计算机的训练轮。

通用量子计算机/密码相关量子计算机(CRQC)

这是最终目标。如果您可以构建具有容错能力的通用量子计算机（即，数百万个纠错物理量子位产生数千个逻辑量子位），您就可以在密码学、搜索和优化、量子系统模拟和线性方程求解器中运行量子算法。

后量子/抗量子代码

新的密码系统对量子计算机和传统计算机都是安全的，并且可以与现有的通信协议和网络互操作。选择商业国家安全算法(CNSA)套件的对称密钥算法是为了确保国家安全系统使用的安全，即使开发了CRQC。商业行业认为是量子安全的密码方案包括基于格的密码学、哈希树、多元方程和超奇异同源椭圆曲线。

量子计算机的难点

•干扰——在量子计算的计算阶段，量子系统中最轻微的干扰（例如杂散光子或电磁辐射波）会导致量子计算崩溃，这一过程称为去相干。量子计算机在计算阶段必须与所有外部干扰完全隔离。

•纠错——鉴于量子计算的性质，纠错是极其关键的——即使计算中的一个错误也可能导致整个计算的有效性崩溃。

•输出遵守–与上述两个密切相关，在量子计算完成后检索输出数据有损坏数据的风险。

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