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量子計算的挑戰、趨勢與未來

2023-02-10 12:01:03 EETOP

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來源：EETOP編譯自semiwiki

量子計算是一個專注于開發基于量子理論原理的計算機技術的研究領域。數百億的公共和私人資本正在投資量子技術。世界各國都已經意識到，量子技術可以成為現有業務的主要顛覆者。

經典計算和量子計算的比較

經典計算在其最終層面上依賴于布爾代數表達的原則。數據必須在任何時間點或我們所說的位中以排他性的二進制狀態進行處理。雖然每個晶體管或電容器在切換狀態之前需要處于 0 或 1 的時間現在可以縮短到以十億分之一秒為單位測量，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應用的閾值。除此之外，量子世界接管了量子計算機，可以使用許多元素粒子，例如電子或光子，它們的電荷或偏振充當0和/或1的表示。這些粒子中的每一個都被稱為量子比特或量子比特，這些粒子的性質和行為構成了量子計算的基礎[2]。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離子、超導環、量子點或鉆石中的空位 [1]。

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適用門檻。在量子計算機中，一些元素粒子，如電子或光子，可以用它們的電荷或偏振作為0與/或1的表示。這些粒子中的每一個都被稱為量子比特，或量子位，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件，而量子計算機可能使用離子阱（trapped ions）、超導回路(superconducting loops)、量子點（quantum dot）或鉆石中的空位。

量子計算的挑戰

構建可擴展且穩定的量子硬件：量子計算的主要挑戰之一是構建一種可以處理大量量子比特同時保持穩定性和一致性的設備。
處理量子系統中的噪聲和錯誤：量子系統對噪聲和錯誤高度敏感，這可能會破壞計算并導致結果不準確。
為量子計算開發高效的算法：隨著量子計算機功能的擴展，對可以利用量子系統獨特屬性的新算法的需求也在增加。
實施糾錯和減錯方法：糾錯和減錯對于構建有用的量子計算機至關重要，但用于實現這一目標的方法仍處于開發的早期階段。
設計和實現量子通信和組網：量子通信和組網技術，如量子密鑰分發和量子隱形傳態，仍處于發展的早期階段，在大規模實施之前還有許多挑戰需要克服。
解決缺乏熟練專業人員的問題：量子計算領域相對較新，缺乏具有使用量子設備和軟件的必要技能和知識的專業人員。
解決量子技術與經典技術集成不足的問題：將量子技術與現有經典技術無縫集成仍然是一個挑戰，使得量子計算難以用于實際應用。
為量子計算開發強大的軟件和編程語言：目前可用于量子計算的軟件和編程語言有限，這些仍處于開發的早期階段。
解決缺乏標準化的問題：目前量子計算領域缺乏標準化，這導致難以比較不同的設備和技術。
解決量子計算的成本效益問題：構建和運行量子計算機仍然非常昂貴，這是廣泛采用量子計算的主要障礙。

量子計算的趨勢

增加量子設備中的量子比特計數和相干時間(Coherence Times)：量子計算機中的量子比特（量子比特）數量是衡量其性能的重要指標。隨著量子比特數量的增加，設備的計算能力也會增加。相干時間是指量子比特在退相干之前可以保持其量子態多長時間，而更長的相干時間可以實現更復雜的計算。
開發新的量子算法和優化技術：隨著量子計算機功能的擴展，新算法和技術的開發也在擴展，以利用量子計算的獨特屬性。其中包括量子機器學習、量子糾錯和量子優化算法。
量子啟發（quantum-inspired）的經典算法和硬件的出現：研究人員正在研究量子系統的特性，以開發新的經典算法和硬件，模仿量子計算的一些優勢。
行業和政府對量子計算的興趣和投資日益濃厚：隨著量子計算的潛在應用變得更加明顯，行業和政府對該領域的興趣和投資也在增加。
量子研究機構和公司之間的協作和資源共享增加：隨著量子計算變得越來越重要，量子研究機構和公司之間的協作和資源共享越來越多。
量子機器學習和量子人工智能的使用：研究人員正在探索使用量子計算來開發新的機器學習和人工智能算法，以利用量子系統的獨特屬性。
量子云服務的興起：隨著量子比特數量和相干時間的增加，許多公司現在都為用戶提供量子云服務，這使他們能夠訪問量子計算的強大功能，而無需構建自己的量子計算機。
量子糾錯的進步：為了使量子計算機實用，有必要擁有量子糾錯技術，以盡量減少計算過程中發生的誤差。正在開發許多新技術來實現這一目標。