量子霸权：下一代计算革命的技术解析

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速度和计算能力上超越传统计算机，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——这是目前无法实现的计算，也是现代密码学的基础——同时将在药物研发、天气预报、股票交易和材料设计领域带来优势。

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（qubits）。随着逻辑门数量和量子比特数的增加，错误率也随之上升。如果错误率过高，量子计算机将失去相对于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，最大的量子计算机设计是IBM的Osprey，拥有433个量子比特。

量子计算机和传统计算机的主要区别在于工作原理。传统计算机以比特处理信息，所有计算均以1和0的二进制语言执行。传统计算机中的电流要么流过晶体管，要么不流——没有中间状态。

相反，量子计算机以量子理论为基础构建系统。量子理论关注微观尺度上粒子（如原子、电子和光子）之间的特殊相互作用。因此，传统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，量子比特的计算规模可以大幅超越二进制比特。这主要得益于量子叠加——亚原子粒子能够同时存在于两种状态。叠加使量子比特能够同时对多种可能性运行特定计算。

trapped ions、光子和超导体赋予量子计算机以极快速度执行计算和处理海量数据的能力。然而，量子计算机真正价值在于解决传统计算机无法处理或需要数十亿年才能解决的问题。量子计算机应能够从随机量子电路中生成遵循特定正确分布的一系列样本。

尽管这些优势可能带来量子霸权，但尚未构建出具备全部能力的处理器。传统计算机继续以其计算能力和解决特定问题的能力令计算机科学家惊讶。在构建出能够解决已被证明传统计算机无法解决的问题的量子计算机之前，仍有可能存在更好的传统算法，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Intel 4004微处理器发明以来最具颠覆性的新技术。某些行业和商业领域将受到量子霸权的显著影响，例如：

虽然大多数应用似乎带来好处，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彻底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——类似于可以在量子比特集上执行的一系列操作。传统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，传统计算机变得不堪重负。如果量子计算机在这种情况下能够高效地提取样本，将证明量子霸权。

第一个量子算法在1990年代解决。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，可用于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一过程，并推动发明者创建能够超越传统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）需要大量处理能力。一旦达到量子霸权，量子计算应能解决这个问题，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，该论题指出传统计算机可以高效完成任何其他类型计算机能够完成的任何问题。量子霸权违背了这一假设。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。在构建这台机器之前，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，以及谷歌、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用途，例如用于癌症研究、药物设计、基因工程粒子物理和天气预报的数据集。由于叠加，开发量子计算机编码工具的程序员无法查看数据从输入到输出的路径，使得调试过程高度复杂。

虽然量子霸权对各个行业极为有益，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进行破坏性目的，例如打破当前的加密模型。