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前段时间量子霸权可以攻破区块链吗，谷歌在 NASA 上发表了一篇论文草稿量子霸权可以攻破区块链吗， 宣称“谷歌量子霸权可以攻破区块链吗的 AI Quantum 研究小组的 53 量子比特处理器实现了“量子霸权，目前最强超算需要花费 10000 年的计算在量子计算机上只用 200 秒就够了” 。不过没多久这篇论文就被撤回了。
（ 利用可编程超导处理器实现量子优势 ）
虽说后来有人解释说是论文还在审查，被 NASA 提早发布了。可不是发了果照再撤回大家就能当没发生过。 又是最强又是霸权的，吃瓜群众早都兴奋了 。
连明年的美国总统候选人 Andrew Yang 都发声：世界上再没有破解不了的代码了。
霸权通常和地位联系在一起，像什么世界霸权，军事霸权，文化霸权什么的，很容易给人一种处在能够操控、压制他人的强势地位的感觉。一听到 XX 霸权这样的词语，总会让量子霸权可以攻破区块链吗我们心头一颤。
那这个“量子霸权”究竟霸了个什么权，对我们又有什么影响呢？
为了不让大家产生什么误解，先告诉大家结论： “量子霸权”和我们所理解的霸权根本不是一回事 ，而且就目前来看， 短时间内也不会对我们带来任何影响 。
“量子霸权”，翻译自 Quantum Supremacy ，最早出现在 《 MIT Technology Review 》( 麻省理工 科技 评论，是由麻省理工学院出版的杂志 ) 关于谷歌与 IBM 开展量子计算研究竞争的评述中。
他们认为， 当量子计算机发展到 50 量子比特的时候，就能实现 “ 量子霸权 ”，超过世界上任何传统计算机，能够解决传统计算机解决不了的问题 。
如果不是很了解量子的概念，大可以先把量子计算机当成一种先进的电脑，量子比特当成一种特别的比特。
大家都知道传统计算机是靠数字 0 和 1 的二进制进行存储和运算的，一个比特代表一个数，一堆比特就成了数据。量子比特则是可以同时表达 1 和 0 的另类。
我们把小黑胖比作比特，方便大家理解。
小黑胖可以吃鸡腿，也能啃猪蹄，但从常识来说，同一时间他只能吃其中一种。
但量子小黑胖就不一样了， 他能在吃鸡腿的同时也在啃猪蹄 ，如果不掰开他的嘴看看，量子霸权可以攻破区块链吗你永远不知道他吃什么。
于是有人预言，当 50 个量子小黑胖一起吃东西时，就能吃掉不管多少个普通小黑胖都没法在一顿饭的时间里吃掉的肉山。
可谁也不知道那么多量子小黑胖在一起会不会打起来；会不会干脆打起来了麻将，不吃东西了。
于是大家决定， 如果谁成功凑齐这么多量子小黑胖并让他们吃掉那座肉山，就说他实现了“ 量子霸权 ” 。
事情就是这样
相信有差友都开始骂人了， 这是哪门子的“ 霸权 ”啊？
虽然不存在什么量子小黑胖，也没人能一边吃鸡腿同时啃猪蹄，更理解不了为什么掰开嘴之后里边只剩下了一种食物，但“量子霸权”就是这么回事。
谷歌针对某个问题，弄出了这么一台量子计算机。然后证明了在这个问题上最厉害的超算都算不过量子计算机。
不过天见可怜，估计评述的作者也想不到，他只是想感慨量子计算机的算力优势，没想到这个单词在中国朋友这还有这么复杂的意思。
其实让托尼来形容，估计也想不出啥准确的词，或许可以叫 “ 量子牛逼 ” ？
至于它的算力有多强，给大家举个栗子。
0 就像硬币的正面， 1 就像硬币的反面，传统计算机里面，每次抛硬币要么是正面要么是反面。
如果扔两枚硬币，传统计算机要像小孩子一样，同一时刻只能在正正、正反、反正、反反这四种状态中选一种。而量子不做选择，所有状态同时全都要。
可能差友对这种近乎耍赖的行为没什么概念，那我们再换颗实际点的栗子。
大家说好去找万匹丝，路飞坐船从东海出发，你鸣人却用多重影分身分头找。还敢说你鸣本开没开挂！
虽说不管多么复杂的算法，通过不断重复的计算都能得到答案，但是有些问题算起来就是成千上万年，得到答案的时候可能早都不需要了。
