量子計(jì)算是指專注于基于量子理論原理開發(fā)計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究領(lǐng)域。

如今，數(shù)以百億計(jì)的公共和私人資本正在投資于量子技術(shù)。世界各國(guó)已經(jīng)意識(shí)到量子技術(shù)可以成為現(xiàn)有業(yè)務(wù)的主要顛覆者，在 2021 年共投資 240 億美元用于量子研究和應(yīng)用。

經(jīng)典計(jì)算與量子計(jì)算的比較

經(jīng)典計(jì)算：在其終極層面上依賴于布爾代數(shù)所表達(dá)的原則。數(shù)據(jù)必須在任何時(shí)間點(diǎn)以獨(dú)占的二進(jìn)制狀態(tài)或我們所說(shuō)的位進(jìn)行處理。雖然現(xiàn)在可以以十億分之一秒測(cè)量每個(gè)晶體管或電容器在切換狀態(tài)之前需要處于 0 或 1 的時(shí)間，但這些設(shè)備切換狀態(tài)的速度仍然存在限制。

隨著我們向更小更快的電路發(fā)展，我們開始達(dá)到材料的物理極限和經(jīng)典物理定律的應(yīng)用門檻。除此之外，在量子計(jì)算機(jī)中，量子世界接管了許多基本粒子，例如電子或光子，它們的 電荷 或 極化 代表 0 或 1。 這些粒子中的每一個(gè)都是已知的作為一個(gè)量子比特（qubit），這些粒子的性質(zhì)和行為構(gòu)成了量子計(jì)算的基礎(chǔ)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)使用晶體管作為邏輯的物理構(gòu)建塊，而量子計(jì)算機(jī)可能使用捕獲的離子、超導(dǎo)環(huán)、量子點(diǎn)等。

物理與邏輯量子位

在討論具有糾錯(cuò)功能的量子計(jì)算機(jī)時(shí)，我們談?wù)摰氖俏锢砗瓦壿嬃孔颖忍亍Ｎ锢砹孔颖忍厥橇孔佑?jì)算機(jī)中的物理量子比特，而邏輯量子比特是我們?cè)谟?jì)算中用作單個(gè)量子比特來(lái)對(duì)抗噪聲和改進(jìn)糾錯(cuò)的物理量子比特組。

為了說(shuō)明這一點(diǎn)，讓我們考慮一個(gè)具有 100 個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)的例子。假設(shè)這臺(tái)計(jì)算機(jī)容易產(chǎn)生噪音，為了解決這個(gè)問題，我們可以使用多個(gè)量子位來(lái)形成一個(gè)更穩(wěn)定的量子位。我們可能會(huì)決定需要 10 個(gè)物理量子位來(lái)形成一個(gè)可接受的邏輯量子位。在這種情況下，我們會(huì)說(shuō)我們的量子計(jì)算機(jī)有 100 個(gè)物理量子位，我們將其用作 10 個(gè)邏輯量子位。

區(qū)分物理量子比特和邏輯量子比特很重要。關(guān)于我們需要多少量子比特來(lái)執(zhí)行某些計(jì)算，有很多估計(jì)，但其中一些估計(jì)是關(guān)于邏輯量子比特，而另一些是關(guān)于物理量子比特。例如：要破解 RSA 密碼學(xué)，我們需要數(shù)千個(gè)邏輯量子位，但需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)物理量子位。

要記住的另一件事是，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，計(jì)算能力隨著晶體管數(shù)量和時(shí)鐘速度線性增加，而在量子計(jì)算機(jī)中，計(jì)算能力隨著每個(gè)邏輯量子比特的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)。

量子疊加和糾纏

量子物理學(xué)最相關(guān)的兩個(gè)方面是 疊加 原理和 糾纏原理。

疊加：將量子比特想象成磁場(chǎng)中的電子。電子的自旋可以與場(chǎng)對(duì)齊，稱為自旋向上狀態(tài)，也可能與場(chǎng)相反，稱為自旋向下狀態(tài)。根據(jù)量子定律，粒子進(jìn)入疊加態(tài)，在這種疊加態(tài)下，它的行為就好像它同時(shí)處于兩種狀態(tài)一樣。使用的每個(gè)量子位都可以疊加 0 和 1。普通計(jì)算機(jī)中的 2 位寄存器在任何給定時(shí)間只能存儲(chǔ)四種二進(jìn)制配置（00、01、10 或 11）中的一種，而 2 量子位量子計(jì)算機(jī)中的寄存器可以同時(shí)存儲(chǔ)所有四個(gè)數(shù)字，因?yàn)槊總€(gè)量子位代表兩個(gè)值。如果添加更多的量子比特，則增加的容量會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

