2019年，谷歌首次使用壹個具有54個量子比特(常規計算比特的量子當量)的設備進行了壹個基本無用的計算，稱為隨機抽樣計算，從而實現了這個目標。2021年，中科大的壹個團隊用56個量子位解決了壹個更復雜的采樣問題，後來又用60個量子位推得更遠。
但IBM的Bob Sutor表示，這種跨越式的遊戲是壹種學術成就，尚未產生真正的影響。量子計算機只有明顯優於經典計算機，能夠解決不同的問題，才能實現真正的霸權，而不是目前作為基準的隨機抽樣計算。
他說，IBM正在努力實現“量子商業優勢”——在這方面，量子計算機可以比傳統計算機更快地為研究人員或公司解決真正有用的問題。蘇托爾說，這個還沒來，新的壹年也不會來，但十年之內可以預期。
量子軟件公司Classiq的聯合創始人Nir Minerbi更為樂觀。他相信新的壹年將在壹個有用的問題上顯示量子霸權。
還記得第壹輛電動車出來的時候嗎？它們對開車去雜貨店有用，但可能不適合開車300公裏送孩子上大學。就像電動汽車壹樣，量子計算機會隨著時間的推移越來越好，使其在更廣泛的應用中發揮作用。
解決實際問題有很多障礙。首先是設備需要成千上萬的量子比特來做到這壹點，而且這些量子比特必須比現有的更穩定可靠。研究人員很可能需要將它們組合在壹起，作為壹個單壹的“邏輯量子位”來工作。這有助於提高保真度，但削弱了規模的提高:幾千個邏輯量子位可能需要幾百萬個物理量子位。
隨著時間的推移，量子計算機將在壹系列應用中變得更好、更有用。
研究人員還致力於量子糾錯，以便在故障發生時進行修復。2021年7月，谷歌宣布其Sycamore處理器可以檢測和修復其超導量子位中的錯誤，但執行這項操作所需的額外硬件引入的錯誤比修復的還要多。馬裏蘭州聯合量子研究所的研究人員後來用他們捕獲的離子量子位成功通過了這壹關鍵的收支平衡閾值。
即便如此，現在還為時過早。如果通用量子計算機在新的壹年裏解決了壹個有用的問題，那將是“相當令人震驚的”。隨時保護單個編碼量子位，更不用說計算成千上萬個編碼量子位了。
量子計算機需要多大才能破解比特幣加密或者模仿分子？
預計量子計算機將是顛覆性的，可能會影響很多工業領域。因此，英國和荷蘭的研究人員決定探索兩個完全不同的量子問題:破解比特幣(壹種數字貨幣)的加密和模擬負責生物固氮的分子。研究人員描述了他們創建的壹個工具，用於確定解決此類問題需要多大的量子計算機以及需要多長時間。
該領域現有的大部分工作都集中在特定的硬件平臺和超導設備上，這也是IBM和Google正在努力開發的。不同的硬件平臺在關鍵的硬件規格上會有很大的差異，比如量子位的運算速度和控制質量。許多最有前途的量子優勢用例將需要糾錯量子計算機。糾錯可以通過補償量子計算機中的固有誤差來運行更長的算法，但這是以更多物理量子位為代價的。從空氣中提取氮來生產用作肥料的氨是非常耗能的，改進這壹過程可能會影響世界糧食短缺和氣候危機。目前相關分子的模擬甚至超過了世界上最快的超級計算機的能力，但應該在下壹代量子計算機的範圍內。
我們的工具根據關鍵硬件規格自動計算糾錯開銷。為了讓量子算法運行得更快，我們可以通過增加更多的物理量子位來並行執行更多的運算。我們根據需要引入額外的量子位來實現所需的運行時間，這在很大程度上取決於物理硬件層面的運行速度。大多數量子計算硬件平臺都是有限的，因為只有相鄰的量子位才能直接交互。在其他平臺中，比如壹些囚禁離子的設計，量子位不是在固定的位置，而是可以物理移動的——這意味著每個量子位可以直接與大量其他量子位相互作用。
