什么是量子霸权？
量子霸权是指通过实验证明量子计算机在计算速度上对传统计算机的绝对优势，能够执行传统计算机无法完成的计算任务。要确认实现量子霸权，计算机科学家必须证明传统计算机永远无法解决该问题，同时量子计算机能够快速完成计算。
计算机科学家认为，量子霸权将推动肖尔算法的破解——这是当前不可能完成的计算，也是现代密码学的基础——同时在药物研发、天气预报、股票交易和材料设计领域带来突破。
量子计算的发展现状
量子计算持续发展，但量子计算机尚未展现出对传统计算机的绝对优势。这主要源于执行有意义的量子计算需要大量量子比特（qubit）。随着逻辑门数量和量子比特数量的增加，错误率也随之上升。如果错误率过高，量子计算机将失去对传统计算机的任何优势。
要成功执行有用计算（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是IBM的"鱼鹰"（Osprey），拥有433个量子比特。
量子计算机与传统计算机的区别
工作原理差异
- 传统计算机：以比特处理信息，所有计算都以二进制语言（1和0）执行
- 量子计算机：基于量子理论构建系统，关注原子、电子和光子等微观粒子间的特殊相互作用
量子比特的优势
量子比特理论上能够大幅超越二进制比特的计算规模，这主要得益于量子叠加——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。
量子霸权的应用前景
积极应用
- 执行更复杂的模拟，提高企业效率、洞察力和预测能力
- 模拟复杂量子系统（如生物分子）
- 结合人工智能，大幅提升AI智能水平
- 设计新型定制药物、化学品和材料
- 破解当前长期存在的加密形式
安全挑战
量子霸权可能动摇当前数据加密的数学基础，一旦实现，计算机科学家必须重新评估计算机安全性和信息保护方式。
技术挑战与未来发展
当前障碍
- 错误校正需要大量硬件
- 需要支持复杂问题的高级算法
- 量子噪声问题
- 需要更长的相干时间和更高可靠性的量子比特
- 需要拥有数千个量子比特的量子处理器
研发进展
美国和中国的量子项目投资最为集中，谷歌、微软、IBM、洛克希德·马丁和阿里巴巴等企业也在积极研发。
优势与风险并存
优势领域
- 处理大型数据集（癌症研究、药物设计、基因工程、粒子物理和天气预报）
技术挑战
- 由于叠加原理，程序员难以追踪数据从输入到输出的路径，调试过程极其复杂
安全风险
量子霸权可能被恶意行为者用于破坏性目的，如破解当前加密模型。
本文最初由Kate Brush撰写，TechTarget编辑于2023年更新以提升阅读体验。