当技术变得更加成熟时，量子计算可以改变密码学和化学、材料科学、农业和制药等领域的游戏规则。量子计算具有复杂的性质，可用于解决构成当今经济基础的复杂数学模型：

• 即使对于超级计算机，加密方法的设计也需要几个世纪才能解决。然而，这些问题可能会在几分钟内通过量子计算得到解决。
• 尽管在不久的将来，经典计算似乎不会对分子进行建模，但量子计算可以通过求解提取精确分子模型的方程来实现。这一发展有可能改变生物学、化学和材料科学。

什么是量子计算？

维基百科将量子计算描述为“使用叠加和纠缠等量子力学现象来执行计算”。量子计算机概念带来了与经典计算机概念完全不同的视角。经典计算机使用类似钥匙的结构来打开和关闭，这被称为位。然而，量子计算机使用称为量子位的相互依赖的非线性结构。

量子比特有两个不同的属性，不同于经典计算的整个概念。纠缠是量子比特的一种特性，它允许它们相互依赖，一个量子比特的状态变化可能导致其他量子比特的状态发生变化。计算过程中有多个状态。叠加表明量子位可以同时保持 0 和 1 状态。

为什么量子计算的未来很重要？

• 出现了更复杂的问题：随着技术的进步，遇到的问题也越来越复杂。量子计算为蛋白质建模等复杂问题提供了解决方案。由 COVID-19 引起的最新全球危机表明，科学家需要一种不同的工具来模拟单一蛋白质并使其失活。复杂问题呈指数增长的另一个例子是能源使用。随着人口增长和消费率呈指数级增长，资源优化等更复杂的问题正在出现。量子计算机可以利用量子力学的物理学来解决复杂问题的局限性。
• 超级计算机仅限于解决非线性问题：经典计算是执行顺序操作和存储信息的便捷工具。然而，由于它是基于线性数学建模的，因此很难找到混沌问题的解决方案。量子计算似乎是解决非线性问题的合适候选，因为它具有自然的非线性特性。话虽如此，量子计算机并不适合所有类型的计算。

量子计算的主要课题是什么？

量子退火：量子退火已经通过D-wave以当今的技术在商业上可用。

量子电路：量子电路由量子门、初始化和重置结构组成，可实现量子操作和量子数据计算。一个量子位可以被认为是一个信息单元，而量子电路是一个计算单元。随着量子电路的发展使量子计算变得普遍，量子计算的力量将体现在日常生活中。

量子云：基于云的量子计算是一种通过云使用模拟器、模拟器或处理器提供量子计算的方法。量子计算系统覆盖非常大的体积。鉴于部署这些系统的难度，使用当今的技术来执行希望通过云执行的操作是必要的。

量子认知：量子认知旨在通过使用量子计算对人类大脑、语言、决策、人类记忆和概念推理等概念进行建模。量子认知是基于信息量子论定义的各种认知现象，以描述利用量子概率进行决策的过程。

量子密码学：量子密码学旨在通过利用量子力学特性开发一种安全的加密方法。量子密码旨在使使用经典方法无法解码消息。例如，如果有人试图复制量子编码数据，则在尝试尝试时量子状态会发生变化。

量子神经网络（QNN）：QNN 是经典人工神经网络模型与量子计算优势的结合，以开发高效算法。QNN 大多是没有完整物理实现的理论建议。QNN 算法的应用可用于建模网络、存储设备和自动化控制系统。

量子光学：量子光学是一个研究光子与粒子和原子相互作用的领域。对该主题的进一步研究为半导体技术和通信中遇到的问题提供了解决方案。通过这种方式，量子计算可以进一步发展经典计算机。

未来量子计算有哪些可能的应用？

• 优化：许多优化问题都在寻找全局极小点解。通过使用量子退火，可以比使用超级计算机更早地解决优化问题。
• 机器学习/大数据：机器学习和深度学习研究人员正在寻找使用大数据集训练和测试模型的有效方法。量子计算可以帮助加快训练和测试过程。
• 模拟：模拟是预测可能的错误并采取行动的有用工具。量子计算方法可用于模拟复杂系统。
• 材料科学：化学和材料科学受到原子结构复杂相互作用计算的限制。量子解决方案有望以更快的方式对这些相互作用进行建模。

未来量子计算的主要挑战是什么？

决定哪种方法有效：量子计算的实现有不同的方法。由于量子计算机和量子电路会产生高昂的投资成本，因此所有不同方法的反复试验在时间和财务方面都将是代价高昂的。针对不同应用的不同方法现在似乎是最有可能的解决方案。目前，QC公司探索的一些方法有模拟量子模型、通用量子门模型和量子退火。

• 例如，微软的方法被称为量子门模型下的拓扑量子比特方法，用于量子比特的大规模生产。
• D-wave 构建了第一个用于量子退火的商业硬件解决方案。量子退火是近期内最有可能商业化解决复杂数学问题的方法。

制造稳定的量子处理器和纠错：为了利用量子力学的特性，需要在更小的尺度上执行操作，有时比原子还小。小规模会导致稳定性和错误验证问题。量子比特中的纠错比获得的量子比特总数更有价值。由于无法准确控制量子位，因此解决复杂问题仍然是一个挑战。

维持极端操作条件：为了提高稳定性和控制量子位，IBM 将温度保持在如此低的温度 (15 毫开尔文)，以至于没有环境噪音或热量来激发超导量子位。保持如此低的温度本身也会产生稳定性问题。对于量子计算机或处理器的广泛商业化，应该改善操作条件。人们正在寻找在更高温度下使用量子处理器的方法。最近达到了最高工作温度。1 开尔文，即 -272 度，被记录为最高工作温度。然而，在室温下运行这些系统似乎需要更多时间。

稳定性和纠错等问题取决于技术投入、研究资源和量子力学的发展。不同的组织正试图通过尝试不同的方法来获得最容易获得的量子计算机技术。需要一段时间才能看到哪种方法会在不同领域取得成功。