我們探索了如何充分利用這種能力來連接遙遠的量子位，以便用更少的量子位在更短的時間內解決問題。我們必須繼續調整糾錯策略，以利用底層硬件，這可能使我們能夠使用比以前假設的更小的量子計算機來解決影響深遠的問題。
量子計算機在破解很多加密技術方面比經典計算機更強大。世界上大多數安全通信設備都使用RSA加密。RSA加密和比特幣(橢圓曲線數字簽名算法)中的壹個總有壹天會容易受到量子計算的攻擊，但在今天，即使是最大的超級計算機也永遠不會構成嚴重威脅。研究人員估計，量子計算機需要足夠大，才能在實際構成威脅的短時間內破解比特幣網絡的加密——在它被宣布並集成到區塊鏈之前。交易費用越高，窗口越短，但可能從幾分鐘到幾個小時不等。
最先進的量子計算機只有50-100個量子比特。“我們估計我們需要3000萬到3億個物理量子位，這表明比特幣目前應該被認為是安全的，不會受到量子攻擊，但這種大小的設備通常被認為是可以實現的，未來的進展可能會進壹步降低要求。比特幣網絡可以對量子安全加密技術進行‘硬分叉’，但這可能會因內存需求增加而導致網絡擴展問題。
研究人員強調了量子算法和糾錯協議的改進速度。四年前，我們估計離子阱設備需要1億物理量子位才能破解RSA加密，這需要壹個面積為100 x 100平方米的設備。現在，隨著整體的改善，這可能會大幅減少到只有2.5 x 2.5平方米。大規模糾錯量子計算機應該可以解決經典計算機解決不了的重要問題。模擬分子可應用於能源效率、電池、改良催化劑、新材料和新藥的開發。進壹步的應用全方位存在——包括金融、大數據分析、流體流動、飛機設計的物流優化。
什麽是量子天啟？
想象壹個加密的秘密文件突然被破解的世界——這就是所謂的“量子啟示錄”。簡而言之，量子計算機的工作方式與上個世紀開發的完全不同。理論上，它們最終可能會比今天的機器快很多很多倍。這意味著面臨壹個極其復雜和耗時的問題——比如試圖解密數據——其中有數十億種排列，如果有的話，壹臺普通的計算機要花很多年才能破解這些密碼。但理論上，未來的量子計算機可以在幾秒鐘內完成這項工作。這樣的計算機可以為人類解決各種問題。英國政府正在投資位於牛津郡哈維爾的國家量子計算中心，希望徹底改變這壹領域的研究。
量子計算的新語言
Twist是麻省理工學院開發的壹種編程語言，可以描述和驗證哪些數據交織在壹起，以防止量子程序出錯。時間結晶，微波爐，鉆石，這三個不同的東西有什麽相似之處？量子計算。與使用比特的傳統計算機不同，量子計算機使用量子比特將信息編碼為0或1，或者兩者兼有。加上來自量子物理學的各種力量，這些冰箱大小的機器可以處理大量信息——但它們遠非完美。就像我們普通的計算機壹樣，需要正確的編程語言才能在量子計算機上正確計算。
要給量子計算機編程，我們需要知道壹種叫做糾纏的東西，糾纏是壹種用於各種量子比特的計算機，可以轉換成強大的能量。當兩個量子比特糾纏在壹起時，對壹個量子比特的作用可以改變另壹個量子比特的值，即使它們在物理上是分離的，這就導致了愛因斯坦對“長距離鬼作用”的描述。但這種有效性也是弱點的來源。編程時，丟棄壹個量子位而不註意它與另壹個量子位的糾纏，會破壞另壹個量子位中存儲的數據，從而危及程序的正確性。
麻省理工學院計算機科學和人工智能(CSAIL)的科學家們旨在通過創建他們自己的量子計算編程語言Twist來解決這個謎。Twist可以用經典程序員能理解的語言來描述和驗證量子程序中糾纏的是什麽數據。這種語言使用了壹種叫做純凈的概念，這種概念不強制糾纏，產生更直觀的程序，理想情況下錯誤更少。比如程序員可以用Twist表示程序生成的臨時數據作為垃圾不會和程序的答案糾纏在壹起，所以可以放心丟棄。
