關于量子計算你需要了解的12件事

來源：千家網(wǎng)

很可能在接下來的十年中，我們將開始看到量子計算機執(zhí)行在傳統(tǒng)計算機上根本不可行的計算。

對于許多人來說，量子計算似乎與核聚變有相似之處，一種具有巨大潛力的技術，但盡管進行了數(shù)十年耗資巨大的研究，但仍沒有可證明的好處。

然而，除了炒作和理論之外，制造商將有很多現(xiàn)實生活中切實可行的機會來更快、更便宜地解決關鍵的商業(yè)挑戰(zhàn)，重要的是要意識到量子計算給某些加密方案帶來的威脅。

1. 為什么我們需要量子計算？

盡管計算能力的大幅提升定義了我們的現(xiàn)代世界，但仍有一些任務是經(jīng)典計算機無法很好地處理的。例如，開發(fā)室溫超導體將有助于解決世界能源問題，但研究受到阻礙，部分原因是經(jīng)典計算機，無法模擬具有許多糾纏粒子的量子系統(tǒng)。

醫(yī)學研究也受到影響，因為傳統(tǒng)的計算機不能準確地模擬大分子。優(yōu)化和機器學習算法有時會受到計算資源約束的限制。人們相信，量子計算機將在未來解決其中一些難題，因為它們的計算范式根本不同。

2. 量子計算將如何影響我的行業(yè)？

當今的嘈雜中尺度量子(NISQ)設備最多只有幾百個量子位，而且這些設備非常容易出錯。在當前的NISQ時代，變分量子算法（VQA），其中量子計算機由經(jīng)典計算機“訓練”，可能會用于廣泛的功能：

優(yōu)化：解決廣泛的現(xiàn)實問題，例如尋找電信網(wǎng)絡的最佳配置、最后一英里交付的最佳車輛路線、優(yōu)化供應鏈和工廠流程。

機器學習：特別是用于異常檢測以發(fā)現(xiàn)制造故障。

計算流體動力學：計算車輛周圍的流體流動，使其更具空氣動力學性能。

現(xiàn)代研究的“圣杯”是建造一臺大型、通用、糾錯的量子計算機，原則上它可以運行任何量子算法，具有許多積極的社會影響，包括通過發(fā)現(xiàn)太陽能電池、電池甚至室溫超導體的新材料徹底改變氣候變化的挑戰(zhàn)。

3. 短期內哪些行業(yè)受益最大？具有復雜供應鏈的多個行業(yè)將受益于比傳統(tǒng)方式更好的優(yōu)化能力，這些可能是第一個商業(yè)用例，具有快速和顯著的回報。例如，量子計算機正被用于開發(fā)下一代電池，航空航天業(yè)將受益于量子流體動力學模擬實現(xiàn)的數(shù)字孿生。

4. 量子如何轉化為經(jīng)濟機會？

許多企業(yè)將受益于改進的量子化學、流體動力學、機器學習和優(yōu)化。這些企業(yè)不僅需要購買量子計算機或量子計算機的云訪問權限，還需要購買完整的產(chǎn)品。他們可能需要購買咨詢服務，以了解哪些問題適合量子計算、量子軟件和使用量子算法的權利。

量子計算機制造商本身需要采購必要的供應鏈組件，例如稀釋制冷機、激光器、半導體納米結構設計和制造以及微波發(fā)生器，并依賴于科學研究。所有這些交易都提供了經(jīng)濟機會并構建了量子生態(tài)系統(tǒng)。

5. 什么是量子計算機？

量子計算機依賴于僅在小尺度上相關的量子效應，而我們在日常生活中看不到這種效應。例如，普通的煮蛋計時器一開始是滿的，然后隨著沙子的排出而逐漸變空。在原子尺度上的量子等價物是完全不同的。輻射脈沖會使原子在激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間轉換，就像雞蛋計時器一樣。

