量子霸权：下一代计算技术的突破与挑战

什么是量子霸权？

量子霸权是通过执行传统计算机无法实现的高速计算，实验证明量子计算机相对于经典计算机的主导地位和优势。要确认实现量子霸权，计算机科学家必须证明经典计算机永远无法解决该问题，同时证明量子计算机能够快速完成计算。

计算机科学家认为，量子霸权将导致肖尔算法的破解——这是目前不可能完成的计算，也是大多数现代密码学的基础——同时在药物开发、天气预报、股票交易和材料设计方面提供优势。

量子计算正在持续发展。量子计算机尚未达到能够展示其对经典计算机优势的程度。这主要是由于执行有意义的量子计算需要大量量子比特（qubits）。随着必要逻辑门数量和量子比特数量的增加，错误率也会上升。如果错误率过高，量子计算机将失去对经典计算机的任何优势。

要成功执行有用计算——例如确定物质的化学性质——需要数百万个量子比特。目前最大的量子计算机设计是IBM的Osprey量子计算机，拥有433个量子比特。

量子计算机和经典计算机的主要区别在于它们的工作方式。经典计算机将信息处理为比特，所有计算都以1和0的二进制语言执行。经典计算机中的电流要么流过晶体管，要么不流过；没有中间状态。

相反，量子计算机以量子理论作为其系统基础。量子理论关注不可见尺度上粒子之间的非凡相互作用——如原子、电子和光子。因此，经典计算机中使用的二进制状态不再适用于量子计算机。

理论上，量子比特可以大幅超越二进制比特的计算规模。这主要归功于量子叠加——亚原子粒子同时存在于两种状态的能力。叠加使量子比特能够同时对各种可能性运行特定计算。

被困离子、光子和超导体使量子计算机能够以极快的速度执行计算并处理海量数据。然而，量子计算机可能提供的真正价值是解决经典计算机无法处理或需要数十亿年才能解决的问题的能力。量子计算机应该能够从随机量子电路中创建一系列遵循特定正确分布的样本。

虽然这些优势可能带来量子霸权，但处理器尚未具备所有能力。经典计算机继续以其计算能力和解决特定类型问题的能力让计算机科学家感到惊讶。在建造出能够解决已被证明经典计算机无法解决的问题的量子计算机之前，仍然可能存在更好的经典算法，量子霸权将无法实现。

有些人认为，实现量子霸权的量子计算机可能是自1971年英特尔4004微处理器发明以来最具颠覆性的新技术。某些职业和商业领域将受到量子霸权的显著影响。例子包括：

虽然这些应用大多似乎能带来好处，但量子霸权也可能破坏当前大多数数据加密所依赖的数学基础。一旦实现量子霸权，计算机科学家将不得不完全重新评估计算机安全以及如何保护信息和数据。随着量子计算机处理的高速和大数据量，这将变得极其困难。

虽然首次证明量子霸权的问题可以是计算机科学家想要的任何问题，但预计他们将使用称为随机电路采样的问题。

这个问题要求计算机正确地从随机量子电路的可能输出中采样——类似于可以在一组量子比特上执行的一系列操作。经典计算机没有任何快速算法来生成这些样本。随着可能样本阵列的增加，经典计算机变得不堪重负。如果量子计算机在这种情况下能够有效地提取样本，它将证明量子霸权。

第一个量子算法在1990年代得到解决。虽然问题本身无用，但这个过程为设计它们的计算机科学家提供了知识和见解，他们可以用这些来开发更有意义的算法——如肖尔算法——这可能产生巨大的实际后果。

计算机科学家希望量子霸权将重复这个过程，并推动发明者创造能够超越经典计算机的量子计算机——即使它只解决一个简单、无用的问题——因为这项工作可能是构建有益且卓越的量子计算机的关键。

有些人还认为摩尔定律即将结束。这将抑制AI研究，因为更智能的应用，如完全自动驾驶汽车，需要大量的处理能力。一旦达到量子霸权，量子计算应该能够解决这个问题，并彻底改变机器学习（ML）。

量子霸权将极大地影响理论计算机科学领域。几十年来，该领域的科学家一直相信扩展的Church-Turing论题，该论题指出经典计算机可以有效地完成任何其他类型计算机能够完成的任何问题。量子霸权违反了这个假设。科学家将被迫考虑一个全新的计算机科学世界。

量子计算的最终目标是创建一个功能齐全、通用的容错门计算机。在建造这台机器之前，计算机科学家需要开发：

美国和中国一直最专注于投资量子项目，还有谷歌、微软、IBM、洛克希德·马丁和阿里巴巴等组织和企业。

一旦展示量子霸权，量子计算机将在处理大型数据集方面提供卓越的用途，如癌症研究、药物设计、基因工程粒子物理和天气预报中使用的数据集。由于叠加，开发量子计算机编码工具的程序员无法查看其数据从输入到输出所采取的路径，使得调试过程高度复杂。

虽然量子霸权对各个行业极其有益，但这一突破也可能导致流氓国家或行为者使用量子计算机用于破坏性目的，例如打破当前的加密模型。