糾纏：在某個(gè)點(diǎn)相互作用的粒子保持一種連接，并且可以成對(duì)地相互糾纏，這個(gè)過程稱為相關(guān)。了解一個(gè)糾纏粒子的自旋狀態(tài)——向上或向下——可以讓人們知道它的伴侶的自旋方向是相反的。量子糾纏允許相隔令人難以置信的距離的量子比特瞬間相互作用（不限于光速）。無(wú)論相關(guān)粒子之間的距離有多大，只要它們被隔離，它們就會(huì)保持糾纏狀態(tài)。總之，量子疊加和糾纏創(chuàng)造了極大增強(qiáng)的計(jì)算能力。

量子計(jì)算機(jī)分為四類：

1. 量子模擬器/模擬器
2. 量子退火爐
3. 嘈雜的中級(jí)量子 (NISQ)
4. 通用量子計(jì)算機(jī)——可以是密碼相關(guān)量子計(jì)算機(jī) (CRQC)

量子模擬器/模擬器

這些是您今天可以購(gòu)買的模擬量子算法的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。它們使測(cè)試和調(diào)試有一天可能能夠在通用量子計(jì)算機(jī) (UQC) 上運(yùn)行的量子算法變得容易。由于它們不使用任何量子硬件，它們并不比標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)快。

量子退火爐

一種專用量子計(jì)算機(jī)，旨在僅運(yùn)行組合優(yōu)化問題，而不是通用計(jì)算或密碼學(xué)問題。雖然它們比任何其他當(dāng)前系統(tǒng)擁有更多的物理量子比特，但它們并沒有被組織為基于門的邏輯量子比特。目前，這是一種尋找未來(lái)可行市場(chǎng)的商業(yè)技術(shù)。

嘈雜的中級(jí)量子 (NISQ) 計(jì)算機(jī)。

將這些視為通用量子計(jì)算機(jī)的原型——位數(shù)少了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。它們目前有 50-100 個(gè)量子位、有限的門深度和短的相干時(shí)間。由于量子比特有幾個(gè)數(shù)量級(jí)，NISQ 計(jì)算機(jī)無(wú)法執(zhí)行任何有用的計(jì)算，但它們是學(xué)習(xí)的必要階段，尤其是在硬件開發(fā)的同時(shí)推動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)和軟件學(xué)習(xí)。將它們視為未來(lái)通用量子計(jì)算機(jī)的訓(xùn)練輪。

通用量子計(jì)算機(jī)/密碼相關(guān)量子計(jì)算機(jī) (CRQC )

這是最終目標(biāo)。如果您可以構(gòu)建具有容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)（即，數(shù)百萬(wàn)個(gè)糾錯(cuò)物理量子位產(chǎn)生數(shù)千個(gè)邏輯量子位），您就可以在密碼學(xué)、搜索和優(yōu)化、量子系統(tǒng)模擬和線性方程求解器中運(yùn)行量子算法。

后量子/抗量子代碼

新的密碼系統(tǒng)對(duì)量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)都是安全的，并且可以與現(xiàn)有的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)互操作。選擇商業(yè)國(guó)家安全算法 (CNSA) 套件的對(duì)稱密鑰算法是為了確保國(guó)家安全系統(tǒng)使用的安全，即使開發(fā)了 CRQC。商業(yè)行業(yè)認(rèn)為是量子安全的密碼方案包括基于格的密碼學(xué)、哈希樹、多元方程和超奇異同源橢圓曲線。

量子計(jì)算機(jī)的難點(diǎn)

? 干擾 ——在量子計(jì)算的計(jì)算階段，量子系統(tǒng)中最輕微的干擾（例如雜散光子或電磁輻射波）會(huì)導(dǎo)致量子計(jì)算崩潰，這一過程稱為 去相干。量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算階段必須與所有外部干擾完全隔離。

? 糾錯(cuò) ——鑒于量子計(jì)算的性質(zhì)，糾錯(cuò)是極其關(guān)鍵的——即使計(jì)算中的一個(gè)錯(cuò)誤也可能導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算的有效性崩潰。

? 輸出遵守 – 與上述兩個(gè)密切相關(guān)，在量子計(jì)算完成后檢索輸出數(shù)據(jù)有損壞數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。