在人们即将迎来量子计算时代的同时，有人担心量子计算机可能会破坏互联网，使几乎所有数据安全协议过时，另一方面又可以帮助我们计算摆脱气候危机的方法。

这些超强大的设备是一种利用量子力学特性的新兴技术，备受关注。

就在上个月，IBM 推出了其最新的量子计算机 Osprey，这是一款新的 433 量子位处理器，其功能是 2021 年才推出的前身的三倍。

 

• 量子计算机有其缺陷，无法解决所有问题，但他们仍然是革命性的。

量子是一个科学领域，在原子和亚原子粒子的尺度上研究自然的物理性质。

量子技术的支持者表示，这些机器可能会在药物发现和材料科学等领域迎来快速发展 - 这一前景带来了创造更轻，更高效的电动汽车电池或材料以促进有效二氧化碳捕获的诱人可能性。

随着气候危机迫在眉睫，希望解决此类复杂问题的技术必将引起浓厚的兴趣。

难怪世界上一些最大的科技公司——谷歌、微软、亚马逊，当然还有IBM——正在大力投资，并努力在量子未来中占据一席之地。

量子计算机如何工作？

鉴于这些听起来像乌托邦的机器正在引起如此疯狂的兴趣，了解它们是如何工作的以及它们与经典计算的区别可能是有用的。

以我们今天拥有的每一台设备为例 - 从我们口袋里的智能手机到我们最强大的超级计算机。它们运行并始终按照相同的二进制代码原理运行。

从本质上讲，我们计算机中的芯片使用微小的晶体管，用作开/关开关，给出两个可能的值，0或1，也称为位，二进制数字的缩写。

这些位可以配置为更大、更复杂的单元，本质上是用数据命令编码的 0 和 1 的长字符串，告诉计算机该做什么：显示视频;显示脸书帖子;播放 MP3;让您键入电子邮件，依此类推。

但是量子计算机呢？

这些机器以完全不同的方式运行。代替经典计算机中的比特，量子计算中信息的基本单位是所谓的量子比特或量子比特。这些通常是亚原子粒子，如光子或电子。

量子机器先进计算能力的关键在于它操纵这些量子比特的能力。

量子比特是一个两级量子系统，允许你存储量子信息。而不是只有两个级别的零和一个，你可以在这里的经典计算中拥有，我们可以建立这两个状态的叠加。

重合

量子比特中的叠加意味着与具有两个可能值 0 或 1 的二进制系统不同，叠加的量子比特可以同时为 0 或 1 或 0 和 1。

如果你不能理解这一点，那么经常给出的类比是一分钱。

当它静止时，一分钱有两个面，头或尾。但是如果你翻转它呢？还是旋转它？在某种程度上，它同时是正面和反面，直到它着陆，你可以测量它。

对于计算来说，这种同时处于多种状态的能力意味着你有指数级更多的状态来编码数据，这使得量子计算机比传统的二进制代码计算机强大得多。

量子纠缠

另一个对量子计算如何工作至关重要的属性是纠缠。这是量子力学的一个有点神秘的特征，甚至让爱因斯坦在他那个时代感到困惑，他宣称它是“远距离的幽灵行动”。

当两个量子比特在纠缠状态下生成时，纠缠对中的一个量子比特发生的事情与另一个量子比特发生的事情之间存在直接可测量的相关性，无论它们相距多远。这种现象在古典世界中是没有可比性的。

纠缠的这种特性非常重要，因为它在不同单元和量子比特之间带来了更强大的连接性。因此，该系统的精心设计能力比经典计算机更强，更好。

事实上，今年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，Alain Aspect，John Clauser和Anton Zeilinger，以表彰他们在纠缠和推进量子信息领域的实验。

为什么我们需要量子计算机？

简而言之，这些是量子计算机工作方式的基石。

但同样，当我们已经拥有超级计算机时，为什么我们一定需要如此强大的机器？

量子计算机将使物理世界的模拟变得更加容易。

量子计算机将能够更好地模拟量子世界，因此可以模拟原子和分子。这将使量子计算机能够帮助设计和发现具有定制特性的新材料。

如果我们能够设计出更好的储能材料，我们就可以解决移动性问题。如果能够设计出更好的材料作为肥料，我就能够解决饥饿和粮食生产的问题。如果能够设计一种新材料，我们]就进行二氧化碳捕获，我就能够解决气候变化问题。

不良副作用？

当然，当我们进入量子时代时，也可能存在一些不良的副作用。

一个主要的担忧是，未来的量子计算机可能拥有如此强大的计算能力，以至于它们可以破坏我们今天拥有的互联网安全的基础加密协议。

苏黎世IBM研究实验室的密码学家Vadim Lyubashevsky为此解释说：“当人们通过互联网交流时，任何人都可以听到对话。因此，它们必须首先加密。两个没有见过面的人之间的加密方式是，他们必须依靠一些称为RSA或椭圆曲线的算法，Diffie-Hellman，来交换密钥。”

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交换密钥是困难的部分，这些需要一些数学假设，这些假设会被量子计算机打破。

为了防止这种情况，Lyubashevsky说，组织和国家行为者应该已经将他们的密码学更新为量子安全算法，即。量子计算机无法破解的那些。

其中许多算法已经构建完成，其他算法正在开发中。但是，还有一个问题，即已经存在的数据尚未使用量子安全算法进行加密。

一个非常大的危险是，政府组织现在已经在存储大量的互联网流量，希望一旦他们建立了量子计算机，人们就能够破译它。

所以，即使现在事情仍然安全，也许现在正在传输的东西在10年，15年后仍然很有趣。那时，无论谁建造量子计算机，政府都将能够解密它，并可能使用他不应该使用的信息。

尽管如此，考虑到量子计算的潜在好处，Lyubashevsky表示，这些风险不应该阻止这些机器的发展。破解密码学不是量子计算机的重点，这只是一个副作用。

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它有望有更多有用的实用程序，例如提高发现化学反应并将其用于医学和类似事物的速度。所以这就是量子计算机的意义所在。

当然，量子技术有负面的副作用，它会破坏密码学。但这并不是不建造量子计算机的理由，因为人们可以修补它，而且已经修补了它。所以这是一个可以解决的问题。