量子與傳統(tǒng) 為量子未來做好準備

量子物理學已經(jīng)改變了我們的生活。由于激光和晶體管——二者都是量子理論的產(chǎn)物——的發(fā)明，我們今天使用的幾乎每一個電子設(shè)備都是量子物理學的現(xiàn)實例子。就在我們試圖利用更多量子世界的力量之際，我們現(xiàn)在可能已處于第二次量子革命的邊緣。量子計算和量子通信能夠影響許多行業(yè)，包括醫(yī)療衛(wèi)生、能源、金融、安全以及娛樂。最近的研究預測，到2030年，量子產(chǎn)業(yè)的規(guī)模將達數(shù)十億美元。然而，我們需要克服重大的現(xiàn)實挑戰(zhàn)才能實現(xiàn)這種大規(guī)模的影響。

量子與傳統(tǒng)

雖然量子理論已有一個多世紀的歷史，但當前的量子革命卻是基于最近的領(lǐng)悟，即：不確定性——量子粒子的基本屬性——可以成為一種強大的資源。在單個量子粒子的層面，比如電子或光子（光的粒子），不可能精確知道粒子在任何特定時刻的每一種屬性。比如，你車里的全球定位系統(tǒng)（GPS）可以同時告之你的位置、速度和方向，而且精確度足以讓你到達目的地?？墒橇孔覩PS不能同時精確地顯示一個電子的所有屬性，不是因為設(shè)計上的缺陷，而是因為量子物理學定律不允許。在量子世界，我們必須使用概率語言，而不是確定性語言。在以0和1這種二進制位（bits）為基礎(chǔ)的計算環(huán)境中，這意味著量子位（qubits）有可能同時是1，也有可能同時是0。

這種不精確起初令人不安。在我們?nèi)粘５膫鹘y(tǒng)計算機中，0和1與開關(guān)及電子電路的閉與合相關(guān)聯(lián)。從計算的角度來講，不知道它們是閉還是合就沒有太大的意義。事實上，這會導致計算錯誤。然而，量子信息處理背后的革命性想法是，量子的不確定性——0和1之間的模糊疊加——實際上并不是漏洞，而是一種特性。它為更強大的通信和數(shù)據(jù)處理方式提供了新的手段。

現(xiàn)行的量子通信與量子計算

量子理論的概率性質(zhì)造成的一個結(jié)果是，量子信息不能被精確復制。從安全角度來看，這是在改變游戲規(guī)則。企圖復制用于加密和傳輸信息的量子秘鑰的黑客會遭到挫敗，哪怕他們可以訪問量子計算機，或者擁有其他強大的資源。這種基本上無法破解的加密是基于物理學定律，而非今天使用的復雜的數(shù)學算法。數(shù)學加密技術(shù)很容易被足夠強大的計算機破解，而破解量子加密則需要違反物理定律。

正如量子加密根本不同于當前基于數(shù)學復雜性的加密方法一樣，量子計算機也從根本上不同于當前的傳統(tǒng)計算機。兩者的差異猶如汽車與馬車。與馬車相比，汽車是基于對不同物理學定律的利用。它讓你更快到達目的地，讓你去往過去無法到達的新目的地。與傳統(tǒng)計算機相比，量子計算機可以說也同樣如此。量子計算機利用量子物理學的概率定律來處理數(shù)據(jù)，并以一種新的方式來進行計算。它可以更快地完成某些計算任務，并且能夠執(zhí)行過去不可能完成的新任務，比如，量子隱形傳態(tài)，即：在量子粒子中進行了編碼的信息會在某個地方消失，然后又會在另一個遙遠的地方精確地（但不是瞬時）重新創(chuàng)建。雖然這聽起來像科幻故事，但這種新的數(shù)據(jù)傳輸形式很可能成為未來量子互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

量子計算機一個特別重要的應用可能是在藥物開發(fā)和材料設(shè)計中模擬和分析分子。量子計算機格外適合這種任務，因為它運行所依據(jù)的量子物理學定律與它模擬的分子相同。使用量子設(shè)備來模擬量子化學可能比使用當今最快的傳統(tǒng)超級計算機更有效率。

量子計算機還完美地適合解決復雜的優(yōu)化任務，適合對未整理的數(shù)據(jù)執(zhí)行快速搜索。這對許多應用程序來說可能具有重大意義，從氣候、健康或財務數(shù)據(jù)的整理，到供應鏈物流、勞動力管理或交通流的優(yōu)化。