为什么现在的人工智能更像个人工智障，为什么人类迟迟破了不了基因的秘密，为什么邮递员的最短路线算不出来。。。 还不是因为算不过来 ！
但这些为什么大部分都会在量子计算下被摧枯拉朽地解决。
毫无疑问，现在的密码对上量子计算机的下场只有一个， 输的连裤衩都不剩 。
传统加密方式在挂壁面前毫无意义，个人的、银行的、机关的，就连区块链的秘钥被试出来也就是分分钟的事。。。
现有的加密算法
不过这是“ 现在 ”的密码系统对比有了完善算法的“完全体”量子计算机的情况， 现在真正意义上的量子计算机还没影呢 。
2000 年时 IBM 首席科学家迪文森佐提出了量子计算机应该满足的五条标准， 可现在还没谁能全部达标（ 包括谷歌这次 ） ，谷歌这次的算法和密码破解也没一毛钱关系。
算力会进步，加密方式也在变强。
512 位的 RSA 加密算法在 1999 年就被破解了。
768 位的 RSA 加密算法也只撑了 10 年 。
虽然目前广泛采用的 RSA 1024 还好好的，但居安思危，早有人提议启用 RSA 2048 ，甚至是 RSA 4096 。
就连数字证书中常用的 SHA-1 算法，在 2017 年也被谷歌破解。
但，目前为止也没见哪个国家的核弹密匙被盗用。
退一万步 ，量子计算的对手也该是同样开挂的量子加密。
就像矛和盾，铁矛刺穿木盾当然毫不费力，但因此就说矛比盾强，边上的铁盾肯定不乐意。
道理是这么个道理，不过大家肯定还关心： 咱们国家有铁盾了没，厚实不？
虽然量子计算方面各国还是一个你追我赶的状态，但在量子加密领域我国可以说是一骑绝尘。
早在 2016 年，我国就已经把量子卫星“ 墨子号 ”送上天，并在 2017 年通过 “ 墨子号 ” 与奥地利科学家进行了量子加密的视频通话~
除了盾硬，矛也得造。政府的大力扶持， 科技 企业的不断投入， 我国在量子计算领域也稳坐第一梯队 。
阿里巴巴达摩院 2017 年就和中科院合作成立了 “ 中科院阿里巴巴量子计算实验室 ”，与一众 科技 巨头争夺 “ 量子霸权 ”。
华为投入研究量子计算之余，也在提升行业生态和人才基数：华为云提供云量子模拟，沃土计划培养未来量子计算人才。
“ 量子霸权 ”才是个开头呢，后面的 科技 竞争还需要源源不断的人才支撑。
托尼没这么大本事弄出一大块人才成长的沃土，但有平均水准超高的差友们啊！虽说没谁看这么篇文章就要努力研究量子 科技 去，但多少能让更多人知道量子计算是怎么回事。
哪怕只有一点点， 社会 关于量子 科技 的环境都在变好。
这就值了。
北京时间10月23日晚，“自然”杂志150周年纪念版发表了一篇论文，声称谷歌已经成功地实现了“量子霸权”。这一在量子领域被评为“你好世界”的事件立即占据了主流媒体的头版，论文对“200秒内量子计算=地球上最强大的超级计算机一万年”的描述成为整个互联网的热门话题。
但随着社会各界对“研究是否标志着量子计算走向实际应用”和“将迎来下一波科技浪潮”走向不同方向，有关钱币环的讨论更加关注谷歌在突破、“量子霸权”方向上的钱币乃至区块链在金融安全领域的威胁？事实上，量子威胁，如量子计算机，颠覆所有当前的密码学和破坏密码货币有着悠久的历史。
自从比特币诞生以来，人们就多次提到和讨论比特币。2017年，量子计算机强大的计算能力将在十年内破解比特币的安全性。面对大多数市场的担忧和疑虑，多年来许多领域都给出了相关的解释。“量子霸权”的方法和对破解密码系统的恐惧并不是造币所独有的。
目前除以太方、量子链等加密货币项目侧重于量子电阻外，许多密码学和量子密码学专家在倡导尽快建立保障资金安全的问题上，据彭博科技记者威廉·图顿上月在Twitter上透露，国家安全局目前一直在致力于相关技术的研究。因此，除非量子计算的威胁突然爆发，否则比特币仍有时间应对它的到来。“比特币是活的，共识在那里，货币在那里，如果不升级，它就不会因为算法或漏洞而消失。但是量子电阻问题还没有解决。随着量子计算机的不断发展和更多量子比特芯片的到来，这将仍然是悬在密码货币头上的达摩克利斯之剑。”
