美国物理研究所
带有俘获离子的量子计算机蓝图
学分:苏塞克斯大学离子量子技术组 量子计算机有望带来颠覆性影响，并可能影响许多行业领域
因此，英国和荷兰的研究人员决定探索两个非常不同的量子问题:打破比特币(一种数字货币)的加密和模拟负责生物固氮的分子
在AVS《量子科学》中，研究人员描述了他们创建的一个工具，用于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:“这个领域现有的大部分工作都集中在一个特定的硬件平台上，超导设备，就像IBM和谷歌正在努力实现的那样。”
“不同的硬件平台在关键硬件规格上有很大差异，例如量子位(量子位)的运算速率和控制质量
" 许多最有希望的量子优势用例将需要一台纠错的量子计算机
纠错通过补偿量子计算机内部的固有错误，使运行更长时间的算法成为可能，但这是以更多的物理量子比特为代价的
从空气中提取氮来制造肥料中的氨是极其耗能的，工艺的改进可能会影响世界粮食短缺和气候危机
相关分子的模拟目前甚至超出了世界上最快的超级计算机的能力，但应该在下一代量子计算机的能力范围之内
韦伯说:“我们的工具根据关键硬件规格自动计算纠错开销。”
“为了让量子算法运行得更快，我们可以通过添加更多的物理量子位来并行执行更多的操作
我们根据需要引入额外的量子位来达到所需的运行时间，这在很大程度上取决于物理硬件级别的运算速率
" 大多数量子计算硬件平台都是有限的，因为只有彼此紧邻的量子比特才能直接交互
在其他平台中，例如一些俘获离子设计，量子位并不在固定的位置，而是可以在物理上四处移动——这意味着每个量子位可以直接与大量其他量子位相互作用
韦伯说:“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。”
“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以前假设的更小尺寸的量子计算机解决具有高度影响力的问题
" 量子计算机在破解许多加密技术方面比经典计算机要强大得多
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)总有一天会受到量子计算攻击，但今天，即使是最大的超级计算机也永远不会构成严重威胁
研究人员估计了一台量子计算机需要多大的规模，才能在比特币宣布与融入区块链之间的一小段时间内破解比特币网络的加密，而这一过程实际上会构成威胁
支付的交易费用越多，这个窗口就越短，但可能从几分钟到几小时不等
韦伯说:“当今最先进的量子计算机只有50-100个量子比特。”
“我们估计的3000万到3亿个物理量子位的需求表明，目前比特币应该被认为是安全的，不会受到量子攻击，但这种大小的设备通常被认为是可以实现的，未来的进步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’，但由于内存需求增加，这可能会导致网络扩展问题
" 研究人员强调量子算法和纠错协议的改进速度
韦伯说:“四年前，我们估计一个被俘获的离子设备需要10亿个物理量子比特才能破解RSA加密，这需要一个面积为100×100平方米的设备。”
“现在，随着全面的改进，这一面积可能会急剧减少到只有2
5乘2
5平方米
" 大规模纠错量子计算机应该能够解决经典计算机无法解决的重要问题
韦伯说:“模拟分子在能源效率、电池、改进的催化剂、新材料和新药开发方面都有应用。”
“进一步的应用广泛存在，包括金融、大数据分析、飞机设计的流体流动和物流优化
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