量子计算的作用在解决复杂的问题

量子计算,一个革命性的技术,利用量子力学的力量,有可能极大地改变我们生活的世界经典计算机的能力达到极限,量子计算成为一个有前途的解决方案,解决目前无法解决的复杂问题。我们将讨论量子计算的作用在解决复杂的问题,讨论其优点和局限性,并强调了研究正在努力把这个技术成果。

量子计算:一个改变游戏规则

是经典计算机的基本构建块,也可以取两个值:0或1。然而,量子计算机使用量子比特,或量子位,既可以存在于叠加0和1(尼尔森&壮族,2010)。这个量子位的独特属性允许量子计算机并行处理信息,使他们能够解决复杂的问题,是经典计算机的棘手。此外,量子计算机可以执行某些比经典计算机计算速度更快,为特定任务提供一个指数加速(Preskill, 2018)。

量子计算的应用在解决复杂的问题

1. 密码学与网络安全:量子计算既可以构成威胁,加强现代密码系统。肖的算法,例如,可以打破RSA等广泛使用的加密算法和椭圆曲线密码学(肖,1999)。然而,同样的力量可以被利用来开发安全的量子通信系统,导致量子密码学领域的进步,如量子密钥分发(QKD)协议,允许安全通信(贝内特&臂章,2014)。
2. 优化问题:量子计算可以在解决复杂优化问题提供了显著的优势,比如旅行推销员问题,涉及多个城市之间寻找最短的路线(卢卡斯,2014)。应用量子优化等行业产生深远影响的物流、供应链管理、交通、金融和能源管理。
3. 药物发现和材料科学:量子计算机可以模拟量子系统远比经典计算机更准确,允许研究人员模型分子相互作用和预测新化合物的性质(曹et al ., 2019)。这可能导致新型药物的发展,材料和化学品定制属性,大大减少了实验的时间和成本和试错过程。
4. 人工智能和机器学习:量子计算可以加速机器学习模型的训练和更先进的人工智能的发展systemsBiamonte et al ., 2017)。quantum-enhanced机器学习的应用跨度范围广泛的领域,包括自然语言处理、图像识别、模式识别、数据分析、自动车辆。
5. 气候建模和环境研究:量子计算机可以帮助研究人员更好地理解和预测复杂的气候系统通过执行大规模的模拟和数据分析(普里查德& CliMathNet, 2019)。这可能导致更精确的气候模型,明智的环保政策,有效的缓解策略应对气候变化和其他环境的挑战。
6. 财经:量子计算机可以帮助解决复杂的金融问题,如投资组合优化、风险管理、欺诈检测。通过提供更快和更准确的解决这些问题,量子计算可以提高决策过程在金融行业,使更有效的资源配置和投资策略。
7. 天体物理学和基础物理:量子计算机可以帮助研究人员探索物理学基本问题通过模拟量子系统目前困难或无法用经典方法研究。应用包括研究黑洞、暗物质粒子的相互作用,它可以提供更深入的洞察宇宙的本质。

挑战和局限性

尽管量子计算的巨大的潜力,有几个需要解决的挑战和限制。

1. 纠错和量子位稳定:量子计算的最重大挑战之一是保持量子比特的稳定性。量子位高度敏感的环境因素,如温度和电磁辐射,它会导致错误的量子态(Preskill, 2018)。这种现象被称为脱散,会导致不准确的结果在量子计算。为了克服这个问题,研究人员正致力于开发先进的纠错技术,可以减少退相干量子计算的影响。
2. 可伸缩性:构建大型量子计算机,可以容纳足够多的量子位元求解复杂问题仍然是一个巨大的技术挑战。目前,大多数量子计算机只有几十个量子位,这限制了他们的计算能力,他们可以处理的范围问题。研究人员正在探索各种硬件体系结构和材料,如超导量子比特,困离子,和拓扑量子位,构建可伸缩和容错量子计算机(Ladd et al ., 2010)。
3. 量子算法开发:而量子计算机演示了一个指数加速为特定问题,如保理大量和解决某些优化问题,它是不能保证他们会比经典计算机的所有任务。发展量子算法可以充分利用独特的量子计算的属性是一个持续的挑战。研究者们不断地致力于发现新的量子算法与量子计算识别领域提供最重要的好处。
4. 与经典的集成系统:量子计算的目的并不是替换经典计算完全。相反,它将补充经典系统更有效地解决具体问题。然而,集成量子和经典系统无缝地协同工作提出了挑战。开发混合算法和设计合适的量子和经典硬件之间的接口是必不可少的步骤实现量子计算的全部潜力解决问题。
5. 资源和能源的需求:建立和维护量子计算机需要专门的设备和资源,如超低温度、电磁屏蔽、和真空室、保护脆弱的量子比特的量子态。这些需求目前物流和成本挑战量子计算机在各个行业的大规模部署。此外,量子计算机可以显著的能源消耗,提高他们的环境影响的担忧。
6. 安全和隐私:量子计算有可能打破许多现有的加密系统,对数据安全和隐私构成重大挑战。开发新的加密技术,可以抵御量子计算机的力量,被称为post-quantum密码学,是一个重要的研究领域。确保数据的安全性和隐私的世界与量子计算的能力是至关重要的维持对数字系统的信任。