光子盒研究院出品
自从去年10月23日，谷歌“利用可编程超导处理器实现量子霸权”被正式刊文介绍之后，世界都认识到了一个新名词量子霸权可以攻破区块链吗：“量子霸权”。谷歌开发出的一款54量子比特的超导量子芯片“Sycamore”，对随机量子线路采样100万次只需200秒，而目前最强的传统超级计算机Summit要得到类似的结果需要长达1万年（IBM已证明只需3天）。
再谈量子霸权
量子霸权（Quantum Supremacy），也叫“量子优势”或“量子至上”，是指量子计算机具备超越经典计算机的计算能力。量子霸权的概念由美国理论物理学家 John Preskill于2011年提出。 业界普遍认为，实现量子霸权是量子计算从理论实验走向通用的开端。
一般认为， 如果量子计算机在“某些特定问题”上的计算能力超过了传统经典计算机，那么就被认为实现了“量子霸权”。 专家估计，如果量子计算机能操控超过49个量子比特，其在某个特定问题上的计算速度就有可能超过包含超级计算机在内的任何传统计算机。
为什么谷歌那么在意自己获得了“量子霸权”？人类实现“量子霸权”究竟有多大意义？
量子霸权实验可以类比贝尔实验。贝尔实验已经无漏洞地反驳了定域隐变量模型，而量子霸权实验将驳倒“拓展的丘奇—图灵论题”，其表述为：经典计算机可以在多项式时间内有效模拟任何物理过程。“量子霸权”将提供一个令人信服的证据证明经典计算模型无法模拟纠缠，更无法获得量子计算的计算能力。
“量子霸权”对于完善基础量子理论也至关重要，因为到目前为止量子力学是唯一改变计算模型的物理理论。另一方面，实现“量子霸权”将极大增强量子霸权可以攻破区块链吗我们对实现大规模可扩展的通用量子计算机的信心。
但显然，随着量子计算的研究成果呈现显著增长，整个国际 社会 和舆论对于量子计算带来了过分的炒作，MIT的理论物理学家Seth Lloyd谈到：“整个量子计算领域现在正走向疯狂。” 量子霸权这一概念加剧了媒体与 科技 公司对量子技术的炒作，其提出者Preskill也因此开始反思这个概念是否合适。
近年来，谷歌、IBM等公司纷纷对外宣称成功开发出了大数量（50以上）量子比特的量子计算原型机。然而，实现量子计算的关键参数不仅仅是量子比特的数目，还有系统的保真度。 随着量子比特数目的增加，量子计算的保真度也会急剧的下降，这将导致错误率很迅速上升。
IBM Research部门负责人Dario Gil对外表示：“量子比特数量增加只是一个方面，控制的量子比特越多，量子比特之间纠缠的交互作用就会越复杂。如果人类拥有了更多的量子比特，但它们相互联系时会有很高的错误率，那么它们不见得比错误率较低的只有5个量子比特的机器强大。”
量子霸权的实现路径
量子霸权概念提出后，各国科学家们提出了很多种实验和理论方案。MIT的Aram Harrow等人在2017年列出五条实现量子霸权的条件：
1、首先这个计算任务必须定义明确。
2、对应该计算任务，要有一个合理的量子算法。
3、对于经典计算机可以满足的时间和空间。
4、计算复杂性理论基础假设（经典无法模拟量子的假设）成立。
5、计算结果可以得到验证。
这五个条件为量子霸权的实现指明了方向。依据这五条标准，目前业内主流的几个理论方案如下：
1、Shor算法是量子计算机最具应用前景的算法，而且其结果很容易被证实，理应是实现“量子霸权”的一个最优选项。但是，到目前为止最好的估计告诉量子霸权可以攻破区块链吗我们，如果想要分解一个2048位的大整数，需要数千个纠缠的量子比特，对于目前的技术来说，这很难在一个较短的时间内实现。
