量子计算是指以量子理论原理为基础，重点发展计算机技术的研究领域。如今，数百亿美元的公共和私人资本正在投资于量子技术。世界各国已经意识到量子技术可以成为现有业务的主要颠覆者，2021年在量子研究和应用上的投资总额为240亿美元。代数。数据必须在任何时间点以独占二进制状态或我们所说的位进行处理。虽然每个晶体管或电容器在切换状态之前需要处于0或1的时间现在可以以纳秒为单位测量，但这些设备切换状态的速度仍然存在限制。随着我们朝着更小、更快的电路发展，我们开始触及材料的物理极限和经典物理定律应用的门槛。除此之外，在量子计算机中，量子世界接管了许多基本粒子，例如电子或光子，其电荷或极化代表0或1。这些粒子中的每一个都被称为量子位(qubit)，其属性和这些粒子的行为构成了量子计算的基础。经典计算机使用晶体管作为逻辑的物理构建块，而量子计算机可能使用俘获离子、超导环、量子点等。物理和逻辑量子比特在讨论具有纠错功能的量子计算机时，我们谈论的是物理和逻辑量子比特。物理量子位是量子计算机中的物理量子位，而逻辑量子位是物理量子位组，我们在计算中用作单独的量子位来对抗噪声和改进纠错。为了说明这一点，让我们考虑一个具有100个量子比特的量子计算机的例子。假设这台电脑容易产生噪音。为了解决这个问题，我们可以使用多个量子位来组成一个更稳定的量子位。我们可能会决定我们需要10个物理量子比特来形成一个可接受的逻辑量子比特。在这种情况下，我们会说我们的量子计算机有100个物理量子位，我们将其用作10个逻辑量子位。区分物理量子位和逻辑量子位很重要。对于执行某些计算需要多少量子位，有很多估计，但其中一些估计是针对逻辑量子位的，另一些是针对物理量子位的。例如：要破解RSA密码学，我们需要数千个逻辑量子位，但需要数百万个物理量子位。另一件要记住的事情是，在经典计算机中，计算能力与晶体管数量和时钟速度呈线性关系，而在量子计算机中，计算能力与每个逻辑量子位呈指数关系。量子叠加和纠缠量子物理学的两个最相关的方面是叠加和纠缠的原理。叠加：将量子比特想象成磁场中的电子。电子的自旋可以与场对齐，称为自旋向上状态，或与场相反，称为自旋向下状态。根据量子定律，粒子进入叠加态，在叠加态中，它的行为就好像同时处于两种状态一样。使用的每个量子位可以是0和1的叠加。普通计算机中的2位寄存器在任何给定时间只能存储四种二进制配置（00、01、10或11）中的一种，而2位寄存器-qubit量子计算机可以同时存储所有四个数字，因为每个qubit代表两个值。如果添加更多的量子位，增加的容量会呈指数级增长。纠缠：在某一点相互作用的粒子保持联系，并且可以成对地相互纠缠，这个过程称为相关性。了解纠缠粒子的自旋状态——向上或向下——可以让我们知道它的伙伴以相反的方向自旋。量子纠缠允许相距难以置信的距离的量子比特瞬间相互作用（不限于光速）。无论粒子相距多远，只要它们被隔离，它们就会保持纠缠状态。量子叠加和纠缠共同创造了极大增强的计算能力。量子计算机分为四类：量子模拟器/模拟器量子退火器噪声中级量子(NISQ)通用量子计算机——可以是密码相关量子计算机(CRQC)量子模拟器/模拟器这些是您今天可以购买的经典计算机模拟量子算法。它们使测试和调试量子算法变得容易，这些算法有朝一日可能会在通用量子计算机(UQC)上运行。由于它们不使用任何量子硬件，因此它们并不比标准计算机快。量子退火器是一种专用量子计算机，旨在仅运行组合优化问题，而不是一般计算或密码学问题。虽然它们比任何其他当前系统拥有更多的物理量子位，但它们并未组织为基于门的逻辑量子位。目前，这是一项寻找可行的未来市场的商业技术。嘈杂的中间量子(NISQ)计算机。将它们视为通用量子计算机的原型——位数减少几个数量级。他们目前有50-100个量子位、有限的门深度和短的相干时间。由于量子位要大几个数量级，NISQ计算机无法执行任何有用的计算，但它们是学习的必要阶段，尤其是在驱动整个系统和软件学习的同时开发硬件。将它们视为未来通用量子计算机的训练轮。通用量子计算机/密码相关量子计算机（CRQC）这是最终目标。如果你能构建一个容错的通用量子计算机（即数百万个纠错物理量子比特产生数千个逻辑量子比特），你就可以在密码学、搜索和优化、量子系统模拟和线性方程求解在计算机中运行量子算法。后量子/抗量子代码新的密码系统对量子计算机和经典计算机都是安全的，并且可以与现有的通信协议和网络互操作。尽管开发了CRQC，但从商业国家安全算法(CNSA)套件中选择对称密钥算法是为了确保国家安全系统使用的安全性。商业行业认为量子安全的密码方案包括基于格的密码学、哈希树、多元方程和超奇异同源椭圆曲线。量子计算机的困难?干扰——在量子计算的计算阶段，量子系统中最轻微的干扰（例如杂散光子或电磁辐射波）都可能导致量子计算崩溃，这一过程称为退相干。量子计算机在计算阶段必须与所有外部干扰完全隔离。?纠错——考虑到量子计算的性质，纠错是至关重要的——即使是计算中的一个错误也会降低整个计算的有效性。?输出合规性——与上述两者密切相关，在量子计算完成后检索输出数据存在损坏数据的风险。
