量子計算是指專注于基于量子理論原理開發(fā)計算機技術(shù)的研究領(lǐng)域。

如今，數(shù)以百億計的公共和私人資本正在投資于量子技術(shù)。世界各國已經(jīng)意識到量子技術(shù)可以成為現(xiàn)有業(yè)務(wù)的主要顛覆者，在2021年共投資240億美元用于量子研究和應(yīng)用。

經(jīng)典計算與量子計算的比較

經(jīng)典計算：在其終極層面上依賴于布爾代數(shù)所表達(dá)的原則。數(shù)據(jù)必須在任何時間點以獨占的二進(jìn)制狀態(tài)或我們所說的位進(jìn)行處理。雖然現(xiàn)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(tài)之前需要處于0或1的時間，但這些設(shè)備切換狀態(tài)的速度仍然存在限制。

隨著我們向更小更快的電路發(fā)展，我們開始達(dá)到材料的物理極限和經(jīng)典物理定律的應(yīng)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(zhì)和行為構(gòu)成了量子計算的基礎(chǔ)。經(jīng)典計算機使用晶體管作為邏輯的物理構(gòu)建塊，而量子計算機可能使用捕獲的離子、超導(dǎo)環(huán)、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?wù)摰氖俏锢砗瓦壿嬃孔颖忍?。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(jìn)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(shè)這臺計算機容易產(chǎn)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(wěn)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(qū)分物理量子比特和邏輯量子比特很重要。關(guān)于我們需要多少量子比特來執(zhí)行某些計算，有很多估計，但其中一些估計是關(guān)于邏輯量子比特，而另一些是關(guān)于物理量子比特。例如：要破解RSA密碼學(xué)，我們需要數(shù)千個邏輯量子位，但需要數(shù)百萬個物理量子位。

要記住的另一件事是，在經(jīng)典計算機中，計算能力隨著晶體管數(shù)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(shù)增長。

量子疊加和糾纏

量子物理學(xué)最相關(guān)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(tài)，也可能與場相反，稱為自旋向下狀態(tài)。根據(jù)量子定律，粒子進(jìn)入疊加態(tài)，在這種疊加態(tài)下，它的行為就好像它同時處于兩種狀態(tài)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(jìn)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(shù)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(shù)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(guān)。了解一個糾纏粒子的自旋狀態(tài)——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(guān)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(tài)?？傊?，量子疊加和糾纏創(chuàng)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(guān)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(jīng)典計算機。它們使測試和調(diào)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(biāo)準(zhǔn)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(yōu)化問題，而不是通用計算或密碼學(xué)問題。雖然它們比任何其他當(dāng)前系統(tǒng)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(yè)技術(shù)。

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(shù)少了幾個數(shù)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(shù)量級，NISQ計算機無法執(zhí)行任何有用的計算，但它們是學(xué)習(xí)的必要階段，尤其是在硬件開發(fā)的同時推動整個系統(tǒng)和軟件學(xué)習(xí)。將它們視為未來通用量子計算機的訓(xùn)練輪。

通用量子計算機/密碼相關(guān)量子計算機(CRQC)

這是最終目標(biāo)。如果您可以構(gòu)建具有容錯能力的通用量子計算機（即，數(shù)百萬個糾錯物理量子位產(chǎn)生數(shù)千個邏輯量子位），您就可以在密碼學(xué)、搜索和優(yōu)化、量子系統(tǒng)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(tǒng)對量子計算機和傳統(tǒng)計算機都是安全的，并且可以與現(xiàn)有的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)互操作。選擇商業(yè)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(tǒng)使用的安全，即使開發(fā)了CRQC。商業(yè)行業(yè)認(rèn)為是量子安全的密碼方案包括基于格的密碼學(xué)、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(tǒng)中最輕微的干擾（例如雜散光子或電磁輻射波）會導(dǎo)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(zhì)，糾錯是極其關(guān)鍵的——即使計算中的一個錯誤也可能導(dǎo)致整個計算的有效性崩潰。

•輸出遵守–與上述兩個密切相關(guān)，在量子計算完成后檢索輸出數(shù)據(jù)有損壞數(shù)據(jù)的風(fēng)險。