量子優(yōu)勢(shì):物理學(xué)家解釋計(jì)算機(jī)的未來(lái)
量子優(yōu)勢(shì)是該領(lǐng)域的里程碑量子計(jì)算正在熱切地努力,其中量子計(jì)算機(jī)可以解決最強(qiáng)大的非量子或經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題。
量子是指原子和分子的尺度,其中我們體驗(yàn)到的物理定律會(huì)崩潰,并適用一組不同的、違反直覺(jué)的定律。量子計(jì)算機(jī)利用這些奇怪的行為來(lái)解決問(wèn)題。
有一些類型的問(wèn)題是經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決,例如破解最先進(jìn)的技術(shù)加密算法。近幾十年來(lái)的研究表明,量子計(jì)算機(jī)有可能解決其中一些問(wèn)題。
如果能夠構(gòu)建出能夠真正解決這些問(wèn)題之一的量子計(jì)算機(jī),那么它將顯示出量子優(yōu)勢(shì)。
我是物理學(xué)家世衛(wèi)組織研究量子信息處理和量子系統(tǒng)的控制。
我相信,這一科技創(chuàng)新前沿不僅有望在計(jì)算方面取得突破性進(jìn)展,而且還代表了量子技術(shù)的更廣泛發(fā)展,包括量子密碼學(xué)和量子傳感的重大進(jìn)步。
量子計(jì)算力量的源泉
量子計(jì)算的核心是量子比特,或量子比特.與只能處于 0 或 1 狀態(tài)的經(jīng)典比特不同,量子比特可以處于 0 和 1 的某種組合的任何狀態(tài)。這種既不是 1 也不是 0 的狀態(tài)稱為量子疊加.每增加一個(gè)量子比特,量子比特可以表示的狀態(tài)數(shù)就會(huì)增加一倍。
這種特性經(jīng)常被誤認(rèn)為是量子計(jì)算能力的來(lái)源。相反,它歸結(jié)為疊加的錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用,干擾和糾纏.
干擾涉及操縱量子比特,以便它們的狀態(tài)在計(jì)算過(guò)程中建設(shè)性地組合以放大正確的解決方案,并破壞性地抑制錯(cuò)誤的答案。
相長(zhǎng)干涉是指當(dāng)兩個(gè)波的峰值(如聲波或海浪)結(jié)合產(chǎn)生更高的峰值時(shí)發(fā)生的情況。相消干涉是指當(dāng)波峰和波谷結(jié)合并相互抵消時(shí)發(fā)生的情況。
量子算法很少且難以設(shè)計(jì),它們?cè)O(shè)置了一系列干涉模式,從而為問(wèn)題提供正確的答案。
糾纏在量子比特之間建立了獨(dú)特的量子相關(guān)性:無(wú)論量子比特相距多遠(yuǎn),都不能獨(dú)立于其他量子比特來(lái)描述一個(gè)量子比特的狀態(tài)。這就是阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)著名的“遠(yuǎn)距離幽靈般的行動(dòng)”。
糾纏的集體行為,通過(guò)量子計(jì)算機(jī)編排,實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法企及的計(jì)算速度。
量子計(jì)算的應(yīng)用
量子計(jì)算具有一系列潛在用途,可以勝過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。在密碼學(xué)中,量子計(jì)算機(jī)既帶來(lái)了機(jī)遇,也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。最有名的是,他們有破譯當(dāng)前加密算法的潛力,如應(yīng)用廣泛RSA 方案.
這樣做的一個(gè)后果是,今天的加密協(xié)議需要重新設(shè)計(jì),以抵御未來(lái)的量子攻擊。這種認(rèn)識(shí)導(dǎo)致了蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域后量子密碼學(xué).