2、“玻色采样”方案是有较强的计算复杂性理论支撑，但是物理实现并不明确量子霸权可以攻破区块链吗；玻色采样的理论方案最早由MIT的理论计算机科学家Scott Aaronson等人在2011年提出。玻色采样是指对从一个复杂干涉网络输出的玻色子的态空间进行采样，类似于经典世界的高尔顿板。玻色采样所需的物理资源仅仅是不可识别的玻色子(光子)，线性演化以及测量。其中玻色子类似于高尔顿钉板中的小球，线性演化类似于小球经过钉板的 过程。但是以光量子计算方案为基础的玻色采样面临光子制备和探测效率低的实验技术难题。不过，最新实验研究表明玻色采样即将逼近“量子霸权”，中国 科技 大学潘建伟团队利用自主研发的高品质单光子源，实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色采样量子计算，美国物理学会Physics网站以“玻色采样量子计算逼近里程碑”为题对该成果做了精选报道。
3、谷歌主导的随机线路采样方案，是短期内物理实现较容易，但是理论证明并不明确。该方案得益于高品质超导量子比特的快速发展。随机线路采样是对随机量子线路的输出分布进行采样。谷歌去年利用Sycamore的53个量子比特的可编程超导量子处理器实现了“量子霸权”。不过这个结果很快遭到IBM研究人员的质疑，并且很快在预印网站arxiv上刊出了他们的成果，文章中指出，利用他们的方法，经典超级计算机可以在2.5天内以更高的保真度完成相同的计算任务。那么按照这个结果，我们距离“量子霸权”还很远。
量子霸权有点玄
实际上，IBM并不提倡使用“量子霸权”这一概念，他们认为“量子霸权”更像是谷歌公司炒作自身的工具。 因此，更可靠的说法应该是，未来的很长时间内，经典计算机和量子计算机将会共存，各自负责不同的计算领域，今后的计算机极有可能同时包含经典和量子两部分，各自处理自身优势的计算任务。
目前距离实用的量子计算机还有很长的路要走，一方面，实验量子计算还存在很多不可逾越的技术障碍，目前的实验系统，普遍面临纠缠量子比特数少、相干时间短、出错率高等诸多挑战；另一方面，量子计算相对于经典计算机的优势还有待进一步确认。
Uhlig表示，量子计算虽然被人类给予了厚望，但是其能否取代经典计算机，现在下结论还为时过早。目前来讲，经典无法有效模拟量子系统这一描述仅仅是学界的共识，并没有完全证明。
量子计算的计算模型和思路同样可以应用到经典计算中，经典计算的计算能力还有待进一步开发，研究者们对于经典计算仍然充满期待。虽然谷歌宣布实现了“量子霸权”，但是这样的“量子霸权”可能只是暂时的，不排除会有加速经典算法的出现。
来自美国得克萨斯大学奥斯汀分校的18岁华裔少女Ewin Tang， 在其本科毕业设计中提出了一个可以媲美量子算法的经典算法。 从2017年秋天开始，她在Scott Aaronson指导下，试图证明经典算法无法提供量子算法这样的加速。
但是经过几个月的努力，Ewin并没有找到相关证据，相反，她开始考虑是否确实存在这样的经典算法。最终，Ewin发现KP算法利用了量子相位估计，而对于经典算法可以不需要相位估计，通过用户偏好矩阵的一个微小子矩阵的随机采样就可以实现类似的加速效应。
随后Ewin参加了在伯克利举行的一个量子计算会议，将自己的成果向在座专家（其中包括KP算法的提出者）进行了汇报，经过近四个小时的讨论，与会专家一致认为Ewin的经典算法是正确的。
通用量子计算机还有多远？
2019年9月，新兴量子技术国际大会的白皮书将面向规模化、实用化方向演进的量子计算的研究路线概括为：
第一阶段是实现量子霸权，量子计算模拟机具备针对特定问题超越传统超级计算机的计算能力，其中第一阶段又可以分出两个阶段，分别为量子霸权阶段和NISQ（含噪声的中型量子）阶段，NISQ时代是量子霸权的第二阶段，具备50-100个量子比特的量子计算机将研发出来，可以执行超越当前经典计算机能力范围的任务，使用含噪声的中型量子技术的设备将成为 探索 多体量子物理学的有用工具；
第二阶段是实现具有应用价值的专用量子计算模拟系统，并在组合优化、机器学习、量子化学等方面发挥巨大作用。面向具体领域的专用型量子计算机有望率先成熟并获得应用落地，实现几百个量子比特的操控，研制专用的量子模拟机用于高温超导机制、特殊材料设计等目前经典计算机无法完成的工作；
