專家視點：量子計算的發展趨勢
量子計算是指專注于基于量子理論原理開發計算機技術的研究領域。
如今，數以百億計的公共和私人資本正在投資于量子技術。世界各國已經意識到量子技術可以成為現有業務的主要顛覆者，在 2021 年共投資 240 億美元用于量子研究和應用。
經典計算與量子計算的比較
經典計算：在其終極層面上依賴于布爾代數所表達的原則。數據必須在任何時間點以獨占的二進制狀態或我們所說的位進行處理。雖然現在可以以十億分之一秒測量每個晶體管或電容器在切換狀態之前需要處于 0 或 1 的時間，但這些設備切換狀態的速度仍然存在限制。
隨著我們向更小更快的電路發展，我們開始達到材料的物理極限和經典物理定律的應用門檻。除此之外，在量子計算機中，量子世界接管了許多基本粒子，例如電子或光子，它們的 電荷 或 極化 代表 0 或 1。 這些粒子中的每一個都是已知的作為一個量子比特（qubit），這些粒子的性質和行為構成了量子計算的基礎。經典計算機使用晶體管作為邏輯的物理構建塊，而量子計算機可能使用捕獲的離子、超導環、量子點等。
物理與邏輯量子位
在討論具有糾錯功能的量子計算機時，我們談論的是物理和邏輯量子比特。物理量子比特是量子計算機中的物理量子比特，而邏輯量子比特是我們在計算中用作單個量子比特來對抗噪聲和改進糾錯的物理量子比特組。
為了說明這一點，讓我們考慮一個具有 100 個量子位的量子計算機的例子。假設這臺計算機容易產生噪音，為了解決這個問題，我們可以使用多個量子位來形成一個更穩定的量子位。我們可能會決定需要 10 個物理量子位來形成一個可接受的邏輯量子位。在這種情況下，我們會說我們的量子計算機有 100 個物理量子位，我們將其用作 10 個邏輯量子位。
區分物理量子比特和邏輯量子比特很重要。關于我們需要多少量子比特來執行某些計算，有很多估計，但其中一些估計是關于邏輯量子比特，而另一些是關于物理量子比特。例如：要破解 RSA 密碼學，我們需要數千個邏輯量子位，但需要數百萬個物理量子位。
要記住的另一件事是，在經典計算機中，計算能力隨著晶體管數量和時鐘速度線性增加，而在量子計算機中，計算能力隨著每個邏輯量子比特的增加呈指數增長。
量子疊加和糾纏
量子物理學最相關的兩個方面是 疊加 原理和 糾纏原理。
疊加：將量子比特想象成磁場中的電子。電子的自旋可以與場對齊，稱為自旋向上狀態，也可能與場相反，稱為自旋向下狀態。根據量子定律，粒子進入疊加態，在這種疊加態下，它的行為就好像它同時處于兩種狀態一樣。使用的每個量子位都可以疊加 0 和 1。普通計算機中的 2 位寄存器在任何給定時間只能存儲四種二進制配置（00、01、10 或 11）中的一種，而 2 量子位量子計算機中的寄存器可以同時存儲所有四個數字，因為每個量子位代表兩個值。如果添加更多的量子比特，則增加的容量會呈指數級增長。
糾纏：在某個點相互作用的粒子保持一種連接，并且可以成對地相互糾纏，這個過程稱為相關。了解一個糾纏粒子的自旋狀態——向上或向下——可以讓人們知道它的伴侶的自旋方向是相反的。量子糾纏允許相隔令人難以置信的距離的量子比特瞬間相互作用（不限于光速）。無論相關粒子之間的距離有多大，只要它們被隔離，它們就會保持糾纏狀態。總之，量子疊加和糾纏創造了極大增強的計算能力。
量子計算機分為四類：
- 量子模擬器/模擬器
- 量子退火爐
- 嘈雜的中級量子 (NISQ)
- 通用量子計算機——可以是密碼相關量子計算機 (CRQC)
量子模擬器/模擬器
這些是您今天可以購買的模擬量子算法的經典計算機。它們使測試和調試有一天可能能夠在通用量子計算機 (UQC) 上運行的量子算法變得容易。由于它們不使用任何量子硬件，它們并不比標準計算機快。
量子退火爐
一種專用量子計算機，旨在僅運行組合優化問題，而不是通用計算或密碼學問題。雖然它們比任何其他當前系統擁有更多的物理量子比特，但它們并沒有被組織為基于門的邏輯量子比特。目前，這是一種尋找未來可行市場的商業技術。
嘈雜的中級量子 (NISQ) 計算機。
將這些視為通用量子計算機的原型——位數少了幾個數量級。它們目前有 50-100 個量子位、有限的門深度和短的相干時間。由于量子比特有幾個數量級，NISQ 計算機無法執行任何有用的計算，但它們是學習的必要階段，尤其是在硬件開發的同時推動整個系統和軟件學習。將它們視為未來通用量子計算機的訓練輪。
通用量子計算機/密碼相關量子計算機 (CRQC )
這是最終目標。如果您可以構建具有容錯能力的通用量子計算機（即，數百萬個糾錯物理量子位產生數千個邏輯量子位），您就可以在密碼學、搜索和優化、量子系統模擬和線性方程求解器中運行量子算法。
后量子/抗量子代碼
新的密碼系統對量子計算機和傳統計算機都是安全的，并且可以與現有的通信協議和網絡互操作。選擇商業國家安全算法 (CNSA) 套件的對稱密鑰算法是為了確保國家安全系統使用的安全，即使開發了 CRQC。商業行業認為是量子安全的密碼方案包括基于格的密碼學、哈希樹、多元方程和超奇異同源橢圓曲線。
量子計算機的難點
? 干擾 ——在量子計算的計算階段，量子系統中最輕微的干擾（例如雜散光子或電磁輻射波）會導致量子計算崩潰，這一過程稱為 去相干。量子計算機在計算階段必須與所有外部干擾完全隔離。
? 糾錯 ——鑒于量子計算的性質，糾錯是極其關鍵的——即使計算中的一個錯誤也可能導致整個計算的有效性崩潰。
? 輸出遵守 – 與上述兩個密切相關，在量子計算完成后檢索輸出數據有損壞數據的風險。
