你的量子计算机需要多大?

量子计算机蓝图与捕获离子。
资料来源:苏塞克斯大学离子量子技术小组

量子计算机需要多大的尺寸才能破解比特币加密或模拟分子?

预计量子计算机将带来颠覆性的影响,并可能影响许多行业。因此,英国和荷兰的研究人员决定探索两个截然不同的量子问题:破解比特币(一种数字货币)的加密,以及模拟负责生物固氮的分子。

AVS量子科学研究人员描述了他们发明的一种工具,该工具可以确定量子计算机需要多大才能解决这样的问题,以及需要多长时间。

苏塞克斯大学的马克·韦伯说:“这个领域的大部分现有工作都集中在一个特定的硬件平台上,超导设备,就像IBM和谷歌正在研究的那些。”“不同的硬件平台在关键硬件规格上有很大的差异,比如操作速度和对量子位(quantum bits)的控制质量。”

许多最有前途的量子优势用例都需要纠错量子计算机。通过补偿量子计算机内部的固有误差,纠错可以使算法运行更长的时间,但这是以牺牲更多物理量子位为代价的。

从空气中提取氮来制造用于化肥的氨是极其耗能的,而改进这一过程可能会影响世界粮食短缺和气候危机。目前,即使是世界上最快的超级计算机也无法模拟相关分子,但下一代量子计算机应该可以做到。

“作为关键硬件规格的功能,我们的工具可以自动计算纠错开销,”韦伯说。“为了让量子算法运行得更快,我们可以通过添加更多物理量子位来并行执行更多操作。为了达到所需的运行时间,我们会引入额外的量子位,这在很大程度上取决于物理硬件层面的操作速率。”

大多数量子计算硬件平台都是有限的,因为只有相邻的量子位才能直接交互。在其他平台中,比如一些捕获离子设计,量子位不是固定的位置,而是可以物理移动——这意味着每个量子位可以直接与一组其他量子位相互作用。

“我们探索了如何最好地利用这种能力来连接遥远的量子位,目的是用更少的量子位在更短的时间内解决问题,”韦伯说。“我们必须继续调整纠错策略,以利用底层硬件的优势,这可能使我们能够用比之前设想的更小的量子计算机来解决高度影响的问题。”

与传统计算机相比,量子计算机在破解许多加密技术方面的能力呈指数级增强。世界上大多数安全通信都使用RSA加密。RSA加密和比特币使用的加密(椭圆曲线数字签名算法)有一天会很容易受到量子计算攻击,但今天,即使是最大的超级计算机也不可能构成严重威胁。

研究人员估计,量子计算机需要多大的尺寸才能在短时间内破解比特币网络的加密,它实际上会对破解比特币网络构成威胁——在比特币宣布和集成到区块链之间。交易费用越高,这个窗口的时间就越短,但可能从几分钟到几小时不等。

“当今最先进的量子计算机只有50-100个量子位,”韦伯说。“我们估计需要3000万到3亿物理量子位元,这表明比特币目前应该被认为是安全的,不受量子攻击,但这种大小的设备通常被认为是可以实现的,未来的发展可能会进一步降低需求。

“比特币网络可以对量子安全加密技术进行‘硬分叉’,但由于内存需求的增加,这可能会导致网络伸缩问题。”

研究人员强调了量子算法和纠错协议的改进速度。

韦伯说:“四年前,我们估计一个被捕获的离子设备需要10亿个物理量子位元来破解RSA加密,需要一个面积为100 × 100平方米的设备。”“现在,随着全面改进,这一区域的面积可能会大幅减少到只有2.5 × 2.5平方米。”

大规模的纠错量子计算机应该能够解决经典计算机不能解决的重要问题。

“模拟分子在能源效率、电池、改良催化剂、新材料和新药开发等方面都有应用,”韦伯说。“进一步的应用遍布各个领域,包括金融、大数据分析、飞机设计中的流体流动和后勤优化。”

文章“硬件规格对在容错机制中达到量子优势的影响”是由Mark Webber、Vincent Elfving、Sebastian Weidt和Winifried K. Hensinger撰写的。它会出现在AVS量子科学在2022年1月25日(10.1116/5.0073075)。在此日期之后,可在https://aip.scitation.org/doi/10.1116/5.0073075

对《华尔街日报》

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期刊:AVS量子科学
DOI:10.1116/5.0073075
文章标题:在容错机制中,硬件规格对达到量子优势的影响
文章出版时间:25 - 1月- 2022

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拉里·弗拉姆
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