量子霸权
什么是量子霸权？
量子霸权是指通过执行以往不可能完成的计算，并以无与伦比的速度展示量子计算机相对于经典计算机的统治地位和优势的实验证明。要确认实现量子霸权，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能够快速执行该计算。
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需要大量的量子比特（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的量子计算机Osprey，它具有433个量子比特。
量子计算机与经典计算机
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，量子计算机使用量子理论作为其系统的基础。量子理论专注于不可见尺度上粒子之间的非凡相互作用——例如原子、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。
量子比特理论上可以在计算规模上大幅超越二进制比特。这主要是由于量子叠加——亚原子粒子能够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。
trapped ions、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大量数据。然而，量子计算机可能提供的真正价值是解决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。
虽然这些优势可能导致量子霸权，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某些类型问题的能力令计算机科学家惊讶。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，始终可能存在更好的经典算法，量子霸权将无法实现。
量子霸权的应用
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：
- 在更大规模上执行更复杂模拟的能力将为公司提供更高的效率、更深入的洞察和更好的预测，从而改进优化过程。
- 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比现在智能得多。
- 可以设计、建模和修改新的定制药物、化学品和材料，以帮助培育新的制药、商业或商业产品。
- 分解极大数的能力可能打破当前长期存在的加密形式。
虽然这些应用大多数似乎都提供了好处，但量子霸权也可能破坏大多数当前数据加密所基于的数学。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——类似于可以在一组量子比特上执行的一系列动作。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高效地提取样本，它将证明量子霸权。
量子霸权的重要性
第一个量子算法在1990年代得到解决。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，他们可以用这些知识和见解来开发更有意义的算法——如肖尔算法——这可能具有巨大的实际后果。
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高效完成任何其他类型计算机可以完成的任何问题。量子霸权违反了这一假设。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细错误校正。
- 能够支持独特复杂问题的先进算法。
- 增强的噪声控制。
- 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。
量子霸权的优点和缺点
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，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用于破坏性目的，例如打破当前的加密模型。
本文最初由Kate Brush撰写。TechTarget编辑在2023年更新了文章以改善读者体验。