量子計算機量子計算是影響最深遠、最具挑戰(zhàn)性的量子技術(shù)之一。基于可以同時為 0 和 1 的量子比特以及跨設(shè)備的瞬時相關(guān)性，量子計算機充當(dāng)大規(guī)模并行設(shè)備，同時進行指數(shù)級大量計算。已經(jīng)存在許多利用這種能力的算法，這將使我們能夠解決即使是最強大的經(jīng)典超級計算機也無法解決的問題。
在過去的二十年里，已經(jīng)證明了使用不同平臺的量子計算機。最先進的是基于捕獲離子和超導(dǎo)電路，其中小型原型最多可用于10-15 個量子比特已經(jīng)運行了基本的算法和協(xié)議。 許多平臺和架構(gòu)已經(jīng)展示了基于固態(tài)系統(tǒng)（半導(dǎo)體中的電子自旋、固體中的核自旋、馬約拉納零模式）和原子和光學(xué)系統(tǒng)（分子中的核自旋、超精細和里德堡態(tài)）的量子計算的基本原理。原子和光子，僅舉幾例）。 由于技術(shù)興趣和現(xiàn)有方法的明顯局限性，被稱為計算擴展的“摩爾定律的終結(jié)”，全球 IT 公司在過去十年中對量子計算的興趣越來越大。量子計算機設(shè)計、容錯算法和新制造技術(shù)的進步正在將這種“圣杯”技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€現(xiàn)實的程序，有望在某些應(yīng)用中超越經(jīng)典計算十到二十年。隨著這些新的發(fā)展，公司要問的問題不是是否會有量子計算機，而是誰將建造并從中獲利。例如，英特爾、HRL 實驗室和 NTT 正在支持半導(dǎo)體中的自旋量子比特；谷歌、IBM 和英特爾正在投資超導(dǎo)量子比特；D-Wave 正在生產(chǎn)超導(dǎo)量子退火爐；微軟押注拓撲量子比特；Lockheed Martin 和 INFINEON 正在支持對俘獲離子及其與光子界面的研究。 量子計算的世界領(lǐng)先研究位于歐洲，許多 IT 公司都選擇了歐洲的學(xué)術(shù)合作伙伴進行研發(fā)工作。在長達十年的時間內(nèi)在歐洲實現(xiàn)量子計算能力將需要工業(yè)和學(xué)術(shù)合作伙伴之間的協(xié)同作用，以及來自 Fraunhofer、IMEC、VTT 和 LETI 等機構(gòu)的工程師參與多學(xué)科聯(lián)盟。必須通過開發(fā)量子軟件來補充硬件工作，以獲得能夠解決感興趣的應(yīng)用問題的優(yōu)化量子算法。歐洲在經(jīng)典高性能計算應(yīng)用軟件開發(fā)方面處于領(lǐng)先地位，因此可以很好地建立量子軟件工程的新興領(lǐng)域， 技術(shù)里程碑
量子模擬器飛機、建筑物、汽車和許多其他復(fù)雜物體的設(shè)計都使用了超級計算機。相比之下，我們還無法預(yù)測由幾百個原子組成的材料是否會導(dǎo)電或表現(xiàn)得像磁鐵一樣，或者是否會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。基于量子物理定律的量子模擬器將使我們能夠克服超級計算機的缺點并模擬材料或化合物，以及求解其他領(lǐng)域的方程，如高能物理。
量子模擬器可以被視為量子計算機的模擬版本，專門用于重現(xiàn)材料在極低溫度下的行為，在這種情況下會出現(xiàn)量子現(xiàn)象并產(chǎn)生非凡的特性。與通用量子計算機相比，它們的主要優(yōu)勢在于量子模擬器不需要完全控制每個單獨的組件，因此構(gòu)建起來更簡單。 幾個用于量子模擬器的平臺正在開發(fā)中，包括光學(xué)晶格中的超冷原子、俘獲離子、超導(dǎo)量子位陣列或量子點和光子陣列。事實上，第一個原型已經(jīng)能夠執(zhí)行超出當(dāng)前超級計算機可能的模擬，盡管只是針對一些特定問題。這一研究領(lǐng)域進展非常迅速。量子模擬器旨在解決材料科學(xué)中的一些突出難題，并使我們能夠執(zhí)行原本不可能的計算。一個這樣的謎團是高溫超導(dǎo)的起源，這是一種大約在 30 年前發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，但就其起源而言仍然是一個謎。 技術(shù)里程碑
量子通信通信安全對消費者、企業(yè)和政府都具有重要的戰(zhàn)略意義。目前，它是通過經(jīng)典算法加密提供的，可以被量子計算機破解。這推動了量子安全密碼學(xué)的發(fā)展，即量子計算機無法破解的加密方法。基于量子加密的安全解決方案也不受量子計算機的攻擊，并且在今天可以買到，就像量子隨機數(shù)生成一樣——大多數(shù)加密協(xié)議中的關(guān)鍵原語。
但它們只能在不到 500 公里的距離內(nèi)發(fā)揮作用：量子信息是安全的，因為它不能被克隆，但出于同樣的原因，它不能通過傳統(tǒng)的中繼器進行中繼。相反，中繼器基于可信節(jié)點或完全量子需要設(shè)備，可能涉及衛(wèi)星，才能達到全球距離。量子中繼器的優(yōu)勢在于擴展了可信節(jié)點之間的距離。全量子中繼器方案的構(gòu)建模塊有兩個：一個小型量子處理器和一個量子接口，用于將信息轉(zhuǎn)換為光子，類似于當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)中使用的光電子設(shè)備，但具有量子功能。這些構(gòu)建模塊已經(jīng)在實驗室中進行了演示，但它們?nèi)孕枰嗄甑难邪l(fā)才能進入市場。 一旦這種情況發(fā)生，真正的互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)的量子安全、傳感器網(wǎng)絡(luò)或分布式量子計算就可能成為現(xiàn)實。 技術(shù)里程碑
量子傳感器和計量疊加態(tài)自然對環(huán)境非常敏感，因此可以用來制造非常精確的傳感器。由于材料質(zhì)量和控制方面的穩(wěn)步進展、成本降低以及激光器等組件的小型化，這些設(shè)備現(xiàn)在已準(zhǔn)備好用于眾多商業(yè)應(yīng)用。固態(tài)量子傳感器，例如金剛石中的 NV 中心，已被證明可用于測量非常小的磁場。
這反過來可能有助于多種應(yīng)用，從生物傳感器到磁共振成像和金屬缺陷的檢測。超導(dǎo)量子干涉裝置是早期量子技術(shù)的一個例子，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于腦成像和粒子檢測等領(lǐng)域。 量子成像設(shè)備在成像過程中使用糾纏光從光中提取更多信息。這可以極大地改進成像技術(shù)，例如，通過使用壓縮光允許更高分辨率的圖像，或者通過測量一個與正在使用的第二個不同顏色和糾纏的光子糾纏的單個光子產(chǎn)生圖像的能力探測樣品。原子和分子干涉儀設(shè)備使用疊加來非常精確地測量加速度和旋轉(zhuǎn)。可以處理這些加速度和旋轉(zhuǎn)信號，以使慣性導(dǎo)航設(shè)備能夠在地下或建筑物內(nèi)導(dǎo)航。此類設(shè)備還可用于測量引力場、磁場、時間或基本物理常數(shù)的微小變化。 技術(shù)里程碑
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