第三阶段是实现可编程的通用量子计算机，并在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥重要作用。通用量子计算机通过把物理量子比特编码成逻辑量子比特，实现可编程通用的量子急速三级，最终在大数据处理、人工智能、密码破译等领域产生颠覆性影响。
从上可见，量子计算机的发展过程还很漫长，距离真正可商业化还有很长的距离，量子计算商用化目前面临的挑战主要有：
1、量子位是否可以实现规模化扩展，这在理论研究和工程建设两个层面都是重要挑战，量子位规模化扩展势在 行，现在虽然只是几十个量子位，未来要解决几十万甚至上百万量子位的问题，量子计算商用化的成功与否的决定性前提；
2、学界和工业界目前都在开发各种固态量子系处理器，技术路线无统一定论，商用层面的通用量子计算技术的统一标准更无从谈起；要谈量子计算的商业应用，必须要配备严格的环境控制，例如需要构建严格而稳定的低温环境，才能保障大量量子位稳定运行；软件堆栈的演化面临巨大挑战，既需要能够将算法投射到问题本身，又最终可以让高稳定性和可靠性的量子系统在真实应用场景中解决问题。
量子计算机从理论上来说，完全可以实现。但要真正把他做出来，在实现上有很多技术和工程的难题，比如，量子相干性的保持、量子比特的操控和集成之间的平衡问题、量子测控系统和量子芯片的互联和自适应问题、量子比特的纠错与容错，以及更多量子算法和量子软件的开发问题等。
这些问题很多都是基础工艺和工程问题，还有材料和基础化学问题，短时间难以克服，需要一点点推进。
-End-
1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。
摘要：在位于纽约市以北约50英里处僻静乡村中的一个小型实验室内，天花板下缠绕着错综复杂的管线和电子设备。这一堆看似杂乱无章的设备是一台计算机。它与世界上的任何一台计算机都有所不同，而是一个即将开创历史的里程碑式设备---量子计算机。
2017年5月3日，科技界的一则重磅消息：世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生。这个“世界首台”是货真价实的“中国造”，属中国科学技术大学潘建伟教授及其同事等，联合浙江大学王浩华教授研究组攻关突破的成果。
如果现在传统计算机的速度是自行车，量子计算机的速度就好比飞机。在过去的几个月里，IBM和英特尔已经宣布他们已经分别制造了50和49个量子比特的量子计算机。有专家指出，在十年之内，量子计算机的计算能力就可能赶超当前的超级计算机。
2018年3月5日在洛杉矶举行的美国物理学年会上，谷歌量子AI实验室研究科学家Julian Kelly报告了，带领谷歌团队正测试一台72量子比特通用量子计算机。然而，这还是仅仅是72量子比特而已。按照这个速度发展下去，很快量子计算机的神通，将强劲得让人恐惧。
那么，为什么说量子计算机可轻易破解比特币，究竟怎么回事？
要破解现在常用的一个RSA密码系统，用当前最大、最好超级计算机需要花60万年，但用一个有相当储存功能的量子计算机，则只需花上不到3个小时！也就是说，从电子计算机飞跃到量子计算机，整个人类计算能力、处理大数据的能力，就将出现上千上万乃至上亿次的提升。在量子计算机面前，我们曾经引以为豪的传统电子计算机，就相当于以前的算盘，显得笨重又古老！
虽然比特币协议使用的是不对称的加密货币，用相应的公钥验证私钥签署的交易，以确保比特币只能被合法所有人使用。使用当前可用计算机强制私钥与公钥保持一致不可行，但量子计算机却可以解决不对称加密货币的问题。
另外，比特币的规定是处理得更多的那个区块加入区块链，另一个区块则作废。举个例子，这就像于在一个账簿里有51个人说你在银行存了100块钱，而49个人说你存了50块钱，这种情况下，区块链算法少数服从多数，银行认为你存了100块钱是真，存了50块钱是假。所以一旦一位矿工拥有51%的算力，其他后续矿工将无法继续获得比特币。
