量子優勢是該領域的里程碑量子計算正在熱切地努力，和電腦一樣多可以解決最強大的非量子或經典電腦無法解決的問題。
量子是指原子和分子的尺度，在這個尺度上，我們所經歷的物理定律被打破，並且應用了一組不同的、違反直覺的定律。量子電腦利用這些奇怪的行為來解決問題。
有一些類型的問題經典計算機無法解決，例如破解最先進的加密演算法.近幾十年的研究表明，量子電腦有潛力解決其中一些問題。
如果一台量子電腦能夠真正解決其中一個問題，那麼它將展現出量子優勢。
我是物理學家研究量子資訊處理和量子系統控制。
我相信，這個科學技術創新前沿不僅有望在計算方面取得突破性進展，而且代表著量子技術的更廣泛激增，包括量子密碼學和量子感測方面的重大進步。
量子運算力量的泉源
量子運算的核心是量子比特，或者量子位元。與只能處於 0 或 1 狀態的經典位元不同，量子位元可以處於 0 和 1 的某種組合的任何狀態。量子疊加。每增加一個量子位，量子位元可以表示的狀態數量就會加倍。
這項特性常被誤認為是量子運算能力的來源。相反，它歸結為複雜的疊加相互作用，干涉和糾纏。
幹擾涉及操縱量子位，使它們的狀態在計算過程中建設性地結合起來，以放大正確的解決方案，並破壞性地抑制錯誤的答案。
當兩個波（如聲波或海浪）的峰值結合在一起產生更高的峰值時，就會發生相長干涉。相消干涉是指波峰和波谷結合併相互抵消時發生的情況。
量子演算法數量很少且難以設計，它建立了一系列干涉圖案，從而得出問題的正確答案。
糾纏在量子位元之間建立了一種獨特的量子相關性：無論量子位元相距多遠，一個狀態都不能獨立於其他量子位元來描述。這就是阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）著名的「幽靈般的遠距離作用」所駁斥的。
透過量子電腦精心策劃的糾纏集體行為可以實現經典電腦無法企及的運算速度。
量子計算的應用
量子運算具有一系列潛在用途，可以超越傳統電腦。在密碼學領域，量子電腦既帶來了機遇，也帶來了挑戰。最著名的是，他們擁有破解當前加密演算法的潛力，例如廣泛使用的RSA方案。
其後果之一是當今的加密協定需要重新設計，以抵禦未來的量子攻擊。這種認識導致了新興領域後量子密碼學。
經過漫長的過程，美國國家標準與技術研究所最近選擇了四種抗量子演算法，並開始準備它們，以便世界各地的組織可以在其加密技術中使用它們。
此外，量子計算可以大大加速量子模擬：預測在量子領域進行的實驗結果的能力。著名物理學家理查費曼設想了這種可能性40多年前。
量子模擬為化學和材料科學提供了巨大進步的潛力，有助於藥物發現的分子結構的複雜建模等領域，並能夠發現或創造具有新穎特性的材料。
量子資訊科技的另一個用途是量子感測：比非量子儀器具有更高的靈敏度和精度來檢測和測量電磁能、重力、壓力和溫度等物理特性。
量子感測在以下領域有無數的應用：環境監測,地質勘探,醫學影像和監視。
開發互連量子電腦的量子網路等措施是連接量子和經典運算世界的關鍵步驟。
該網路可以使用量子加密協定來保護，例如量子密鑰分配，它可以實現超安全的通訊通道，防止計算攻擊——包括使用量子電腦的攻擊。
儘管量子計算的應用程式套件不斷增長，但開發充分利用量子優勢的新演算法 - 特別是在機器學習中– 仍然是正在進行的研究的關鍵領域。
保持連貫並克服錯誤
量子計算領域在硬體和軟體開發方面面臨重大障礙。量子電腦對與其環境的任何無意互動都高度敏感。這會導致退相干現象，即量子位元迅速退化為經典位元的 0 或 1 狀態。
建構能夠兌現量子加速承諾的大規模量子運算系統需要克服退相干。關鍵是開發有效的方法來抑制和修正量子錯誤，我自己研究的重點領域。
在應對這些挑戰的過程中，許多量子硬體和軟體新創公司與Google和 IBM 等成熟的科技產業參與者一起湧現。
這種產業興趣，加上世界各國政府的大量投資，凸顯了對量子技術變革潛力的集體認可。這些措施培育了學術界和工業界合作的豐富生態系統，加速了該領域的進步。
量子優勢顯現
量子運算有一天可能會像量子運算的到來一樣具有顛覆性生成式人工智慧。目前，量子計算技術發展正處於關鍵時刻。
一方面，該領域已經顯示出取得了狹隘專業化量子優勢的早期跡象。谷歌研究人員以及後來的一個中國研究團隊展示的量子優勢用於產生隨機數字列表具有某些屬性。我的研究團隊展示了量子加速隨機數猜謎遊戲。
另一方面，存在進入「量子冬天」的實際風險，即如果短期內未能實現實際成果，投資就會減少。
雖然科技產業正在努力在短期內提供產品和服務的量子優勢，但學術研究仍集中在調查支撐這項新科學和技術的基本原理。
這種正在進行的基礎研究，在我幾乎每天都會遇到的那種熱情的新學生和聰明學生的推動下，確保了該領域將繼續取得進展。
