评论:量子计算存在炒作问题

作为一个热门词汇，量子计算与人工智能(AI)、物联网(IoT)和元宇宙(Metaverse)等一样被大肆宣传。但如果问人们什么是量子计算，拥有量子计算机对未来意味着什么，大多数人会挣扎。如果你再深入研究一下，你会发现人们脑海中挥之不去的一件事是关于量子计算机如何威胁破坏互联网安全的头条新闻。如果量子计算机的速度快到可以破解加密算法，那就玩完了。但这是现实吗?

首先，量子计算机还处于起步阶段，在大多数实际用途上，它们目前还不存在。直到1980年，物理学家保罗·贝尼奥夫(Paul Benioff)才提出了图灵机的量子力学模型，而科学家和工程师们才刚刚开始开发建造商用量子计算机所需的物理和工程技术。最大的处理器包含数百个量子比特，这是量子计算机的基本单元，需要数以万计或数以百万计的量子比特。建造量子计算机的问题不是不可克服的，但需要更多的时间。

2021年的一篇论文[1]表明只要超过13000个量子比特，量子计算机就可以分解一个2048位的RSA整数;这种操作需要破解很多现有的互联网加密。他们希望在177天内完成，但这比传统计算机给出的“宇宙热死之前”的答案快得多。另一个2021年的论文[２]表明2000万个量子比特只需要8小时就能完成同样的事情。

许多从事网络安全工作的人多年来一直意识到这个悬而未决的问题，并一直在开发抵抗量子计算机的密码。2015年，美国国家安全局(NSA)和英国国家网络安全委员会(NCSC)宣布了向量子抗加密过渡的计划，并已为2022-2024年制定了标准化算法。美国国家标准与技术研究所(NIST)于2022年7月5日宣布了四种候选算法[3]．

它们有什么好处?

考虑到量子计算机不会突然让每个人都能读取世界上加密的互联网通信，它们有什么好处?快速搜索问题和机器学习，当然，还有什么?

两位物理学家，马宁，1980年[4]和费曼在1981年［5］，这个问题的答案指向了你无法用经典计算机模拟的东西，比如量子力学系统。我们可以精确地模拟简单系统的量子力学，比如用笔和纸模拟一个氢原子，用现有的计算机模拟几个粒子。但如果没有令人难以置信的简化，更大的量子力学系统根本无法精确建模。

费曼设想在我们现有的计算机中使用量子力学来精确地模拟一个包含大量物品的系统。对于空间中相同数量的粒子N，你需要内存来存储和处理来计算N^N构型很快就会变得太大。即使是100个粒子，也有10个左右²⁰⁰用于存储和计算每一步的配置。相比之下，估计只有10个⁸⁰可观测宇宙中的原子，这对于经典计算机来说是不可能的。但这可以用一个量子位相同数量级的量子计算机来完成，也就是100，因为量子位的反应方式与系统建模的方式相同。

现有的简化量子力学模型支撑着现代化学、材料设计和制药。完全准确的模型将允许更多。新药，更高效的化学工艺和新材料。

例如，第一次使用哈伯-博世工艺生产化肥，大约消耗了全球总能源产量的1%，产生了全球1.4%的二氧化碳₂一代[6]．养活世界上80亿人口需要肥料，但更好的建模可以设计出更好的催化剂，从而提供更高效的过程。

第二个例子是材料设计。为了降低碳排放，世界正在从内燃机向电动汽车过渡。电机的一个巨大问题是电阻产生的热量。热量不仅是效率的损失，更重要的是，还有如何散热的问题。如果太热，马达就会失灵或着火。更少的热量允许更小更高效的发动机，也更安静。用高温超导体替换电机线路可以解决这两个问题，但应用有限，因为超导体的高温意味着高于液氮(77K或-196)^oC)更好的材料建模将有助于寻找有用的室温超导体，将超导电机从大型工业设置到正常的日常。

那么，量子计算机能为我们做什么呢?它不会破坏互联网安全，但它可能会给我们带来更好的化学过程和室温超导体。量子计算可能会改变世界——但现在，它的未来仍不确定。

Peter Debenham是Plextek

[1]Gouzien, E.和Sangouard, N. 2021年。用13436量子位和多模存储器在177天内分解2048位rsa整数。物理评论快报，127(14), p.140503。

[２]Gidney, C.和Ekerå， M.， 2021年。如何在8小时内使用2000万噪声量子位分解2048位RSA整数。量子，5, p.433。

[3]Alagic, G, Alperin-Sheriff, J.， Apon, D.， Cooper, D.， Dang, Q.， Dang, T.， Kelsey, J.， Liu, Y.K, Lichtinger, J.， Miller, C.， Moody, D.， Peralta, R.， Perlner, R.， Robinson, A.和Smith-Tone, D.， 2022。第三轮NIST后量子密码学标准化进程现状报告。美国商务部，NIST．

[4]Manin Y.I。1980。Vychislimoe i nevychislimoe(可计算和不可计算)，莫斯科:Sov。

［5］费曼,R.P 1982。用计算机模拟物理。国际理论物理杂志，21(6/7)(发表1981年5月7日会议发言)

[6]https://phys.org/news/2022-04-haber-bosch-atomic-scale.html