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可解决现实问题的量子计算机，大概有多大

英国和荷兰的研究人员用两个不同的量子问题——破解比特币(一种数字货币)的加密和模拟负责生物固氮的分子——来估算可实用的量子计算机的大小规模。

在 AVS Quantum Science 中，研究人员描述了他们创建的一种工具，用于确定解决此类问题需要多大的量子计算机以及需要多长时间。

“这一领域的大部分现有工作都集中在特定的硬件、超导设备上，就像 IBM 和谷歌正在努力开发的那种。”苏塞克斯大学的马克·韦伯说。“不同的硬件平台在关键硬件规格上会有很大差异，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缓解世界粮食危机和气候危机。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能力范围内。

“我们的工具根据关键硬件规格自动计算纠错开销。为了使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，这可使我们能够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。”

与经典计算机相比，量子计算机在破解许多加密技术方面的能力呈指数级增长。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椭圆曲线数字签名算法有朝一日会受到量子计算攻击，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。

“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 3千万到3亿个物理量子比特，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，我们估计一个捕获离子设备需要 10 亿个物理量子比特才能破解RSA加密，这需要占地100 x 100 平方米的空间。”韦伯说，“现在，随着全面改进，这可能会减少到仅 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。进一步的量子应用程序包括金融、大数据分析、飞机设计流体和物流优化。”

https://phys.org/news/2022-01-big-quantum.html

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