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量子优势：物理学家解释计算机的未来
量子优势是该领域的里程碑量子计算正在热切地努力，其中量子计算机可以解决最强大的非量子或经典计算机无法解决的问题。
量子是指原子和分子的尺度，其中我们体验到的物理定律会崩溃，并适用一组不同的、违反直觉的定律。量子计算机利用这些奇怪的行为来解决问题。
有一些类型的问题是经典计算机无法解决，例如破解最先进的技术加密算法。近几十年来的研究表明，量子计算机有可能解决其中一些问题。
如果能够构建出能够真正解决这些问题之一的量子计算机，那么它将显示出量子优势。
我是物理学家世卫组织研究量子信息处理和量子系统的控制。
我相信，这一科技创新前沿不仅有望在计算方面取得突破性进展，而且还代表了量子技术的更广泛发展，包括量子密码学和量子传感的重大进步。
量子计算力量的源泉
量子计算的核心是量子比特，或量子比特.与只能处于 0 或 1 状态的经典比特不同，量子比特可以处于 0 和 1 的某种组合的任何状态。这种既不是 1 也不是 0 的状态称为量子叠加.每增加一个量子比特，量子比特可以表示的状态数就会增加一倍。
这种特性经常被误认为是量子计算能力的来源。相反，它归结为叠加的错综复杂的相互作用，干扰和纠缠.
干扰涉及操纵量子比特，以便它们的状态在计算过程中建设性地组合以放大正确的解决方案，并破坏性地抑制错误的答案。
相长干涉是指当两个波的峰值（如声波或海浪）结合产生更高的峰值时发生的情况。相消干涉是指当波峰和波谷结合并相互抵消时发生的情况。
量子算法很少且难以设计，它们设置了一系列干涉模式，从而为问题提供正确的答案。
纠缠在量子比特之间建立了独特的量子相关性：无论量子比特相距多远，都不能独立于其他量子比特来描述一个量子比特的状态。这就是阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）著名的“远距离幽灵般的行动”。
纠缠的集体行为，通过量子计算机编排，实现了经典计算机无法企及的计算速度。
量子计算的应用
量子计算具有一系列潜在用途，可以胜过经典计算机。在密码学中，量子计算机既带来了机遇，也带来了挑战。最有名的是，他们有破译当前加密算法的潜力，如应用广泛RSA 方案.
这样做的一个后果是，今天的加密协议需要重新设计，以抵御未来的量子攻击。这种认识导致了蓬勃发展的领域后量子密码学.
经过漫长的过程，美国国家标准与技术研究院最近选择了四种抗量子算法，并已开始准备它们，以便世界各地的组织可以在其加密技术中使用它们。
此外，量子计算可以大大加快量子模拟的速度：预测在量子领域运行的实验结果的能力。著名物理学家理查德·费曼设想了这种可能性40多年前。
量子模拟为化学和材料科学的重大进步提供了潜力，有助于在诸如药物发现的分子结构的复杂建模以及发现或创造具有新特性的材料等领域。
量子信息技术的另一个用途是量子传感：检测和测量电磁能、重力、压力和温度等物理特性，比非量子仪器具有更高的灵敏度和精度。
量子传感在以下领域有无数的应用环境监测,地质勘探,医学影像和监视.
诸如开发将量子计算机互连的量子互联网等举措是连接量子和经典计算世界的关键步骤。
该网络可以使用量子加密协议进行保护，例如量子密钥分发，它实现了超安全的通信通道，可以抵御计算攻击，包括使用量子计算机的通信攻击。
尽管量子计算的应用套件不断增长，但开发充分利用量子优势的新算法——特别是在机器学习中– 仍然是正在进行的研究的关键领域。
保持连贯性并克服错误
量子计算领域在硬件和软件开发方面面临重大障碍。量子计算机对与环境的任何无意交互都非常敏感。这导致了退相干现象，即量子比特迅速退化到经典比特的 0 或 1 状态。
构建能够实现量子加速承诺的大规模量子计算系统需要克服退相干。关键是开发抑制和纠正量子错误的有效方法，这是我自己研究的重点领域.
在应对这些挑战的过程中，许多量子硬件和软件初创公司与谷歌和IBM等知名技术行业参与者一起涌现。
这种行业兴趣，加上世界各国政府的大量投资，凸显了对量子技术变革潜力的集体认可。这些举措促进了学术界和工业界合作的丰富生态系统，加速了该领域的进展。
量子优势映入眼帘
有朝一日，量子计算可能会像生成式人工智能.当前，量子计算技术的发展正处于关键时刻。
一方面，该领域已经显示出实现狭隘专业化量子优势的早期迹象。谷歌的研究人员后来是中国研究团队展示的量子优势用于生成随机数列表具有某些属性。我的研究团队展示了量子加速对于随机数猜谜游戏.
另一方面，存在进入“量子寒冬”的切实风险，如果短期内无法实现实际结果，则投资减少。
虽然技术行业正在努力在短期内在产品和服务中提供量子优势，但学术研究仍然集中在研究支撑这种新科学和技术的基本原理上。
这项正在进行的基础研究，在我几乎每天都会遇到的热情的新生和聪明学生的推动下，确保了该领域将继续进步。
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