經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的過(guò)程,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院最近選擇了四種抗量子算法,并已開始準(zhǔn)備它們,以便世界各地的組織可以在其加密技術(shù)中使用它們。
此外,量子計(jì)算可以大大加快量子模擬的速度:預(yù)測(cè)在量子領(lǐng)域運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力。著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼設(shè)想了這種可能性40多年前。
量子模擬為化學(xué)和材料科學(xué)的重大進(jìn)步提供了潛力,有助于在諸如藥物發(fā)現(xiàn)的分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜建模以及發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造具有新特性的材料等領(lǐng)域。
量子信息技術(shù)的另一個(gè)用途是量子傳感:檢測(cè)和測(cè)量電磁能、重力、壓力和溫度等物理特性,比非量子儀器具有更高的靈敏度和精度。
量子傳感在以下領(lǐng)域有無(wú)數(shù)的應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測(cè),地質(zhì)勘探,醫(yī)學(xué)影像和監(jiān)視.
諸如開發(fā)將量子計(jì)算機(jī)互連的量子互聯(lián)網(wǎng)等舉措是連接量子和經(jīng)典計(jì)算世界的關(guān)鍵步驟。
該網(wǎng)絡(luò)可以使用量子加密協(xié)議進(jìn)行保護(hù),例如量子密鑰分發(fā),它實(shí)現(xiàn)了超安全的通信通道,可以抵御計(jì)算攻擊,包括使用量子計(jì)算機(jī)的通信攻擊。
盡管量子計(jì)算的應(yīng)用套件不斷增長(zhǎng),但開發(fā)充分利用量子優(yōu)勢(shì)的新算法——特別是在機(jī)器學(xué)習(xí)中– 仍然是正在進(jìn)行的研究的關(guān)鍵領(lǐng)域。
保持連貫性并克服錯(cuò)誤
量子計(jì)算領(lǐng)域在硬件和軟件開發(fā)方面面臨重大障礙。量子計(jì)算機(jī)對(duì)與環(huán)境的任何無(wú)意交互都非常敏感。這導(dǎo)致了退相干現(xiàn)象,即量子比特迅速退化到經(jīng)典比特的 0 或 1 狀態(tài)。
構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)量子加速承諾的大規(guī)模量子計(jì)算系統(tǒng)需要克服退相干。關(guān)鍵是開發(fā)抑制和糾正量子錯(cuò)誤的有效方法,這是我自己研究的重點(diǎn)領(lǐng)域.
在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的過(guò)程中,許多量子硬件和軟件初創(chuàng)公司與谷歌和IBM等知名技術(shù)行業(yè)參與者一起涌現(xiàn)。
這種行業(yè)興趣,加上世界各國(guó)政府的大量投資,凸顯了對(duì)量子技術(shù)變革潛力的集體認(rèn)可。這些舉措促進(jìn)了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界合作的豐富生態(tài)系統(tǒng),加速了該領(lǐng)域的進(jìn)展。
量子優(yōu)勢(shì)映入眼簾
有朝一日,量子計(jì)算可能會(huì)像生成式人工智能.當(dāng)前,量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展正處于關(guān)鍵時(shí)刻。
一方面,該領(lǐng)域已經(jīng)顯示出實(shí)現(xiàn)狹隘專業(yè)化量子優(yōu)勢(shì)的早期跡象。谷歌的研究人員后來(lái)是中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)展示的量子優(yōu)勢(shì)用于生成隨機(jī)數(shù)列表具有某些屬性。我的研究團(tuán)隊(duì)展示了量子加速對(duì)于隨機(jī)數(shù)猜謎游戲.
另一方面,存在進(jìn)入“量子寒冬”的切實(shí)風(fēng)險(xiǎn),如果短期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)際結(jié)果,則投資減少。
雖然技術(shù)行業(yè)正在努力在短期內(nèi)在產(chǎn)品和服務(wù)中提供量子優(yōu)勢(shì),但學(xué)術(shù)研究仍然集中在研究支撐這種新科學(xué)和技術(shù)的基本原理上。
這項(xiàng)正在進(jìn)行的基礎(chǔ)研究,在我?guī)缀趺刻於紩?huì)遇到的熱情的新生和聰明學(xué)生的推動(dòng)下,確保了該領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)進(jìn)步。
丹尼爾激光雷達(dá),電氣工程,化學(xué),物理與天文學(xué)教授,南加州大學(xué)
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