量子霸权（Quantum Supremacy）

什么是量子霸权？

量子霸权是指通过量子计算机执行以往不可能完成或速度无法匹敌的计算，从而实验性证明其对经典计算机的支配地位和优势。为了确认量子霸权已经实现，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（Shor’s algorithm）被破解——这是目前无法完成的计算，也是大多数现代密码学的基础——同时将在药物开发、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对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。随着必要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对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——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“鱼鹰”（Osprey），它拥有433个量子比特。

量子计算机 vs. 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。经典计算机将信息作为比特处理，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，量子计算机以量子理论作为其系统的基础。量子理论关注的是原子、电子和光子等粒子在不可见尺度上的特殊相互作用。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，量子比特可以以数量级超越二进制比特的计算规模。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对各种可能性运行特定的计算。

囚禁离子、光子和超导体赋予量子计算机以极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解决的问题的能力。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某些类型问题的能力令计算机科学家感到惊讶。在建造出能够解决经典计算机被证明无法解决的问题的量子计算机之前，始终有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

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、更深入的洞察力和更好的预测，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相结合，可能会使人工智能比现在聪明得多。
• 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。

虽然这些应用大多看似有益，但量子霸权也可能破坏当前大多数数据加密所基于的数学基础。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。随着量子计算机工作的高速性和处理的数据量巨大，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正确地从随机量子电路的可能输出中采样——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，经典计算机会不堪重负。如果量子计算机在这种情况下能够有效地提取样本，就将证明量子霸权。

量子霸权的重要性

第一批量子算法是在20世纪90年代解决的。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，他们可以用这些来开发更有意义的算法——比如肖尔算法——这可能产生重大的实际后果。

计算机科学家希望量子霸权能重复这一过程，并推动发明者创造一台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备霸权的量子计算机的关键。 一些人还认为摩尔定律即将结束。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。

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台功能齐全、通用的容错门计算机。在这台机器能够建造之前，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。
• 增强的抗噪能力。
• 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经过的路径，这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。

本文最初由凯特·布拉什（Kate Brush）撰写。TechTarget 编辑于2023年更新了文章，以改善读者的阅读体验。