多年來，量子電腦一直與許多希望聯繫在一起，同時也帶來了恐懼。 Optimism者認為，它們將在運算技術領域帶來新的突破，並將能夠解決現有最強大的機器無法處理的複雜問題。悲觀主義者認為，「吊燈」中的所有這些量子位元除了在密碼學和個人資料保護領域帶來新的挑戰之外，不會給普通用戶帶來任何好處。 Sergey Golubenko 告訴ForkLog 讀者，到2024 年初已經存在的量子電腦是如何建構的，以及對它們的擔憂是多麼合理。
1965年，美國工程師戈登·摩爾發現了一種模式：微電路上的電晶體數量大約每兩年就會增加一倍。隨著時間的推移，這項觀察結果得到了證實——計算設備的能力仍在呈指數級穩定增長：
然而，2007 年，摩爾本人表示，他發現的模式很快就會失效——這就是物理定律。幾年來，我一直將我們今天要討論的量子計算系統（QCS）稱為擺脫這一僵局的最有希望的方法。
它們與傳統電腦最重要的區別在於它們儲存和處理資訊的方式。基於矽晶片的傳統機器包含數百萬個電晶體。作為微型“開關”，每個開關都可以處於“開”（“1”）或“關”（“0”）位置。隨後，電腦使用二進位系統（代碼）並操作資料位元來儲存和處理資料。
QBC 在量子位元（量子位元）上運行，可以透過不同的方式建構– 透過超導電路或透過磁阱中捕獲的單一離子。
要理解這個過程，您需要超越對世界的通常認知，進入量子空間領域，其中量子位元具有更大的潛力，能夠同時處於多種狀態。這種現象稱為疊加。量子態允許量子位元不僅可以呈現1 或0 的值，還可以呈現介於1 和0 之間的任何值，或同時呈現這兩個值，就像「薛丁格的貓」思想實驗一樣。
最有趣的是：一旦觀察者介入，價值機率的冒險就會立即停止，而觀察者只想要「是」或「否」的結果。這位研究人員是一名量子電腦操作員，使用一種特殊的演算法，只收到答案「1」或「0」。疊加量子位元的存在使得KVS 能夠比傳統電腦並行處理大量資料。
創建單個量子位元並控制它只是任務的一部分。除了疊加之外，量子位元還經歷“量子糾纏”，這是另一個關鍵的量子力學特性，其中一個量子位元的狀態可以依賴另一個量子位元。簡而言之，如果你「糾纏」兩個量子位元並使用光纖發送其中一個，例如，使用光纖傳輸數十公里的距離，那麼它們將保持通信並了解彼此的一切。這為基於量子加密的資訊傳輸帶來了難以想像的可能性。但這項技術也有弱點：粒子往往會在途中流失，因此並非所有粒子都能到達終點。
作為量子位的粒子極易受到隨機激發－最輕微的熱效應或鄰近物體的電磁場的影響。正因為如此，量子電腦到目前為止只能以98-99% 的機率產生正確答案。為了保持穩定運行，每對量子位元都被放置在寒冷的真空中，除了它們之外沒有其他東西。問題出現了：如何組織量子位元的儲存以及哪些粒子可以充當其角色？
IBM量子電腦的「吊燈」。資料：IBM 研究部/Flickr。
讓我們考慮一個使用具有量子性質的離子粒子作為量子位元的計算機的範例。任務：給一個適當的自然粒子（在我們的例子中是離子）值“1”或“0”，它分別位於布洛赫球體赤道以北或以南。這使您可以使用低階程式設計來建立可以控制的「水龍頭」（更改粒子內的機率值）。為了捕獲這樣一對離子並使它們保持緊密糾纏，需要使用特殊的電磁場陷阱。結果是一對糾纏的離子，可以透過將它們放置在冷真空中來操縱它們。
量子計算中使用了以下技術：
超導量子位元（或晶體上的電流）；光子量子位元– 使用光學設備在室溫下產生和控制糾纏光量子長達數小時；磁阱中的離子量子位元– 冷真空中由電磁場保持的帶電離子核鏈； 電磁場或雷射脈衝控制的半導體上的固態量子點； 拓樸量子電腦中的準粒子是電子簇、「凍結」光子或馬約拉納費米子的集體狀態，其行為類似於半導體或超導體內的粒子。
接下來，您應該了解量子電腦的工作原理並展示其與經典電腦的差異。
量子電腦是一種組合的類比數位系統，其根據「多個機率值」的原理運行，並允許透過給定的演算法獲得該演算法的最終實現的樣本。經典計算機是一種數位機器，它以離散形式處理一串1 和0 的資訊。
這裡出現了另一個邏輯問題：如何將接收到的類比資料轉換為通常的數位形式？使用訊號轉換系統，科學家對粒子進行了低階編程。現在，這一領域的嚴肅工作正在如火如荼地進行：有必要確保程式設計師在沒有額外的物理和化學方面的深入知識的情況下編寫高級程式碼。
