量子计算，开源之道

量子现实观既奇异又令人着迷。正如理论物理学家 Michio Kaku 曾说过，“常识在量子力学中没有立足之地。”

认识到这是一个新的且不寻常的领域，我们可以期待量子创新超越我们之前所见过的任何事物。其背后的理论将实现前所未有的能力，但也存在一些阻碍其在现实世界中释放的障碍。

通过在量子比特上使用纠缠和叠加的概念，量子计算机可以比经典计算机更快地解决某些问题。例如，量子计算机对于解决 NP-hard 问题非常有用，例如 布尔可满足性问题，也称为 SAT 问题。使用 Grover 算法，布尔命题的求值复杂度，对于 $n$ 个变量，从 $O(n2^{n})$ 降至 $O(n2^{n/2})$，通过应用其量子版本。

量子计算可以解决的另一个更有趣的问题是 Bernstein-Vazirani 问题，其中给定一个函数 $f$，例如 $f(x)=x.s=x_{1}s_{1} + x_{2}s_{2} + x_{3}s_{3} + ... x_{n}s_{n}$，您必须找到 $s$。虽然经典解决方案需要 $n$ 次查询才能找到解决方案，但量子版本只需要一次查询。

量子计算对于安全问题非常有价值。它回答的一个有趣的谜题是：两个通信方如何在没有第三方窃取的情况下共享密钥来加密和解密他们的消息？

一个有效的答案是使用 量子密钥分发，这是一种实现涉及量子力学的密码协议的通信方法。这种方法依赖于量子原理，即“对系统的测量通常会扰乱它”。了解到第三方测量量子态会扰乱系统，两个通信方可以通过建立窃听阈值来了解通信是否安全。这种方法用于保护中国的银行转账和瑞士的选票结果传输。

然而，量子计算的进步要满足工业规模使用和部署的要求，还存在一些严重的障碍。首先，量子计算机在接近绝对零度的温度下运行，因为系统中任何热量都可能引入错误。其次，量子芯片组存在可扩展性问题。已知芯片组的数量级为 1,000 个量子比特，扩展到数百万或数十亿个量子比特以实现完全容错系统、纠错算法将需要大量工作。

使用量子解决方案解决现实问题的最佳方法是使用经典算法和量子算法的混合，并结合量子硬件。这样，可以使用量子算法更快解决的问题部分可以转移到量子计算机进行处理。一个例子是使用量子支持向量机来解决分类问题，其中矩阵求幂任务由量子计算机处理。

量子开源基金会 是一项支持量子计算开源工具开发的倡议。其目标是扩大开源软件在量子计算中的作用，重点是使用当前或近期的量子计算技术。该基金会还提供指向有关量子计算的开放课程、论文、视频、开发工具和博客的链接。

该基金会还支持 OQS-OpenSSH，这是一个关于量子密码学的有趣项目。该项目旨在构建一个公钥密码系统，即使面对量子计算也安全。由于它仍在开发中，因此建议使用混合密码学，同时使用量子安全公钥和经典公钥算法。

学习量子计算的一种有趣方式是玩 Entanglion，这是一款由 IBM Research 制作的双人游戏。目标是从头开始重建一台量子计算机。这款游戏非常具有启发性，可能是向年轻人介绍量子世界的好方法。

总而言之，量子世界的奥秘从未停止让我们惊叹，并且肯定会在未来继续下去。最激动人心的部分还在后头！