什么是量子霸权？ 量子霸权是指通过执行经典计算机无法完成或以无法匹敌的速度完成的计算，来实验性地证明量子计算机相对于经典计算机的统治地位和优势。为了确认已实现量子霸权，计算机科学家必须能够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可以快速完成该计算。
计算机科学家相信，量子霸权将导致肖尔算法的破解——这是一个目前不可能的计算，也是大多数现代密码学的基础——同时也会在药物开发、天气预报、股票交易和材料设计方面提供优势。
量子计算正在不断发展。量子计算机尚未达到能够展示其相对于经典计算机的霸权地位的程度。这主要是由于在量子计算机上执行有意义的操作所需的大量量子比特。随着所需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，量子计算机将失去其相对于经典计算机的任何优势。
要成功执行有用的计算——例如确定某种物质的化学性质——可能需要数百万个量子比特。目前，最大的量子计算机设计是IBM的量子计算机，名为"鱼鹰"，它拥有433个量子比特。
量子计算机与经典计算机 量子和经典计算机之间的主要区别在于它们的工作方式。经典计算机以比特处理信息，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，量子计算机使用量子理论作为其系统的基础。量子理论关注的是原子、电子和光子等不可见尺度上粒子之间非凡的相互作用。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，量子比特在计算规模上可以以数量级超越二进制比特。这主要是由于量子叠加——一个亚原子粒子能够同时存在于两种状态的能力。叠加使得量子比特能够同时针对各种可能性运行特定的计算。
俘获离子、光子和超导体赋予量子计算机以异常快的速度执行计算并处理海量数据的能力。然而，量子计算机能够提供的真正价值，在于解决那些对经典计算机来说过于复杂、或者经典计算机需要数十亿年才能回答的问题。量子计算机应该能够从一个遵循特定正确分布的随机量子电路中创建一系列样本。
虽然这些优势可能带来量子霸权，但处理器尚未具备所有这些能力。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。在建造出能够解决一个已被证明经典计算机无法解决的问题的量子计算机之前，继续存在找到更好的经典算法的可能性，量子霸权将无法实现。
量子霸权的应用 一些人认为，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。例如：
- 在大规模上执行更复杂模拟的能力将为企业提供更高的效率、更深入的洞察和更好的预测，从而优化流程。
- 模拟复杂量子系统（如生物分子）的增强模拟将成为可能。
- 将量子计算与人工智能结合可以使AI比现在聪明得多。
- 可以设计、建模和修改新的定制药物、化学品和材料，以帮助开发新的制药、商业或商业产品。
- 分解极大数字的能力可能会打破当前长期存在的加密形式。
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支撑当前大多数数据加密的数学基础。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。随着量子计算机以高速度处理大量数据，这将变得极其困难。
量子霸权的例子 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，但预计他们将使用一个被称为随机电路采样的问题。
这个问题要求计算机从随机量子电路的可能输出中正确采样——类似于可以对一组量子比特执行的一系列操作。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。如果量子计算机能在此情况下有效地提取样本，就将证明量子霸权。
量子霸权的重要性 第一个量子算法是在20世纪90年代解决的。虽然问题本身是无用的，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，他们可以用来开发更有意义的算法——比如肖尔算法——这些算法可能产生重大的实际影响。
计算机科学家希望量子霸权将重复这一过程，并推动发明者创造出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强大的量子计算机的关键。
一些人还认为摩尔定律即将终结。这将抑制人工智能研究，因为更智能的应用，如完全自动驾驶汽车，需要巨大的处理能力。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领域。
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丘奇-图灵论题，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。
量子霸权的未来 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：
- 不需要大量硬件的精炼错误校正。
- 能够支持独特复杂问题的先进算法。
- 降低的噪声。
- 具有更低噪声敏感性、更长相干时间和更高可靠性的量子比特。
- 拥有数千个量子比特的量子处理器。
美国和中国一直是最专注于投资量子项目的国家，同时还有谷歌、微软、IBM、洛克希德·马丁和阿里巴巴等组织和企业。
量子霸权的优点和缺点 一旦展示出量子霸权，量子计算机将在处理大型数据集方面提供卓越的用途，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，致力于开发编码量子计算机工具的程序员无法查看其数据从输入到输出所走的路径，这使得调试过程变得非常复杂。
虽然量子霸权对各种行业极为有益，但这一突破也可能导致流氓国家或行为者将量子计算机用于破坏性目的，例如打破当前的加密模型。
本文最初由凯特·布拉什撰写。TechTarget 编辑在 2023 年更新了文章，以改善读者体验。