关于量子计算你需要了解的12件事

来源：千家网

很可能在接下来的十年中，我们将开始看到量子计算机执行在传统计算机上根本不可行的计算。

对于许多人来说，量子计算似乎与核聚变有相似之处，一种具有巨大潜力的技术，但尽管进行了数十年耗资巨大的研究，但仍没有可证明的好处。

然而，除了炒作和理论之外，制造商将有很多现实生活中切实可行的机会来更快、更便宜地解决关键的商业挑战，重要的是要意识到量子计算给某些加密方案带来的威胁。

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1. 为什么我们需要量子计算？

尽管计算能力的大幅提升定义了我们的现代世界，但仍有一些任务是经典计算机无法很好地处理的。例如，开发室温超导体将有助于解决世界能源问题，但研究受到阻碍，部分原因是经典计算机，无法模拟具有许多纠缠粒子的量子系统。

医学研究也受到影响，因为传统的计算机不能准确地模拟大分子。优化和机器学习算法有时会受到计算资源约束的限制。人们相信，量子计算机将在未来解决其中一些难题，因为它们的计算范式根本不同。

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2. 量子计算将如何影响我的行业？

当今的嘈杂中尺度量子(NISQ)设备最多只有几百个量子位，而且这些设备非常容易出错。在当前的NISQ时代，变分量子算法（VQA），其中量子计算机由经典计算机“训练”，可能会用于广泛的功能：

优化：解决广泛的现实问题，例如寻找电信网络的最佳配置、最后一英里交付的最佳车辆路线、优化供应链和工厂流程。

机器学习：特别是用于异常检测以发现制造故障。

计算流体动力学：计算车辆周围的流体流动，使其更具空气动力学性能。

现代研究的“圣杯”是建造一台大型、通用、纠错的量子计算机，原则上它可以运行任何量子算法，具有许多积极的社会影响，包括通过发现太阳能电池、电池甚至室温超导体的新材料彻底改变气候变化的挑战。

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3. 短期内哪些行业受益最大？具有复杂供应链的多个行业将受益于比传统方式更好的优化能力，这些可能是第一个商业用例，具有快速和显着的回报。例如，量子计算机正被用于开发下一代电池，航空航天业将受益于量子流体动力学模拟实现的数字孪生。

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4. 量子如何转化为经济机会？

许多企业将受益于改进的量子化学、流体动力学、机器学习和优化。这些企业不仅需要购买量子计算机或量子计算机的云访问权限，还需要购买完整的产品。他们可能需要购买咨询服务，以了解哪些问题适合量子计算、量子软件和使用量子算法的权利。

量子计算机制造商本身需要采购必要的供应链组件，例如稀释制冷机、激光器、半导体纳米结构设计和制造以及微波发生器，并依赖于科学研究。所有这些交易都提供了经济机会并构建了量子生态系统。

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5. 什么是量子计算机？

量子计算机依赖于仅在小尺度上相关的量子效应，而我们在日常生活中看不到这种效应。例如，普通的煮蛋计时器一开始是满的，然后随着沙子的排出而逐渐变空。在原子尺度上的量子等价物是完全不同的。辐射脉冲会使原子在激发态和基态之间转换，就像鸡蛋计时器一样。

因为在量子力学中，能量以块状或“量子”形式出现，在适当长度的脉冲之后，原子处于激发态或基态的概率相同。脉冲使原子处于“量子叠加”状态，原子同时处于激发态和基态。原子可以被认为是一个“量子位”，相当于经典计算位。

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6. 量子计算与普通计算有何不同？在普通或“经典”计算中使用的位，永远只处于两种二进制状态之一，即0或1。由于叠加，一个量子位可以容纳更多的信息。在量子计算机中，对叠加的多个量子比特进行并行处理，可以在某些计算问题上比经典计算机提供巨大的优势。

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7. 什么是量子至上论？为什么它很重要？当具有53个量子位的超导量子设备执行经典计算机无法执行的计算时，谷歌声称拥有量子至上论。由于其政治含义，“至上”一词的使用现在普遍被认为是不恰当的。该计算没有商业价值，而且错误率很高，尽管如此，这一重要的演示暗示了未来的量子商业优势，即在某些应用中使用量子计算将更便宜或更方便。

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8. 量子计算机距离商业化或者真正能够产生影响还有多远？大多数专家认为，量子计算机距离某些应用的商业可行性还需要三到八年的时间，而通用、容错的计算机至少还需要十年的时间。有人会说量子计算机已经产生了影响，至少有一家大企业还没有完全实施量子优化程序，但发现每天运行该算法，有助于通过维护企业获得配置设备路由的最佳方式的宝贵见解。

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9. 在不久的将来，谁将能够使用量子计算能力？目前任何人都可以访问量子计算机。例如，使用Qiskit，可以使用几行Python代码对量子电路进行编程，并将其提交到小型IBM设备上。AmazonBraket和MicrosoftAzure等大型云计算供应商为量子硬件供应商提供云访问权限，而D-Wave等制造商则出售其设备的访问权限。DigitalCatapult将在今年晚些时候运行一项量子技术访问计划。

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10. 英国在量子计算机行业的竞争中处于怎样的地位？英国在资助量子研究方面起步较早，自2014年以来总投资超过10亿英镑，并于2023年3月宣布了新的十年国家量子战略，承诺从2020年起的十年内投入25亿英镑在英国发展量子技术。2024年。国家量子计算中心(NQCC)报告称，英国在量子项目交付方面排名全球第四，在量子技术商业化方面排名全球第二。

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11. 量子是否存在像我们在人工智能中看到的那样潜在的负面后果？

肖尔在1994年提出的量子分解算法震惊了研究界，它提出了一个令人印象深刻的“量子加速”，可能会破坏RSA加密。尽管运行完整算法所需的大型、通用、容错设备可能还需要几十年的时间，但有迹象表明，这种算法的变体可能会更快地破解RSA加密。

像现代汽车这样的物联网(IoT)设备的综合开发和使用寿命可能非常长，如果将RSA加密算法硬连接到芯片中，那么当量子计算机到来时，这些设备可能仍然在现场，可以破解加密。

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12. 我们如何预防/减轻可能的负面后果？

任何依赖RSA或类似方案来保护商业机密的行业，都应该意识到“先存储，后破解”攻击的风险。有充分理由制定一种在软件和硬件中实施量子安全加密的策略。与任何新技术一样，量子计算的全面影响需要几十年的时间才能显现出来。从长远来看，量子计算将深刻塑造我们的未来，其影响将与飞行或硅芯片的发明一样巨大。

很可能在接下来的十年中，我们将开始看到量子计算机执行在传统计算机上根本不可行的计算。