Квантовые вычисления стали популярной темой в последние годы, а фильм (Один час для понимания квантового компьютера), созданный PanSci, предлагает доступный способ углубленного изучения основных технологий и будущего квантовых компьютеров. За короткий час фильм охватывает от принципов работы квантовых битов до сценариев применения квантовых вычислений, а также текущие проблемы в этой области технологий. Вот основные моменты и наблюдения из этого фильма, чтобы мы могли вместе понять эту глобальную квантовую революцию.

Насколько быстры квантовые компьютеры?

Фильм начинается с поразительного примера вычислительных возможностей квантового компьютера: квантовый компьютер Google Sycamore может завершить вычислительную задачу, на которую традиционному суперкомпьютеру понадобилось бы 10 000 лет, всего за 200 секунд. Это событие стало вехой, известной как «квантовое превосходство». В отличие от традиционных компьютеров, которые используют двоичную систему для вычислений, квантовые компьютеры используют «квантовые биты» (qubit), которые могут одновременно представлять суперпозицию 0 и 1, что позволяет проводить вычисления с более высокой эффективностью. Эта нелинейная, экспоненциальная вычислительная способность позволяет квантовым компьютерам демонстрировать беспрецедентный потенциал в решении сложных задач.

Шифровальные технологии могут быть взломаны за считанные секунды

В фильме объясняется: «Шифрование в современном интернете по сути сводится к разложению на простые множители. Используя очень сложные задачи разложения на простые множители, только те, кто знает ответ, могут прочитать сообщение. Если говорить о современных правилах шифрования, чтобы взломать это шифрование, необходимо разложить на простые множители число длиной более 600 знаков, и для решения этой задачи традиционному компьютеру потребуется миллионы лет, а алгоритму Шора потребуется всего около одной минуты или даже несколько десятков секунд.»

Основные технологии: квантовая суперпозиция и квантовая запутанность

Фильм глубоко анализирует две ключевые технологии, стоящие за квантовыми вычислениями: квантовую суперпозицию и квантовую запутанность. Состояние суперпозиции позволяет квантовым битам одновременно представлять несколько состояний, что увеличивает эффективность обработки информации; а состояние запутанности позволяет связанным квантовым битам мгновенно влиять друг на друга, даже находясь на значительном расстоянии. Это явление дает квантовым компьютерам абсолютное преимущество в параллельных вычислениях.

Например, в фильме традиционный компьютер сравнивается с мышью, которая должна пробовать каждый путь в лабиринте по одному; в то время как квантовый компьютер, подобно «квантовой кошке», может одновременно исследовать все пути и сразу находить выход, значительно сокращая время вычислений.

Приложения квантовых компьютеров за пределами пределов

Фильм далее исследует практическое применение квантовых компьютеров, особенно их прорывной потенциал в области климатического моделирования, анализа финансовых рынков и разработки медицинских препаратов. Например, использование квантовых вычислений для моделирования молекулярной структуры может значительно сократить время разработки новых лекарств; в финансовой сфере это позволяет с помощью мощных параллельных вычислений моделировать динамику рынка и поддерживать инвестиционные решения.

Два классических квантовых алгоритма, упомянутые в фильме, также вызывают интерес: алгоритм Гровера и алгоритм Шора. Первый может повысить эффективность поиска в неупорядоченных базах данных, а второй демонстрирует способность взламывать традиционное шифрование RSA, показывая разрушительное влияние квантовых вычислений в области информационной безопасности.

Проблемы квантовых компьютеров: стабильность и влияние окружающей среды

Фильм также раскрывает текущие проблемы, с которыми сталкиваются квантовые компьютеры, особенно проблему квантовой декогеренции. Поскольку квантовые состояния очень чувствительны к внешним воздействиям (таким как электромагнитные волны или небольшие вибрации), стабильность квантовых битов становится крупнейшим препятствием для разработки квантовых компьютеров. Кроме того, квантовые компьютеры необходимо эксплуатировать в условиях сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю, что значительно увеличивает их эксплуатационные расходы и сложность развертывания.

В фильме подчеркивается, что современные квантовые компьютеры все еще нуждаются в дальнейших прорывах в отношении уровня ошибок и стабильности, особенно в том, как реализовать длительную стабильную суперпозицию и запутанные состояния, что является ключевой темой текущих исследований.

Увеличение глобальной конкуренции: «Манхэттенский проект» квантовых технологий

Фильм особенно подчеркивает, что квантовые компьютеры рассматриваются как высшая точка в соревновании технологий следующего поколения, в которое страны вкладывают огромные средства. Google, IBM и Microsoft из США, флагманская программа квантовых технологий Европейского Союза и квантовый компьютер «Цзюжжан» из Китая конкурируют за «квантовое превосходство». Фильм даже сравнивает текущее развитие квантовых технологий с «современным Манхэттенским проектом», указывая на то, что страны или компании, обладающие квантовыми компьютерами в будущем, могут занять доминирующее положение в международной политике и экономике.

Фильм также упоминает, что Китай, помимо сверхпроводящего квантового компьютера «Бэньюань Укун», также разработал квантовый компьютер «Цзюжжан» на основе фотонов, демонстрируя потенциал многообразных технологических маршрутов.

Квантовая стратегия Тайваня: от полупроводников до квантовых чипов

В глобальной квантовой гонке Тайвань также демонстрирует активную позицию. Фильм особенно упоминает, что первый квантовый компьютер Тайваня был успешно разработан Академией Синьчжэня в 2024 году; хотя он имеет всего 5 квантовых битов, это знаменует собой официальное вступление Тайваня в арену квантовых вычислений. Благодаря преимуществам в производстве полупроводников Тайвань имеет потенциал занять свое место в производстве и разработке квантовых чипов.

Фильм указывает, что в будущем массовое производство квантовых компьютеров будет связано с вызовами в области материаловедения, технологий производства и других областях, которые являются сильными сторонами Тайваня. Если удастся совершить прорыв в области квантовых чипов, Тайвань может стать важным участником развития квантовых технологий.

Будущее квантовых компьютеров: возможности и вызовы

Фильм заканчивается оптимистичной, но разумной нотой, указывая на то, что хотя квантовые компьютеры обладают огромным потенциалом, до полной коммерциализации и распространения все еще предстоит долгий путь. От стабильности аппаратного обеспечения до разработки программных алгоритмов каждый этап требует преодоления множества технических вызовов. Однако фильм также подчеркивает, что эта квантовая революция только начинается, и каждый из нас станет свидетелем этого.

(Один час для понимания квантового компьютера) Это не только доступный научный фильм, но и окно в будущее технологий. С помощью этого фильма мы можем не только понять принципы и применение квантовых компьютеров, но и почувствовать напряженную глобальную технологическую конкуренцию и потрясающие научные прорывы. С развитием технологий квантовых вычислений они не только изменят нашу технологическую экосистему, но и глубоко повлияют на нашу повседневную жизнь.

Эта статья (Один час для понимания квантового компьютера): погружает вас в квантовую революцию, впервые опубликована на Chain News ABMedia.