量子霸权

什么是量子霸权？

量子霸权是指通过执行在经典计算机上以前无法完成或速度无法匹及的计算，来实验性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——这是一项目前不可能完成的计算，也是大多数现代密码学的基础——并在药物开发、天气预报、股票交易和材料设计方面提供优势。

量子计算在不断发展。量子计算机尚未达到能展示其相对于经典计算机霸权的地步。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。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，量子计算机就会丧失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原理。经典计算机将信息作为比特处理，所有计算都以二进制语言（1和0）执行。经典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，量子计算机使用量子理论作为其系统的基础。量子理论侧重于不可见尺度上粒子（如原子、电子和光子）之间的非凡相互作用。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大幅超越二进制比特。这主要归功于量子叠加态——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对各种可能性运行特定的计算。

被困离子、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、或者需要经典计算机数十亿年才能回答的问题的能力。量子计算机应该能够从遵循特定、正确分布的随机量子电路中创建一系列样本。

尽管这些优势可能带来量子霸权，但尚未制造出具备所有这些能力的处理器。经典计算机继续以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。在制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，总有可能存在更好的经典算法，从而无法实现量子霸权。

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：

• 执行更复杂、更大规模模拟的能力将为公司提供更高的效率、更深刻的洞察和更好的预测，从而改进优化流程。
• 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。

虽然这些应用中的大多数似乎都有益处，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完全重新评估计算机安全性以及如何保护信息和数据。鉴于量子计算机将处理的高速和海量数据，这将变得极其困难。

量子霸权的例子

虽然首次体现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高效地提取样本，就将证明量子霸权。

量子霸权的重要性

最早的量子算法在20世纪90年代得到解决。虽然问题本身毫无用处，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，可以用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一过程，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具有霸权地位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AI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（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。科学家们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台功能齐全、通用的容错门计算机。在这台机器能够建成之前，计算机科学家需要开发：

• 无需大量硬件的精细纠错。
• 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。

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、基因工程粒子物理学和天气预报的数据集。由于叠加态，致力于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所走的路径，使得调试过程高度复杂。

虽然量子霸权对各行各业极为有益，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，例如破解当前的加密模型。

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。