从智能型手机到超级计算机，传统的电子计算设备已经深深融入我们的日常生活和科学研究中。然而，科技的发展永无止境，一种全新的计算范式正在崛起——量子计算机。这项突破然而，正如 Google 最新的突破性研究所示，我们距离真正实现量子计算的全部潜力还有很长的路要走。

量子计算的基本原理

量子计算机利用量子力学原理进行运算，使用量子位（qubit）而非传统的位（bit）。量子位的独特之处在于它可以同时处于多种状态的迭加态，这种「量子迭加」特性使得量子计算机能够进行大规模的并行计算。另一个关键概念是量子纠缠，它允许量子位之间建立特殊的关联，提高计算效率。

Google 的 Willow 量子芯片：突破与限制并存

最近，Google 宣布了其最新的量子计算突破：Willow 芯片。这款新型量子处理器号称能在 5 分钟内解决一个需要世界上最快超级计算机花费 10 涧年（即10²⁵年，26位数字）才能完成计算挑战。这无疑是一个令人印象深刻的成就，展示了量子计算的巨大潜力。然而，Google Quantum AI 的负责人 Charina Chou 向接受外媒访问时表示，Willow 芯片「无法破解现代密码学」。尽管 Willow 已经实现了 105 个物理量子位的计算能力，但要真正破解如 RSA 等现代加密系统，估计需要大约 400 万个物理量子位。Chou 进一步指出，我们至少还需要 10 年的时间才能实现这一目标。

量子计算机与密码学的关系

量子计算对现代密码学的潜在威胁一直是业界关注焦点。2022 年，白宫曾警告称，一旦出现「密码分析相关量子计算机」（CRQC），可能会危及民用和军事通讯、破坏关键基础设施的监控系统，并击败大多数基于互联网的金融交易的安全协议。

为应对这潜在威胁，包括 Google 在内的多家公司正在开发后量子密码学（PQC）技术。美国国家标准与技术研究院（NIST）也于今年 8 月发布了三种最终算法和整合标准，计划在年底前再选择一到两种算法。

量子计算面临的挑战

尽管取得了重大进展，量子计算仍面临诸多技术挑战：

1. 量子退相干：量子系统极易受到环境干扰。

2. 错误校正：量子计算中的错误率远高于传统计算。

3. 扩展性：增加量子位数量会指数级地增加系统复杂度。

4. 操作温度：许多量子系统需要在极低温下运行。

5. 量子算法开发：需要特定的算法来充分利用量子优势。

未来展望

虽然 Google 的 Willow 芯片展示了量子计算的巨大潜力，但它也凸显了我们距离实现真正实用的大规模量子计算机还有很长的路要走。各国政府和科技巨头持续大力投资量子计算研究，量子时代的来临可能比我们想象的更快。

然而，要认识到，量子计算机并不会完全取代传统计算机，而是在特定领域发挥优势，与传统计算形成互补。随着研究深入，我们有望看到更多量子技术突破，但同时也需要谨慎评估其潜在影响，特别是在密码学和信息安全领域。

*本文配图由丁老师使用AI作图生成