Andersen Cheng，英国一家网络安全公司的联合创始人，他表示在量子计算机投入使用的那一天，比特币就会终结。你觉得呢？
强大量子霸权可以攻破区块链吗的量子计算机可以破解加密并解决经典机器无法解决的问题。虽然目前还没有人成功制造出这样的设备，但最近我们看到量子霸权可以攻破区块链吗了进步的步伐——那么，会是新的一年吗？目前，注意力集中在一个被称为量子霸权的重要里程碑上：在合理的时间范围内，量子计算机能够完成经典计算机无法完成的计算。
谷歌在2019年首次使用具有 54 个量子位（常规计算位的量子等价物）的设备来执行称为随机抽样计算的基本上无用的计算，从而实现量子霸权可以攻破区块链吗了这一目标。2021 年，中国科学技术大学的一个团队使用 56 个量子比特解决了一个更复杂的采样问题，后来又用 60 个量子比特将其推得更远。
但IBM 的Bob Sutor表示，这种跨越式 游戏 是一项尚未产生真正影响的学术成就。只有当量子计算机明显优于经典计算机并且能够解决不同问题时，才能实现真正的霸权，而不是目前用作基准的随机抽样计算。
他说，IBM 正在努力实现“量子商业优势”——在这一点上，量子计算机可以比传统计算机更快地为研究人员或公司解决真正有用的问题。Sutor说，这还没有到来，也不会在新的一年到来，但可以预期在十年内。
量子软件公司Classiq的联合创始人Nir Minerbi则更为乐观。他认为，新的一年将在一个有用的问题中展示量子霸权。
还记得第一辆电动 汽车 问世的时候吗？它们对于开车去杂货店很有用，但也许不适合开车300公里送孩子上大学。就像电动 汽车 一样，量子计算机会随着时间的推移变得越来越好，使其在更广泛的应用中发挥作用。
解决实际问题存在许多障碍。首先是设备需要数千个量子比特才能做到这一点，而且这些量子比特也必须比现有的更稳定和可靠。研究人员很可能需要将它们分组在一起，以作为单个“逻辑量子比特”工作。这有助于提高保真度，但会削弱规模的改进：数千个逻辑量子位可能需要数百万个物理量子位。
随着时间的推移，量子计算机会变得更好，在一系列应用中变得有用
研究人员还致力于量子纠错，以在出现故障时对其进行修复。谷歌在2021年7月宣布，其Sycamore处理器能够检测并修复其超导量子比特中的错误，但执行此操作所需的额外硬件引入的错误多于修复的错误。马里兰州联合量子研究所的研究人员后来设法用他们捕获的离子量子比特通过了这个关键的收支平衡阈值。
即便如此，现在还为时过早。如果通用量子计算机在新的一年解决了一个有用的问题，那将是“相当令人震惊的”。在任意时间内保护单个编码的量子位，更不用说对数千或数百万个编码的量子位进行计算了。
量子计算机需要多大才能破解比特币加密或模拟分子？
预计量子计算机将具有颠覆性，并可能影响许多行业领域。因此，英国和荷兰的研究人员决定 探索 两个截然不同的量子问题：破解比特币（一种数字货币）的加密以及模拟负责生物固氮的分子。研究人员描述了他们创建的一种工具，用于确定解决此类问题需要多大的量子计算机以及需要多长时间。
这一领域的大部分现有工作都集中在特定的硬件平台、超导设备上，就像 IBM 和谷歌正在努力开发的那样。不同的硬件平台在关键硬件规格上会有很大差异，例如运算速率和对量子比特（量子比特）的控制质量。许多最有前途的量子优势用例将需要纠错量子计算机。纠错可以通过补偿量子计算机内部的固有错误来运行更长的算法，但它是以更多物理量子比特为代价的。从空气中提取氮来制造用于肥料的氨是非常耗能的，改进这一过程可能会影响世界粮食短缺和气候危机。相关分子的模拟目前甚至超出了世界上最快的超级计算机的能力，但应该在下一代量子计算机的范围内。
我们的工具根据关键硬件规格自动计算纠错开销。为了让量子算法运行得更快，我们可以通过添加更多物理量子位来并行执行更多操作。我们根据需要引入额外的量子位以达到所需的运行时间，这严重依赖于物理硬件级别的操作速率。大多数量子计算硬件平台都是有限的，因为只有彼此相邻的量子位才能直接交互。在其他平台中，例如一些捕获离子的设计，量子位不在固定位置，而是可以物理移动——这意味着每个量子位可以直接与大量其他量子位相互作用。
