關(guān)于量子計(jì)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(jì)算機(jī)執(zhí)行在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上根本不可行的計(jì)算。

對于許多人來說，量子計(jì)算似乎與核聚變有相似之處，一種具有巨大潛力的技術(shù)，但盡管進(jìn)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(shí)生活中切實(shí)可行的機(jī)會來更快、更便宜地解決關(guān)鍵的商業(yè)挑戰(zhàn)，重要的是要意識到量子計(jì)算給某些加密方案帶來的威脅。

1. 為什么我們需要量子計(jì)算？

盡管計(jì)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(wù)是經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法很好地處理的。例如，開發(fā)室溫超導(dǎo)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(jì)算機(jī)，無法模擬具有許多糾纏粒子的量子系統(tǒng)。

醫(yī)學(xué)研究也受到影響，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的計(jì)算機(jī)不能準(zhǔn)確地模擬大分子。優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)算法有時(shí)會受到計(jì)算資源約束的限制。人們相信，量子計(jì)算機(jī)將在未來解決其中一些難題，因?yàn)樗鼈兊挠?jì)算范式根本不同。

2. 量子計(jì)算將如何影響我的行業(yè)？

當(dāng)今的嘈雜中尺度量子(NISQ)設(shè)備最多只有幾百個量子位，而且這些設(shè)備非常容易出錯。在當(dāng)前的NISQ時(shí)代，變分量子算法（VQA），其中量子計(jì)算機(jī)由經(jīng)典計(jì)算機(jī)“訓(xùn)練”，可能會用于廣泛的功能：

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

機(jī)器學(xué)習(xí)：特別是用于異常檢測以發(fā)現(xiàn)制造故障。

計(jì)算流體動力學(xué)：計(jì)算車輛周圍的流體流動，使其更具空氣動力學(xué)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(jì)算機(jī)，原則上它可以運(yùn)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(dǎo)體的新材料徹底改變氣候變化的挑戰(zhàn)。

3. 短期內(nèi)哪些行業(yè)受益最大？具有復(fù)雜供應(yīng)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(bào)。例如，量子計(jì)算機(jī)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(xué)模擬實(shí)現(xiàn)的數(shù)字孿生。

4. 量子如何轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)機(jī)會？

許多企業(yè)將受益于改進(jìn)的量子化學(xué)、流體動力學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化。這些企業(yè)不僅需要購買量子計(jì)算機(jī)或量子計(jì)算機(jī)的云訪問權(quán)限，還需要購買完整的產(chǎn)品。他們可能需要購買咨詢服務(wù)，以了解哪些問題適合量子計(jì)算、量子軟件和使用量子算法的權(quán)利。

量子計(jì)算機(jī)制造商本身需要采購必要的供應(yīng)鏈組件，例如稀釋制冷機(jī)、激光器、半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造以及微波發(fā)生器，并依賴于科學(xué)研究。所有這些交易都提供了經(jīng)濟(jì)機(jī)會并構(gòu)建了量子生態(tài)系統(tǒng)。

5. 什么是量子計(jì)算機(jī)？

量子計(jì)算機(jī)依賴于僅在小尺度上相關(guān)的量子效應(yīng)，而我們在日常生活中看不到這種效應(yīng)。例如，普通的煮蛋計(jì)時(shí)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(jià)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(zhuǎn)換，就像雞蛋計(jì)時(shí)器一樣。

因?yàn)樵诹孔恿W(xué)中，能量以塊狀或“量子”形式出現(xiàn)，在適當(dāng)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(shí)處于激發(fā)態(tài)和基態(tài)。原子可以被認(rèn)為是一個“量子位”，相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算位。

6. 量子計(jì)算與普通計(jì)算有何不同？在普通或“經(jīng)典”計(jì)算中使用的位，永遠(yuǎn)只處于兩種二進(jìn)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(jì)算機(jī)中，對疊加的多個量子比特進(jìn)行并行處理，可以在某些計(jì)算問題上比經(jīng)典計(jì)算機(jī)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(dāng)具有53個量子位的超導(dǎo)量子設(shè)備執(zhí)行經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法執(zhí)行的計(jì)算時(shí)，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(rèn)為是不恰當(dāng)?shù)摹Ｔ撚?jì)算沒有商業(yè)價(jià)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(yīng)用中使用量子計(jì)算將更便宜或更方便。

8. 量子計(jì)算機(jī)距離商業(yè)化或者真正能夠產(chǎn)生影響還有多遠(yuǎn)？大多數(shù)專家認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)距離某些應(yīng)用的商業(yè)可行性還需要三到八年的時(shí)間，而通用、容錯的計(jì)算機(jī)至少還需要十年的時(shí)間。有人會說量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)產(chǎn)生了影響，至少有一家大企業(yè)還沒有完全實(shí)施量子優(yōu)化程序，但發(fā)現(xiàn)每天運(yùn)行該算法，有助于通過維護(hù)企業(yè)獲得配置設(shè)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(jì)算能力？目前任何人都可以訪問量子計(jì)算機(jī)。例如，使用Qiskit，可以使用幾行Python代碼對量子電路進(jìn)行編程，并將其提交到小型IBM設(shè)備上。AmazonBraket和MicrosoftAzure等大型云計(jì)算供應(yīng)商為量子硬件供應(yīng)商提供云訪問權(quán)限，而D-Wave等制造商則出售其設(shè)備的訪問權(quán)限。DigitalCatapult將在今年晚些時(shí)候運(yùn)行一項(xiàng)量子技術(shù)訪問計(jì)劃。

10. 英國在量子計(jì)算機(jī)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(nèi)投入25億英鎊在英國發(fā)展量子技術(shù)。2024年。國家量子計(jì)算中心(NQCC)報(bào)告稱，英國在量子項(xiàng)目交付方面排名全球第四，在量子技術(shù)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(fù)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(yùn)行完整算法所需的大型、通用、容錯設(shè)備可能還需要幾十年的時(shí)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(shè)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(dāng)量子計(jì)算機(jī)到來時(shí)，這些設(shè)備可能仍然在現(xiàn)場，可以破解加密。

12. 我們?nèi)绾晤A(yù)防/減輕可能的負(fù)面后果？

任何依賴RSA或類似方案來保護(hù)商業(yè)機(jī)密的行業(yè)，都應(yīng)該意識到“先存儲，后破解”攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。有充分理由制定一種在軟件和硬件中實(shí)施量子安全加密的策略。與任何新技術(shù)一樣，量子計(jì)算的全面影響需要幾十年的時(shí)間才能顯現(xiàn)出來。從長遠(yuǎn)來看，量子計(jì)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(jì)算機(jī)執(zhí)行在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上根本不可行的計(jì)算。