9、经典计算机与量子计算机编程挑战及语言发展

经典计算机与量子计算机编程挑战及语言发展

1. 经典计算机面临的挑战

1958 年 Jack Kilby 发明的集成电路彻底改变了经典计算，成为当今经典计算机的主要基础。如今，几乎随处可见由极小晶体管组成的电子芯片和电路，我们使用的经典计算机在一个小电子芯片中就有数十亿个晶体管。

经典计算机面临诸多挑战：
- 量子力学影响 ：研究人员一直希望计算能力尽可能节能和便携，英特尔等微处理器公司不断缩小处理器尺寸，试图在芯片小面积内集成尽可能多的晶体管并减少散热。但当晶体管规模变小时，量子力学现象开始占主导，导致经典计算过程结果不准确，还阻碍了硅芯片的制造。根据 1965 年提出的摩尔定律，预计新电子芯片中的晶体管数量每两年翻一番，但由于制造过程中的量子力学效应，半导体芯片制造在制造更小型化微芯片时面临物理极限。
- 特定问题计算能力不足 ：经典计算机在非结构化数据库中搜索值和分解非常大的整数等问题上，需要巨大的计算能力。如果在当今的经典计算机上尝试解决这些问题，可能需要数年时间才能找到解决方案。分解问题是现代密码系统的重要组成部分，由于量子计算机计算系统固有的并行性，人们自然会认为量子计算机能够破解任何经典密码系统，因此目前在量子密码学领域有大量研究，以开发无法被破解且最安全的密码系统。
- 处理速度和通信延迟 ：经典计算机是顺序设备，一次执行一个计算。为实现并行计算，引入了图形处理单元（GPU），它由大量经典处理器并行连接，使信息处理更快，广泛用于游戏、图形设计、太空研究等领域。然而，GPU 也是经典设备，在制造用于计算的并行核心时，芯片尺寸存在一定限制。此外，经典计算