我们 探索 了如何最好地利用这种连接遥远量子位的能力，目的是用更少的量子位在更短的时间内解决问题。我们必须继续调整纠错策略以利用底层硬件的优势，这可能使我们能够使用比以前假设的更小的量子计算机来解决影响深远的问题。
量子计算机在破解许多加密技术方面比经典计算机更强大。世界上大多数安全通信设备都使用 RSA 加密。RSA 加密和比特币使用的一种（椭圆曲线数字签名算法）有一天会容易受到量子计算攻击，但今天，即使是最大的超级计算机也永远不会构成严重威胁。研究人员估计，一台量子计算机需要的大小才能在它实际上会构成威胁的一小段时间内破解比特币网络的加密——在它宣布和集成到区块链之间。交易支付的费用越高，这个窗口就越短，但可能从几分钟到几小时不等。
当今最先进的量子计算机只有50-100个量子比特。“我们估计需要30[百万] 到3亿物理量子比特，这表明比特币目前应该被认为是安全的，不会受到量子攻击，但这种尺寸的设备通常被认为是可以实现的，未来的进步可能会进一步降低要求。比特币网络可以对量子安全加密技术执行‘硬分叉’，但这可能会由于内存需求增加而导致网络扩展问题。
研究人员强调了量子算法和纠错协议的改进速度。四年前，我们估计捕获离子设备需要 10 亿个物理量子比特才能破解 RSA 加密，这需要一个面积为 100 x 100 平方米的设备。现在，随着全面改进，这可能会显着减少到仅仅 2.5 x 2.5 平方米的面积。大规模纠错量子计算机应该能够解决经典计算机无法解决的重要问题。模拟分子可应用于能源效率、电池、改进的催化剂、新材料和新药的开发。进一步的应用程序全面存在——包括金融、大数据分析、飞机设计的流体流动和物流优化。
什么是量子启示录？
想象一个加密的秘密文件突然被破解的世界——这就是所谓的“量子启示录”。简而言之，量子计算机的工作方式与上个世纪开发的计算机完全不同。从理论上讲，它们最终可能会比今天的机器快很多很多倍。这意味着面对一个极其复杂和耗时的问题——比如试图解密数据——其中有数十亿的多个排列，如果有的话，一台普通的计算机需要很多年才能破解这些加密。但理论上，未来的量子计算机可以在几秒钟内完成这项工作。这样的计算机可以为人类解决各种问题。英国政府正在牛津郡哈威尔投资国家量子计算中心，希望彻底改变该领域的研究。
一种用于量子计算的新语言
Twist是麻省理工学院开发的一种编程语言，可以描述和验证哪些数据被纠缠在一起，以防止量子程序中的错误。时间结晶、微波炉、钻石，这三个不同的东西有什么共同点？量子计算。与使用比特的传统计算机不同，量子计算机使用量子比特将信息编码为0或1，或两者同时编码。再加上来自量子物理学的各种力量，这些冰箱大小的机器可以处理大量信息——但它们远非完美无缺。就像我们的普通计算机一样，我们需要有正确的编程语言才能在量子计算机上正确计算。
对量子计算机进行编程需要了解一种叫做“纠缠”的东西，这是一种用于各种量子比特的计算机，它可以转化为强大的能量。当两个量子位纠缠在一起时，一个量子位上的动作可以改变另一个量子位的值，即使它们在物理上是分开的，这引起了爱因斯坦对“远距离幽灵动作”的描述。但这种效力同样是弱点的来源。在编程时，丢弃一个量子位而不注意它与另一个量子位的纠缠会破坏另一个量子位中存储的数据，从而危及程序的正确性。
麻省理工学院计算机科学与人工智能 (CSAIL) 科学家旨在通过创建自己的量子计算编程语言 Twist 来解开谜团。Twist 可以通过经典程序员可以理解的语言来描述和验证量子程序中纠缠了哪些数据。该语言使用一个称为纯度的概念，它强制不存在纠缠并产生更直观的程序，理想情况下错误更少。例如，程序员可以使用 Twist 表示程序作为垃圾生成的临时数据不会与程序的答案纠缠在一起，从而可以安全地丢弃。