因為在量子力學中，能量以塊狀或“量子”形式出現(xiàn)，在適當長度的脈沖之后，原子處于激發(fā)態(tài)或基態(tài)的概率相同。脈沖使原子處于“量子疊加”狀態(tài)，原子同時處于激發(fā)態(tài)和基態(tài)。原子可以被認為是一個“量子位”，相當于經(jīng)典計算位。

6. 量子計算與普通計算有何不同？在普通或“經(jīng)典”計算中使用的位，永遠只處于兩種二進制狀態(tài)之一，即0或1。由于疊加，一個量子位可以容納更多的信息。在量子計算機中，對疊加的多個量子比特進行并行處理，可以在某些計算問題上比經(jīng)典計算機提供巨大的優(yōu)勢。

7. 什么是量子至上論？為什么它很重要？當具有53個量子位的超導量子設備執(zhí)行經(jīng)典計算機無法執(zhí)行的計算時，谷歌聲稱擁有量子至上論。由于其政治含義，“至上”一詞的使用現(xiàn)在普遍被認為是不恰當?shù)?。該計算沒有商業(yè)價值，而且錯誤率很高，盡管如此，這一重要的演示暗示了未來的量子商業(yè)優(yōu)勢，即在某些應用中使用量子計算將更便宜或更方便。

8. 量子計算機距離商業(yè)化或者真正能夠產(chǎn)生影響還有多遠？大多數(shù)專家認為，量子計算機距離某些應用的商業(yè)可行性還需要三到八年的時間，而通用、容錯的計算機至少還需要十年的時間。有人會說量子計算機已經(jīng)產(chǎn)生了影響，至少有一家大企業(yè)還沒有完全實施量子優(yōu)化程序，但發(fā)現(xiàn)每天運行該算法，有助于通過維護企業(yè)獲得配置設備路由的最佳方式的寶貴見解。

9. 在不久的將來，誰將能夠使用量子計算能力？目前任何人都可以訪問量子計算機。例如，使用Qiskit，可以使用幾行Python代碼對量子電路進行編程，并將其提交到小型IBM設備上。AmazonBraket和MicrosoftAzure等大型云計算供應商為量子硬件供應商提供云訪問權限，而D-Wave等制造商則出售其設備的訪問權限。DigitalCatapult將在今年晚些時候運行一項量子技術訪問計劃。

10. 英國在量子計算機行業(yè)的競爭中處于怎樣的地位？英國在資助量子研究方面起步較早，自2014年以來總投資超過10億英鎊，并于2023年3月宣布了新的十年國家量子戰(zhàn)略，承諾從2020年起的十年內投入25億英鎊在英國發(fā)展量子技術。2024年。國家量子計算中心(NQCC)報告稱，英國在量子項目交付方面排名全球第四，在量子技術商業(yè)化方面排名全球第二。

11. 量子是否存在像我們在人工智能中看到的那樣潛在的負面后果？

肖爾在1994年提出的量子分解算法震驚了研究界，它提出了一個令人印象深刻的“量子加速”，可能會破壞RSA加密。盡管運行完整算法所需的大型、通用、容錯設備可能還需要幾十年的時間，但有跡象表明，這種算法的變體可能會更快地破解RSA加密。

像現(xiàn)代汽車這樣的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備的綜合開發(fā)和使用壽命可能非常長，如果將RSA加密算法硬連接到芯片中，那么當量子計算機到來時，這些設備可能仍然在現(xiàn)場，可以破解加密。

12. 我們如何預防/減輕可能的負面后果？

任何依賴RSA或類似方案來保護商業(yè)機密的行業(yè)，都應該意識到“先存儲，后破解”攻擊的風險。有充分理由制定一種在軟件和硬件中實施量子安全加密的策略。與任何新技術一樣，量子計算的全面影響需要幾十年的時間才能顯現(xiàn)出來。從長遠來看，量子計算將深刻塑造我們的未來，其影響將與飛行或硅芯片的發(fā)明一樣巨大。

很可能在接下來的十年中，我們將開始看到量子計算機執(zhí)行在傳統(tǒng)計算機上根本不可行的計算。