一份新報告指出，能夠在未來十年內破解保護線上通訊和計算機資料的最強程式碼的量子計算機不太可能出現。但 ведущие 專家仍然建議美國政府應為此做好準備，因為許多國家都在競相開發實用的量子計算機。
， 該報告對近年來充斥科技新聞頭條和新聞稿的量子計算熱潮持健康的懷疑態度。與一些聳人聽聞的說法相反，量子計算機不會在短期內，甚至永遠不會完全取代經典計算機。儘管商業興趣激增，但對計算行業的短期影響可能相當小。“我認為在未來一兩年內，我們還無法解決實際問題，”谷歌研究科學家、加州大學聖塔芭芭拉分校物理學教授約翰·馬蒂尼斯在新聞釋出會上表示。“但是，將會出現更好的機器，並且人們會逐漸興奮起來，因為他們會意識到我們仍然在進行基礎科學研究。”
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量子計算的希望來自於利用量子力學在宇宙最小尺度上描述的相互作用。如果一個資訊位就像一枚只有“正面”或“反面”的硬幣（在經典計算中），那麼量子位（qubit）就有點像一個圓形球體，其中一個半球是正面，另一個半球是反面。透過操縱球體——例如，滾動它——可以將量子位置於量子態，其中 40% 是正面，60% 是反面，或 99% 是正面，1% 是反面，或均勻地分為 50-50。現有的量子計算機包含各種各樣的架構，使用超冷原子、超導金屬環和其他奇異結構作為量子位。
單個量子位中大量可能的態使得量子計算機能夠執行比任何可以想象的經典計算機複雜得多的計算操作。這種原始能力有一天可以被利用來執行實際計算機不可能完成的任務，例如破解政府和公司使用的最強加密密碼，或模擬與物理學、化學和生物學等科學領域相關的量子系統。但在這些壯舉成為日常現實之前，量子計算機必須變得更加實用和可靠。
錯誤，錯誤！
最大的挑戰之一是來自熱波動或物理振動的環境“噪聲”，這些噪聲會擾亂用於執行計算操作的量子位的量子態。這些擾亂會產生錯誤，必須在每個受影響的量子位中進行糾正，並且通常來自工程師用來控制量子位並在第一時間與之互動的系統。
實用量子計算競賽的最終目標是建立一個完全糾錯的量子計算機，它可以處理所有這些噪聲干擾。研究人員仍在努力降低僅具有雙量子位操作的量子系統中的錯誤率，但尚未將這些糾錯方法擴充套件到由 50 個或更多量子位組成的大型陣列，這些陣列遭受更大的噪聲問題。“這些機器還很遙遠，”斯坦福大學電氣工程和計算機科學教授、報告委員會主席馬克·霍洛維茨在新聞釋出會上表示。“我們需要比今天多大約 10 萬倍的量子位，並且我們需要將量子位的錯誤率降低 100 倍。”
一些懷疑論者甚至認為製造實用的量子計算機是不可能的。法國蒙彼利埃大學的理論物理學家米哈伊爾·迪亞科諾夫認為，工程師永遠無法控制所有連續引數，而這些引數將支撐即使是 1000 量子位的量子計算機。在他看來，錯誤糾正面臨著一項絕望的任務，即處理來自大量引數的潛在干擾，這些引數將超過已知宇宙中估計的原子數量。“在這一點上，我說這是不可能的，因為引數太多了，你無法將它們全部控制在你的控制之下，”迪亞科諾夫說。
但南加州大學量子資訊科學與技術中心主任、報告的獨立審稿人丹尼爾·利達爾表示，有可能將錯誤數量減少到可管理的數量。這涉及到基於許多協同工作的嘈雜物理量子位來編碼一個穩定的邏輯量子位，以檢測和糾正錯誤——有點像讓表現不佳的學生一起工作，互相三重檢查對方的工作，並建立一個更可靠的團隊。“[透過] 每個邏輯量子位使用更多物理量子位，可以糾正更多錯誤——並且可以達到閾值‘噪聲水平’，低於該水平，使用其邏輯量子位進行計算的量子計算機實際上是無噪聲的，”他說。“關鍵在於由於使用了量子糾錯，連續錯誤的數字化。”
利達爾說，就目前而言，即使是沒有糾錯功能的嘈雜量子計算裝置也可以透過展示“量子霸權”以及完成任何即使是最強大的經典計算機也會束手無策的任務來提供有用的“墊腳石”。但是，實現量子霸權仍然比下一個主要里程碑——可以比經典計算機更有效地執行實際任務的商業上可行的量子計算機——更容易。他說，關鍵的一步可能需要糾錯和誤差抑制方法的結合，以減少量子位誤差的基線數量，從而使實用的量子計算更具可擴充套件性。
為量子未來做準備
花旗集團資訊安全創新全球主管、報告的合著者鮑勃·布萊克利表示，即使量子計算的進展證明緩慢，美國仍然可以從一種寧可信其有的方法中受益。他說，開發和實施新的“量子安全”密碼演算法並沒有什麼壞處，特別是因為現有的密碼無論如何也需要定期更新，以最大限度地降低被破解的可能性。“即使我們認為量子計算在 50 年或 100 年內不太可能存在，我們仍然會致力於以我們更換量子安全演算法的時間表來更換當前一代密碼演算法，”他說。
鑑於這份新報告是應國家情報總監辦公室的要求編寫的，美國情報界可能已經在朝著這些思路思考了。但私人對量子計算的投資也在上升。谷歌、IBM 和英特爾等領先科技公司一直在開發自己的量子計算架構測試版本，加拿大 D-Wave Systems 和美國 Rigetti Computing 等初創公司也在這樣做。
如果量子計算機在短期內未能證明其商業可行性，量子計算研究可能需要政府的額外支援。到目前為止，聯邦政府對量子計算研究的資助是零星的，並且以不協調的方式分散在各個機構之間。《國家量子倡議法案》可能會改變這種情況，該法案於 2018 年 7 月作為立法提出，旨在為期 10 年的研究工作提供 12.75 億美元的資金。該法案於 9 月在眾議院獲得透過，現在需要參議院來支援其事業。
該倡議可能會從報告的調查結果以及對美國落後的日益增長的擔憂中獲得推動，因為其他國家正在加大力度。中國已宣佈一項 114 億美元的國家量子計算計劃。同樣，歐盟也承諾在 10 年內投入 11 億美元。英國將在五年內投資 3.58 億美元。甚至澳大利亞和加拿大也啟動了自己的倡議。
利達爾說：“很容易將這裡的領先地位讓給其他正在採取積極主動和積極進取方法的國家。” “我們絕對必須有一個資金充足且獲得兩黨支援的國家方向。”