研究工作正在将量子计算带入现实

1。开发的量子硬件:几个研究团体和企业,包括IBM、谷歌、英特尔和Rigetti计算,正在开发量子硬件能够支持更多的量子位,同时保持其稳定性。不同的方法正在研究包括超导量子比特,困离子,拓扑量子位,光子量子比特。每种方法都有其独特的优点和挑战,研究人员正努力找出最具有可扩展性和容错性的解决方案。

2。量子纠错:解决量子位动荡和退相干的挑战,研究人员正在开发量子纠错技术,可以检测并纠正错误在量子计算。一个很有前景的方法是使用拓扑量子纠错编码逻辑量子位的量子系统的全局拓扑。这种技术更健壮与当地错误和可以提供更高的容错。

3所示。量子算法开发:学术界和产业界的研究人员正致力于发现新的量子算法,可以利用量子计算的独特性能,如叠加和纠缠。高效的量子算法的发展可以极大地扩大范围的量子计算机可以解决的问题,并提供一个更好的了解他们的潜在的应用。

4所示。量子软件和编程语言:促进量子应用程序的开发,研究人员创建量子编程语言和软件开发工具。例子包括Qiskit(由IBM开发),Cirq(由谷歌开发的),森林(由Rigetti计算)。这些工具旨在帮助研究人员和开发人员设计、模拟和测试量子算法在经典和量子硬件。

5。量子网络和交流:研究人员也在研究开发量子通信系统等量子密钥分发(QKD)协议,它可以提供免疫窃听的安全通信。量子网络,连接多个量子设备,也正在研究,因为它们可以使分布式量子计算和量子计算机之间的安全通信。

6。Post-Quantum加密:应对潜在威胁量子计算对当前的加密系统,研究人员正在开发post-quantum加密算法抗攻击从经典和量子计算机。美国国家标准与技术研究院(NIST)领导努力确定和规范post-quantum广泛采用的加密算法。

7所示。量子计算教育和劳动力发展:随着量子计算更接近实现,越来越需要技术熟练的专业人士在这个领域。大学、研究机构和私营企业合作开发量子计算机课程,培训,车间准备下一代的科学家和工程师在这个新兴领域工作。

这些研究成果,以及公共和私人投资在量子计算中,为实际的实现铺平了道路,大型量子计算机能够解决复杂的问题超出了经典计算机的功能。在这个领域继续发展,研究人员之间的协作和知识共享,开发人员和行业将是至关重要的,打开的全部潜力。

结论

量子计算有可能彻底改变我们对解决复杂问题,但重要的是要承认当前存在的挑战和限制。研究人员正在不懈努力克服这些障碍,这突破性的技术。随着量子计算的进步继续展开,它是至关重要的对学术界和产业界合作和投资在这个有前途的领域,确保利用量子计算的好处来解决面临的一些最紧迫的问题。

引用

班尼特,c . H。,& Brassard, G. (2014). Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. Theoretical Computer Science, 560, 7-11.

Biamonte, J。Wittek, P。,Pancotti, N., Rebentrost, P., Wiebe, N., & Lloyd, S. (2017). Quantum machine learning. Nature, 549(7671), 195-202.

曹,Y。,Romero, J., Olson, J. P., Degroote, M., Johnson, P. D., Kieferová, M., … & Aspuru-Guzik, A. (2019). Quantum chemistry in the age of quantum computing. Chemical Reviews, 119(19), 10856-10915.

拉德,t D。,Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., & O’brien, J. L. (2010). Quantum computers. Nature, 464(7285), 45-53.

卢卡斯,a (2014)。伊辛配方的许多NP问题。物理学前沿、2、5。

尼尔森·m·A。,& Chuang, I. L. (2010). Quantum Computation and Quantum Information: 10th Anniversary Edition. Cambridge University Press.

Preskill, j . (2018)。量子计算NISQ时代。量子2 79。

普里查德,m . S。& CliMathNet。(2019)。在气候模拟量子计算的作用。英国皇家学会哲学学报,377 (2142),20180193。

肖,p . w . (1999)。多项式时间算法质因数分解和离散对数的量子计算机。暹罗,41 (2),303 - 332。