量子计算是一项革命性的技术，已经在药物研发、密码学、金融和物流等许多行业掀起了波澜。它的工作原理是利用量子力学现象，在经典计算机所需的一小部分时间内完成复杂的计算。两个主要的量子力学现象驱动着量子计算机的速度和计算能力——叠加和纠缠。
经典计算机使用二进制(0和1)，而量子计算机使用量子位或量子比特。量子位可以以叠加状态存在，这意味着任何量子位都有可能同时处于0和1状态，从而以指数方式增加量子计算机的计算能力。
量子比特的另一个独特特性是它们能够纠缠在一起，这意味着两个量子位，无论物理距离有多远，都是相互关联的，所以知道一个粒子的状态会自动告诉我们一些关于它的同伴的信息，即使它们相隔很远。这种相关性可以用于处理大量数据和解决经典计算机无法解决的复杂问题。
经典计算机只能模拟基于经典物理的现象，这使得解决依赖量子现象的问题变得更加困难或更慢，这就是量子计算机的真正重要性所在。由于量子计算机基于量子比特，它们可以使用经典计算机解决具有挑战性的问题，并彻底改变许多行业。例如，量子计算机可以快速模拟分子和化学反应，发现具有特殊性能的新药和材料。
尽管量子计算已经取得了重大突破，但现在仍处于量子计算发展的初级阶段。在本文中，我们将探讨量子计算领域最重大的 5 项突破。
01、量子霸权
量子霸权的目标是证明量子计算机可以解决经典计算机无法在合理的时间内解决的问题，尽管该问题很有用。实现这一目标证明了量子计算机在解决复杂问题方面优于经典计算机的能力。
2019 年 10 月，谷歌证实，它已经使用其名为 Sycamore 的完全可编程 54 量子位处理器实现了量子霸权。他们在 200 秒内解决了一个需要超级计算机将近 10,000 年才能解决的采样问题。这标志着量子计算发展取得了重大成就。
从那时起，许多研究人员通过解决各种采样问题证明了量子霸权。实现量子霸权的影响怎么强调都不为过。它验证了量子计算解决经典计算机能力之外的问题的潜力，正如理查德·费曼 (Richard Feynman) 在 1980 年代首次提出的那样。
除了采样问题，还提出了其他应用来证明量子霸权，例如 Shor 的整数因式分解算法，这在加密中非常重要。然而，用现有技术对大数实施 Shor 算法是不可行的，因此不是用于证明优势的首选过采样算法。
02、量子纠错
量子计算机最紧迫的问题是它们对环境噪声和不完善控制引起的错误的敏感性。这阻碍了它们的实际可用性，因为存储在量子计算机上的数据可能会损坏。
经典纠错依赖于冗余，即重复。然而，由于不可克隆定理（该定理指出不可能创建任意未知量子态的独立且相同的副本），量子信息不能被克隆或复制。因此，量子计算系统需要一种新的纠错方法。
量子纠错（QEC）是一种减轻这些错误并确保存储在量子计算机上的数据无错误的方法，从而提高量子计算机的可靠性和准确性。QEC 的原理是对存储在量子计算机上的数据进行编码，以便在不中断其上执行的计算的情况下检测和纠正错误。这是使用量子纠错码 (QECC) 完成的。QECC 通过将信息编码到更大的状态空间来工作。他们在不测量量子态的情况下进一步纠正了误差，从而防止了量子态的坍缩。
QEC 的第一次实验演示是在 1998 年用核磁共振量子比特完成的。从那时起，已经进行了几个实验来证明QEC，例如使用线性光学和捕获离子等。2016年，研究人员利用QEC延长了量子比特的寿命，取得了重大突破。他们的研究表明，在提高量子比特的使用寿命方面，使用硬件效率高的量子比特编码比传统的量子比特编码方法有优势。
03、容错量子计算
错误的检测和消除对于开发现实的量子计算机至关重要。QEC 处理存储的量子信息中的错误，但是执行操作后出现错误怎么办？有没有办法纠正这些错误并确保计算不是无用的？
容错量子计算是一种使用 QECC 和容错门的组合来确保检测和纠正这些错误的方法。这确保了计算过程中出现的错误不会累积并使它们变得毫无价值。
实现容错量子计算的最大挑战是需要很多量子比特。QECC 本身需要大量的量子比特来检测和纠正错误。此外，容错门还需要大量的量子比特。然而， 1998 年和2008 年发表的两项独立理论研究证明，容错量子计算机是可以建造的。这已被称为阈值定理，该定理指出，如果量子计算机的物理错误率低于某个阈值，则可以将逻辑错误率抑制到任意低的值。
由于需要大量的量子位，因此没有实验结果证明容错量子计算。最接近实验实现的是2022 年发表在《自然》杂志上的一项研究，该研究展示了容错的通用量子门操作。
04、量子隐形传态
我们在科幻电影和电视节目中见过太多次隐形传态。但是有没有研究人员接近将其变为现实？好吧，是也不是。量子隐形传态允许将一个量子态从一个物理位置转移到另一个物理位置，而不需要物理移动量子态本身。它具有广泛的应用，从安全量子通信到分布式量子计算。
1993 年，科学家们首次研究了量子隐形传态，并将其作为一种发送和接收量子信息的方式。4年后，也就是1997年，两个独立的研究小组通过实验实现了这一想法。量子隐形传态背后的基本原理是纠缠(两个粒子即使相隔很远也保持连接)。
自 1997 年以来，许多研究小组已经证明了光子、原子和其他量子粒子的量子隐形传态。它是唯一存在的真实传送形式。
事实上，2022 年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家——Alain Aspect、John Clauser 和 Anton Zeilinger——他们的获奖理由是进行了纠缠光子实验。这项工作证明了光子之间的隐形传态是可能的。他们的工作证明了量子纠缠，并表明它可以用来将量子信息从一个光子传送到另一个光子。
量子隐形传态是构建量子互联网的基石。这是因为它可以实现长距离的纠缠分布。量子隐形传态的另一个重要应用是实现远程量子操作，这意味着可以在远程处理器上执行量子计算而无需传输量子位。这对于安全通信和在无法访问或敌对环境中执行量子计算可能很有用。
05、拓扑量子计算
拓扑学是数学的一个分支，研究变形时形状和空间的特性，但它与量子计算有什么关系呢？
本质上，拓扑量子计算是一种理论模型，它使用称为任意子（二维空间中的准粒子）的准粒子来编码和操纵量子位。该方法建立在物质的拓扑特性之上，在任意子的情况下，这些粒子的世界线(物体在四维时空中的轨迹)形成辫状结构。这些辫子组成了逻辑门，这是计算机的基石。
拓扑量子比特受到保护免受局部扰动，并且可以高精度操作，使它们不易退相干。此外，拓扑量子计算由于其固有的冗余和拓扑保护而更能抵抗错误，使其成为容错量子计算的有前途的候选者。
大多数拓扑量子计算研究都是理论性的；目前，没有研究为此提供实质性的实验支持。但是，这一研究领域的发展对于构建实用且可扩展的量子计算机至关重要。
结论
这就是量子计算领域的五项重大突破。通过理论和实验证明的结合，量子计算仍处于研究和开发的早期阶段。这些发展可能会彻底改变多个行业和学科，包括金融服务、材料科学、密码学和人工智能。即使还有更多的研究，对量子计算未来的影响是有希望的。我们可以期待未来几年的进一步发展和创新。
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