量子计算机|强大的量子计算机可以破解加密并解决经典计算机无法解决的问题( 二 ) 编程|重器|网络安全

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 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。