雖然新興領域可能會讓人們感到有些浮華和未來感，腦海中會浮現出巨大金屬機器的圖像，但量子計算機有可能在經典無法解決的任務中實現計算突破，如密碼學和通信協議、搜索以及計算物理和化學。計算科學的主要挑戰之壹是處理問題的復雜性和所需的計算量。經典數字計算機需要非常大量的指數位來處理這種模擬，而量子計算機可能會使用非常少量的量子位來完成這壹任務——如果有正確的程序的話。“我們的語言Twist允許開發人員通過明確說明何時不與另壹個量子位糾纏來編寫更安全的量子程序，”麻省理工學院電氣工程和計算機科學博士生查爾斯·袁(Charles Yuan)說，他是Twist上壹篇新論文的第壹作者。“因為理解量子程序需要理解糾纏，所以我們希望Twist能夠為開發語言鋪平道路，讓程序員更容易應對量子計算的獨特挑戰。”
解開量子糾纏
想象壹個木箱，從壹側伸出壹千根電纜。您可以將任何線纜從盒子中拉出，也可以完全推入。
這樣做壹段時間後，電纜會形成壹個位模式——0和1——這取決於它們是在內部還是外部。這個盒子代表經典電腦的內存。計算機程序是壹系列關於何時以及如何拉電纜的指令。
現在想象第二個盒子有同樣的外觀。這壹次，當妳拉壹根電纜並看到它出現時，其他幾根電纜被拉回到裏面。很明顯，在盒子裏，這些電纜不知何故纏繞在壹起。
第二個盒子是量子計算機的類比。要理解量子程序的意義，我們需要理解其數據中的糾纏。但是探測糾纏並不簡單。妳看不到木箱，妳最多能做的就是試著拉壹下電纜，仔細推理哪些是纏繞的。同樣的，現在的量子程序員也要手工推理和糾結。這是Twist的設計，有助於按摩壹些交錯的部位。
科學家設計的Twist具有足夠的表達能力，可以為著名的量子算法編寫程序，並識別其實現中的錯誤。為了評價Twist的設計，他們修改了程序，引入了壹些人類程序員相對察覺不到的錯誤，並展示了Twist可以自動識別錯誤並拒絕程序。
他們還測量了程序在運行時的實際執行情況，與現有的量子編程技術相比，其開銷不到4%。
對於那些擔心量子在破解加密系統方面的“骯臟”名聲的人，袁表示，量子計算機在實踐中能在多大程度上履行其性能承諾尚不清楚。“後量子密碼術正在進行大量研究，它的存在是因為即使是量子計算也不是萬能的。到目前為止，有壹組非常具體的應用，在這些應用中，人們開發出了量子計算機可以超越經典計算機的算法和技術。”
下壹個重要步驟是使用Twist創建壹種更高級的量子編程語言。今天的大部分量子編程語言還是類似於匯編語言，把低級運算串在壹起，不關註數據類型和函數之類的東西，也不關註經典軟件工程中的典型內容。
量子計算機容易出錯，難以編程。通過引入和推斷程序代碼的“純度”，Twist向簡化量子編程邁出了壹大步，確保了純代碼中的量子位不會被代碼中不存在的位改變。這項工作得到了麻省理工學院-IBM沃森人工智能實驗室、國家科學基金會和海軍研究辦公室的部分支持。
筆記。量子計算機
量子計算機是壹種直接利用量子力學現象(如疊加和糾纏)計算數據的計算設備。量子計算背後的基本原理是量子屬性可以用來表示數據並對其執行操作。
雖然量子計算還處於初級階段，但已經進行了壹些實驗，在這些實驗中，量子計算操作是在極少量的量子比特(量子二進制數)上進行的。實踐和理論研究仍在繼續，許多政府和軍事資助機構支持量子計算研究，以開發用於民用和國家安全目的的量子計算機，如密碼分析。
如果能造出大規模的量子計算機，就能比我們現在的任何經典計算機(比如Shor算法)更快地解決壹些問題。量子計算機不同於DNA計算機和基於晶體管的傳統計算機。壹些計算架構(如光學計算機)可能使用經典的電磁波疊加。如果沒有壹些特定的量子力學資源，比如糾纏，猜測就無法超越經典計算機的指數優勢。