為量子未來做好準備

量子競賽已經(jīng)展開。世界各地的政府和私人投資者投入了數(shù)十億美元的資金進行量子研究與開發(fā)。星載的量子秘鑰分配加密技術(shù)已經(jīng)得到了論證，為建立一個潛在的基于量子安全的全球通信網(wǎng)絡奠定了基礎(chǔ)。IBM、谷歌、微軟、亞馬遜及其他企業(yè)正大力投資開發(fā)大型的量子計算硬件和軟件。尚沒有人實現(xiàn)目標。雖然小型量子計算機如今已投入運行，但是擴展這項技術(shù)的一個主要障礙是處理誤差的問題。與二進制位相比，量子位脆弱得難以置信。來自外部世界哪怕是最輕微的干擾就足以破壞量子信息。這就是為何目前的多數(shù)機器需要在隔離的環(huán)境中小心保護，其運行溫度須遠遠低于外太空的溫度。雖然一個進行量子誤差糾正的理論框架已經(jīng)開發(fā)出來，但是以節(jié)能和節(jié)約資源的方式付諸實施又帶來了重大的工程挑戰(zhàn)。

考慮到這個領(lǐng)域的現(xiàn)狀，目前尚不清楚量子計算的全部能力何時或是否可以實現(xiàn)。即便如此，企業(yè)領(lǐng)導也應該考慮制定策略來應對三個主要領(lǐng)域的問題：

制定量子安全規(guī)劃。目前的數(shù)據(jù)加密協(xié)議不僅對未來的量子計算機而言很脆弱，對更強大的傳統(tǒng)計算機而言也很脆弱。新的加密標準（無論是傳統(tǒng)的還是量子的）不可避免。轉(zhuǎn)變到量子安全架構(gòu)及數(shù)據(jù)安全配套基礎(chǔ)設(shè)施需要規(guī)劃、資源和量子專業(yè)知識。即使量子計算機可能距離我們還有10年的時間，等到那時再來適應就為時已晚。開啟這一過程的時間就是現(xiàn)在。

確定用例。沒有人曾預見到傳統(tǒng)計算機會以無數(shù)方式影響我們生活的每一方面。預測量子應用同樣具有挑戰(zhàn)性。這就是為何為了充分挖掘量子計算的潛力，衛(wèi)生、金融或能源等不同行業(yè)的企業(yè)領(lǐng)導及專家必須與量子研究人員和硬件/軟件工程師建立聯(lián)系的原因。這將促進特定行業(yè)量子解決方案的開發(fā)，這些解決方案是根據(jù)現(xiàn)有的量子技術(shù)或未來可大規(guī)模推廣的量子計算而量身定制的?？鐚W科的專業(yè)知識和培訓對于量子應用商店的建立和發(fā)展至關(guān)重要。

充分考慮負責任的設(shè)計。誰將開發(fā)并可以使用量子技術(shù)，用戶將如何與之接觸？人工智能（AI）和區(qū)塊鏈的影響已經(jīng)表明，有必要考慮新技術(shù)的社會、倫理和環(huán)境影響?，F(xiàn)在是量子產(chǎn)業(yè)的初期階段，這為我們提供了一個難得的機會，從一開始就植入包容的做法，為量子計算制定一個負責任且可持續(xù)的路線圖。

量子技術(shù)領(lǐng)域在過去5年中的快速發(fā)展令人振奮?？墒牵磥砣圆豢深A知。幸運的是，量子理論告訴我們，不可預測性不一定是壞事。事實上，兩個量子位可以以某種方式鎖定在一起，這樣，單個而言，它們?nèi)耘f不確定，但結(jié)合在一起，它們完全同步——兩個量子位要么都是0，要么都是1。這種聯(lián)合起來具有的確定性與獨自具有的不可預測性相結(jié)合——人稱量子糾纏的現(xiàn)象——是推動許多量子計算算法的強大刺激因素?；蛟S這也為如何建立量子產(chǎn)業(yè)提供了借鑒。通過負責任的規(guī)劃，同時也接受未來的不確定性，企業(yè)可以提高它們?yōu)榱孔游磥碜龊脺蕚涞膸茁省?/p>

舒希尼·高斯（Shohini Ghose） | 文

舒希尼·高斯是一位量子物理學家，勞里埃大學的物理學及計算機科學教授。她是加拿大物理學家協(xié)會的主席，TED高級研究員，勞里埃女性科學家中心（Laurier Centre for Womenin Science）的創(chuàng)始主任。

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