日期:2022/12/04   IAE 報導

Quantum Information Science

自 20 世紀 60 年代中期以來，我們一直生活在一個受摩爾定律支配的世界中。 1965 年，英特爾聯合創始人戈登摩爾預測，計算機芯片上的晶體管數量將每年翻一番——這一趨勢意味著計算機能力每年翻一番。後來預測的間隔被修改為十八個月。隨著數百萬乃至數十億個晶體管被塞進最先進的計算機芯片中，這一預測在超過 50 年的時間裡一直成立。但考慮到微型化的純粹物理限制，摩爾定律現在正在放緩，人們早就認識到摩爾定律最終會走到盡頭。

這是推動人們對量子信息科學 (QIS) 日益增長的興趣的一項重大發展，量子信息科學是一種計算和信息處理形式，可以通過依賴奇異的量子效應來繞過這些“經典”物理限制。

此類效應包括“疊加”——即一個量子系統可以存在於所有可能的狀態，直到它被觀察到——和“糾纏”——即對配對系統中一個成員的測量導致另一個成員立即呈現相關值，無論如何他們在遙遠的太空中。

QIS 被認為在四個主要領域有希望：

量子計算。量子計算不依賴於值為 1 或 0 的位，而是使用可以存在於中間值的量子位。量子計算機雖然不能替代經典計算機，但被認為在解決某些問題方面非常強大，例如非常大的數字因式分解和解決科學中一些長期存在的挑戰。人們相信它們特別適合模擬實際的物理量子行為，無論是在材料還是化學系統中。
量子通信。量子信息系統提供了極其安全的加密的可能性——在網絡安全不斷面臨風險的時代，這是一個主要的吸引力。
量子傳感。人們相信，基於量子效應的傳感器可能非常靈敏，可以幫助理解從生物系統到暗物質性質的一切事物。

量子基礎科學。需要基礎理論和實驗研究來擴大 QIS 在量子計算、通信和傳感方面的應用。
認識到這些機會，並意識到這一充滿希望的新科技領域的國際競爭日益激烈，國會通過了《國家量子倡議法案》，該法案於 2018 年 12 月成為法律。

美國能源部科學辦公室是國家量子計劃不可或缺的合作夥伴，並在 QIS 中啟動了一系列多學科研究計劃。這些努力跨越了科學辦公室內的六個主要項目辦公室。它們包括努力開發量子計算機作為試驗台，設計新的量子計算算法，以及使用量子計算來模擬基礎物理、化學和材料現象。有研究將弦理論和黑洞物理學的最新進展與量子糾錯碼聯繫起來。人們正在努力使用糾纏來支持量子通信，以實現未來量子網絡的可能發展。材料和化學科學領域也在努力開發能夠在很長一段時間內維持性能（即所謂的“量子相干性”）的系統——這是有效量子計算和信息處理的先決條件。此外，還有用於下一代探測器的傳感器和可以實現下一輪科學和工程創新的表徵工具的工作。