英國和荷蘭的研究人員用兩個不同的量子問題——破解比特幣(一種數字貨幣)的加密和模擬負責生物固氮的分子——來估算可實用的量子計算機的大小規模。
在AVS Quantum Science 中，研究人員描述了他們創建的一種工具，用於確定解決此類問題需要多大的量子計算機以及需要多長時間。
“這一領域的大部分現有工作都集中在特定的硬件、超導設備上，就像IBM 和谷歌正在努力開發的那種。”蘇塞克斯大學的馬克·韋伯說。“不同的硬件平台在關鍵硬件規格上會有很大差異，如運算速率和對量子比特(量子比特)的控制質量。”
許多最有前途的量子優勢用例將需要糾錯量子計算機。糾錯可以通過補償量子計算機內部的固有錯誤來運行更長的算法，但它是以更多物理量子比特為代價的。
從空氣中提取氮來製造用於肥料的氨是非常耗能的，改進這一過程可能會緩解世界糧食危機和氣候危機。相關分子的模擬目前甚至超出了世界上最快的超級計算機的能力，但應該在下一代量子計算機的能力範圍內。
“我們的工具根據關鍵硬件規格自動計算糾錯開銷。為了使量子算法運行得更快，我們可以通過添加更多物理量子位來並行執行更多操作。我們根據需要引入額外的量子位以達到所需的運行時間，這嚴重依賴於物理硬件級別的操作速率。”
大多數量子計算硬件平台只有彼此相鄰的量子位才能直接交互。在其他平台中，例如一些捕獲離子設計，量子位不在固定位置，而是可以物理移動——這意味著每個量子位可以直接與大量其他量子位相互作用。
“我們探索瞭如何最好地利用這種連接遙遠量子位的能力，目的是用更少的量子位在更短的時間內解決問題。我們必須繼續調整糾錯策略，以利用底層硬件的優勢，這可使我們能夠用比以前假設的更小的量子計算機來解決影響深遠的問題。”
與經典計算機相比，量子計算機在破解許多加密技術方面的能力呈指數級增長。世界上大多數安全通信都使用RSA 加密。RSA 加密和比特幣使用的橢圓曲線數字簽名算法有朝一日會受到量子計算攻擊，但今天，即使是最大的超級計算機也永遠不會構成嚴重威脅。
“當今最先進的量子計算機只有50-100 個量子比特，我們估計需要3千萬到3億個物理量子比特，這表明比特幣目前應該被認為是安全的，不會受到量子攻擊，但這種尺寸的設備通常被認為是可以實現的，未來的進步可能會進一步降低要求。比特幣網絡可以對量子安全加密技術執行'硬分叉'，但這可能會由於內存需求增加而導致網絡擴展問題。”
研究人員強調了量子算法和糾錯協議的改進速度。
“四年前，我們估計一個捕獲離子設備需要10 億個物理量子比特才能破解RSA加密，這需要佔地100 x 100 平方米的空間。”韋伯說，“現在，隨著全面改進，這可能會減少到僅2.5 x 2.5 平方米的面積。”
大規模糾錯量子計算機應該能夠解決經典計算機無法解決的重要問題。
“模擬分子可應用於能源效率、電池、改進的催化劑、新材料和新藥的開發。進一步的量子應用程序包括金融、大數據分析、飛機設計流體和物流優化。”
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