來源：EETOP編譯自semiwiki

量子計算是一個專注于開發(fā)基于量子理論原理的計算機技術(shù)的研究領(lǐng)域。數(shù)百億的公共和私人資本正在投資量子技術(shù)。世界各國都已經(jīng)意識到，量子技術(shù)可以成為現(xiàn)有業(yè)務(wù)的主要顛覆者。

經(jīng)典計算和量子計算的比較

經(jīng)典計算在其最終層面上依賴于布爾代數(shù)表達(dá)的原則。數(shù)據(jù)必須在任何時間點或我們所說的位中以排他性的二進制狀態(tài)進行處理。雖然每個晶體管或電容器在切換狀態(tài)之前需要處于 0 或 1 的時間現(xiàn)在可以縮短到以十億分之一秒為單位測量，但這些設(shè)備切換狀態(tài)的速度仍然存在限制。

隨著我們向更小更快的電路發(fā)展，我們開始達(dá)到材料的物理極限和經(jīng)典物理定律應(yīng)用的閾值。除此之外，量子世界接管了量子計算機，可以使用許多元素粒子，例如電子或光子，它們的電荷或偏振充當(dāng)0和/或1的表示。 這些粒子中的每一個都被稱為量子比特或量子比特，這些粒子的性質(zhì)和行為構(gòu)成了量子計算的基礎(chǔ)[2]。經(jīng)典計算機使用晶體管作為邏輯的物理構(gòu)建塊，而量子計算機可能使用捕獲離子、超導(dǎo)環(huán)、量子點或鉆石中的空位 [1]。

隨著我們向更小更快的電路發(fā)展，我們開始達(dá)到材料的物理極限和經(jīng)典物理定律的適用門檻。在量子計算機中，一些元素粒子，如電子或光子，可以用它們的電荷或偏振作為0與/或1的表示。這些粒子中的每一個都被稱為量子比特，或量子位，這些粒子的性質(zhì)和行為構(gòu)成了量子計算的基礎(chǔ)。經(jīng)典計算機使用晶體管作為邏輯的物理構(gòu)件，而量子計算機可能使用離子阱（trapped ions）、超導(dǎo)回路(superconducting loops)、量子點（quantum dot）或鉆石中的空位。

量子計算的挑戰(zhàn)

構(gòu)建可擴展且穩(wěn)定的量子硬件：量子計算的主要挑戰(zhàn)之一是構(gòu)建一種可以處理大量量子比特同時保持穩(wěn)定性和一致性的設(shè)備。

處理量子系統(tǒng)中的噪聲和錯誤：量子系統(tǒng)對噪聲和錯誤高度敏感，這可能會破壞計算并導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。

為量子計算開發(fā)高效的算法：隨著量子計算機功能的擴展，對可以利用量子系統(tǒng)獨特屬性的新算法的需求也在增加。

實施糾錯和減錯方法：糾錯和減錯對于構(gòu)建有用的量子計算機至關(guān)重要，但用于實現(xiàn)這一目標(biāo)的方法仍處于開發(fā)的早期階段。

設(shè)計和實現(xiàn)量子通信和組網(wǎng)：量子通信和組網(wǎng)技術(shù)，如量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，仍處于發(fā)展的早期階段，在大規(guī)模實施之前還有許多挑戰(zhàn)需要克服。

解決缺乏熟練專業(yè)人員的問題：量子計算領(lǐng)域相對較新，缺乏具有使用量子設(shè)備和軟件的必要技能和知識的專業(yè)人員。

解決量子技術(shù)與經(jīng)典技術(shù)集成不足的問題：將量子技術(shù)與現(xiàn)有經(jīng)典技術(shù)無縫集成仍然是一個挑戰(zhàn)，使得量子計算難以用于實際應(yīng)用。

為量子計算開發(fā)強大的軟件和編程語言：目前可用于量子計算的軟件和編程語言有限，這些仍處于開發(fā)的早期階段。

解決缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的問題：目前量子計算領(lǐng)域缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，這導(dǎo)致難以比較不同的設(shè)備和技術(shù)。

解決量子計算的成本效益問題：構(gòu)建和運行量子計算機仍然非常昂貴，這是廣泛采用量子計算的主要障礙。

量子計算的趨勢

增加量子設(shè)備中的量子比特計數(shù)和相干時間(Coherence Times)：量子計算機中的量子比特（量子比特）數(shù)量是衡量其性能的重要指標(biāo)。隨著量子比特數(shù)量的增加，設(shè)備的計算能力也會增加。相干時間是指量子比特在退相干之前可以保持其量子態(tài)多長時間，而更長的相干時間可以實現(xiàn)更復(fù)雜的計算。

開發(fā)新的量子算法和優(yōu)化技術(shù)：隨著量子計算機功能的擴展，新算法和技術(shù)的開發(fā)也在擴展，以利用量子計算的獨特屬性。其中包括量子機器學(xué)習(xí)、量子糾錯和量子優(yōu)化算法。

量子啟發(fā)（quantum-inspired）的經(jīng)典算法和硬件的出現(xiàn)：研究人員正在研究量子系統(tǒng)的特性，以開發(fā)新的經(jīng)典算法和硬件，模仿量子計算的一些優(yōu)勢。

行業(yè)和政府對量子計算的興趣和投資日益濃厚：隨著量子計算的潛在應(yīng)用變得更加明顯，行業(yè)和政府對該領(lǐng)域的興趣和投資也在增加。

量子研究機構(gòu)和公司之間的協(xié)作和資源共享增加：隨著量子計算變得越來越重要，量子研究機構(gòu)和公司之間的協(xié)作和資源共享越來越多。

量子機器學(xué)習(xí)和量子人工智能的使用：研究人員正在探索使用量子計算來開發(fā)新的機器學(xué)習(xí)和人工智能算法，以利用量子系統(tǒng)的獨特屬性。

量子云服務(wù)的興起：隨著量子比特數(shù)量和相干時間的增加，許多公司現(xiàn)在都為用戶提供量子云服務(wù)，這使他們能夠訪問量子計算的強大功能，而無需構(gòu)建自己的量子計算機。

量子糾錯的進步：為了使量子計算機實用，有必要擁有量子糾錯技術(shù)，以盡量減少計算過程中發(fā)生的誤差。正在開發(fā)許多新技術(shù)來實現(xiàn)這一目標(biāo)。

量子計算的未來

在不久的將來，量子計算很可能會繼續(xù)針對優(yōu)化、機器學(xué)習(xí)和密碼學(xué)等特定應(yīng)用進行開發(fā)。研究人員還致力于開發(fā)更穩(wěn)定、更可靠的量子比特，這是量子計算機的構(gòu)建模塊。隨著技術(shù)的成熟和變得更容易獲得，預(yù)計它將越來越多地用于金融和醫(yī)療保健等行業(yè)，可用于分析大量數(shù)據(jù)并做出更準(zhǔn)確的預(yù)測。

從長遠(yuǎn)來看，量子計算有可能徹底改變許多行業(yè)，改變我們的生活和工作方式。然而，它仍然是一項相對較新的技術(shù)，在完全實現(xiàn)之前需要進行大量的研究和開發(fā)。

原文

https://semiwiki.com/general/324213-trends-and-challenges-in-quantum-computing

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