另一個迫切的問題是，現階段的量子電腦設計龐大，只能放置在大房間。 IBM 和Google的超導技術中用於這些目的的「枝形吊燈」形狀被認為是最方便的。該設計由許多連接電腦所有零件的銅線組成：量子位元訊號放大器、超導線圈、量子處理器、各種輻射和電磁波防護。而這一切都是在真空中發生的。如果實驗室使用其他量子位元技術，此類電腦的設計形狀可能會非常不同，甚至類似於經典的伺服器單元。
量子位的特殊性質（超導性、超流動性等）僅在接近絕對零度的溫度下開始出現。為了冷卻量子處理器，需要使用氦氣或氮氣裝置。
這些努力的合理性如何？
如果我們比較潛在的計算能力，那麼在經典計算機中，它與位數直接相關：添加一個電晶體會使記憶體增加1 位元）。在量子中，增加一個量子位元會立即使記憶體增加一倍。正如我們已經說過的，1 個量子位元只有兩種狀態（「0」或「1」），而由於糾纏，10 個量子位元已經有1024 個狀態； 嗯，一百個量子位元有2 的100次方狀態。
顯然，這裡有值得奮鬥的東西。但主要任務是保持新量子位元對的糾纏質量處於適當水平，因為簡單地增加它們的數量不會導致電腦性能的提高，也不會提供「量子霸權」。
科技巨頭和新創公司：當今的量子計算機
目前，以下公司、政府研究中心和年輕的獨立專案在創建KVS 領域取得了最大的成功。
國際商業機器公司
該公司的量子電腦群已包括20 多台機器，透過IBM Quantum Experience 雲端服務組織對這些電腦的存取。 2023 年12 月，第一台模組化量子電腦IBM 量子系統二號在量子高峰會上亮相。它基於133 量子位元Heron 處理器，該公司代表稱其為世界上生產力最高的處理器。 IBM 也發布了Condor 處理器，具有1121 個量子位，量子位密度提高了50%。
2019 年，這家科技巨頭的員工宣布，他們憑藉超導體上的53 量子位元Sycamore 電腦實現了量子霸權（但這項成就遭到了IBM 的質疑）。批評者認為，這次測試更像是量子競賽中的「示範表演」。從那時起，研究人員已經能夠為Sycamore 的性能添加17 個量子位元。現在，它可以在幾秒鐘內完成現代超級電腦需要47 年才能完成的計算。
與IBM 一樣，Google也遵循了使用經典晶片的成熟路徑，透過超導體引入量子位元。
Sycamore 處理器。數據：維基媒體。
世外桃源
這家加拿大公司宣佈於2022 年春季推出最新的量子電腦Borealis，將其部署在雲端並公開發布。這台計算機配備了216 個光子量子位元。根據《自然》雜誌報導，該系統成功克服了演算法所施加的量子優勢障礙。雖然最強大的現代超級電腦需要大約9,000 年才能完成此操作，但北歐化工僅用了36 微秒就完成了它。
Atom計算
這家總部位於加州的公司利用二維網格中的雷射捕獲的中性Atom創建了世界上第一台1,180 量子位元的量子電腦。結果，在Atom計算計算機中，量子位元可以無錯誤地運行近一分鐘，而同樣的指標在IBM計算機中僅為70-80微秒。
中國科學技術大學
2020年12月，中國科學家報告稱，他們的由糾纏光子驅動的九丈電腦已經實現了量子霸權。他們在200 秒內成功完成了世界上最快的數位計算機只需5 億年就能完成的計算。
量子計算和加密貨幣
有一種觀點認為，在不久的將來，量子電腦將能夠破解區塊鏈，例如摧毀比特幣。這些擔憂並非毫無根據，但重要的是要記住兩個細微差別。
首先，威脅更多與PoW區塊鏈相關，其中挖礦的哈希值的解密存在風險。其次，RSA 加密貨幣（橢圓曲線加密貨幣最常見的替代方案）可能更具抗量子性。然而，當談到傳統解密時，人們普遍認為事實恰恰相反。
從全球角度來看，這在很大程度上取決於密碼學家透過解決防止量子駭客攻擊的問題來應對潛在挑戰的速度。
加密貨幣領域已經有一些公司宣布其完全量子抵抗：Quantum Resistant Ledger及其QRL加密貨幣，以及摩根大通的QKD金鑰分配技術，以保護區塊鏈免受量子運算的影響。為了實現量子穩定性，QRL 使用IETF XMSS，這是一種基於前向雜湊的安全簽章方案，具有最小的安全假設，其中XMSS 是擴展的Merkle 簽章方案。
模組化區塊鏈的發展似乎也是正面的。由於其結構，它們有助於更輕鬆地實現量子簽名，並且未來將解決分散式節點營運商的問題，以增強分散式帳本的去中心化和安全性。
總而言之，區塊鏈和量子運算的共同努力將有助於創建更安全且具有潛在革命性的運算解決方案，最終解決一系列密碼和生活問題。
我們認為，無論我們看到比特幣的量子硬分叉還是全球量子互聯網，都只是時間問題。
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