虽然新兴领域可能会让人感觉有点浮华和未来感，但脑海中浮现出巨大的金属机器的图像，但量子计算机具有在经典无法解决的任务中实现计算突破的潜力，例如密码学和通信协议、搜索以及计算物理和化学。计算科学的主要挑战之一是处理问题的复杂性和所需的计算量。经典的数字计算机需要非常大的指数位数才能处理这样的模拟，而量子计算机可能会使用非常少量的量子位来做到这一点——如果那里有正确的程序。 “我们的语言 Twist 允许开发人员通过明确说明何时不得与另一个量子位纠缠来编写更安全的量子程序，”麻省理工学院电气工程和计算机科学博士生、有关 Twist的新论文的主要作者 Charles Yuan 说. “因为理解量子程序需要理解纠缠，我们希望 Twist 为开发语言铺平道路，让程序员更容易应对量子计算的独特挑战。”
解开量子纠缠
想象一个木箱，它的一侧伸出一千根电缆。您可以将任何电缆从包装盒中拉出，也可以将其完全推入。
在你这样做一段时间后，电缆会形成一个位模式——零和一——取决于它们是在里面还是在外面。这个盒子代表了经典计算机的内存。该计算机的程序是关于何时以及如何拉电缆的一系列指令。
现在想象第二个外观相同的盒子。这一次，你拉一根电缆，看到它出现时，其他几根电缆被拉回了里面。显然，在盒子内部，这些电缆不知何故相互缠绕。
第二个框是量子计算机的类比，理解量子程序的含义需要理解其数据中存在的纠缠。但是检测纠缠并不简单。你看不到木箱，所以你能做的最好的就是尝试拉动电缆并仔细推理哪些是纠缠的。同样，今天的量子程序员不得不用手推理纠缠。这就是 Twist 的设计有助于按摩其中一些交错的部分。
科学家们设计的Twist具有足够的表现力，可以为著名的量子算法编写程序并识别其实现中的错误。为了评估Twist的设计，他们对程序进行了修改，以引入某种对于人类程序员来说相对不易察觉的错误，并表明Twist可以自动识别错误并拒绝程序。
他们还测量了程序在运行时方面的实际执行情况，与现有的量子编程技术相比，它的开销不到4%。
对于那些担心量子在破解加密系统方面的“肮脏”名声的人来说，Yuan 表示，目前还不清楚量子计算机在实践中能够在多大程度上实现其性能承诺。“在后量子密码学方面正在进行大量研究，这些研究之所以存在，是因为即使是量子计算也不是万能的。到目前为止，有一组非常具体的应用程序，人们在这些应用程序中开发了量子计算机可以超越经典计算机的算法和技术。”
重要的下一步是使用Twist创建更高级别的量子编程语言。今天的大多数量子编程语言仍然类似于汇编语言，将低级操作串在一起，没有注意数据类型和函数等东西，以及经典软件工程中的典型内容。
量子计算机容易出错且难以编程。通过引入和推理程序代码的“纯度”，Twist 通过保证一段纯代码中的量子位不会被不在该代码中的位更改，朝着简化量子编程迈出了一大步。 这项工作得到了麻省理工学院-IBM 沃森人工智能实验室、国家科学基金会和海军研究办公室的部分支持。
【注释. 量子计算机】
量子计算机是一种直接利用量子力学现象（如叠加和纠缠）对数据进行运算的计算设备。量子计算背后的基本原理是量子属性可以用来表示数据并对这些数据执行操作。
尽管量子计算仍处于起步阶段，但已经进行了一些实验，在这些实验中，量子计算操作是在非常少量的量子比特（量子二进制数字）上执行的。实践和理论研究都在继续进行，许多国家政府和军事资助机构支持量子计算研究，以开发用于民用和国家安全目的的量子计算机，例如密码分析。
如果可以建造大规模的量子计算机，它们将能够比我们目前的任何经典计算机（例如 Shor 算法）更快地解决某些问题。量子计算机不同于DNA计算机和基于晶体管的传统计算机等其他计算机。一些计算架构（例如光学计算机）可能会使用经典的电磁波叠加。如果没有一些特定的量子力学资源，例如纠缠，推测不可能超过经典计算机的指数优势。
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