量子计算如何改变世界

量子物理学已经对我们的生活产生了重大影响。激光器和晶体管的发明实际上是量子理论的结果——而且由于这两个组件都是当今每个电子设备的基本构建块,因此您所看到的基本上是“量子力学在起作用”。

话虽如此,随着人们做出大量努力来利用量子领域的真正力量,量子行业现在将彻底改变计算世界。量子计算可以在安全、医疗保健、能源甚至娱乐行业等不同领域找到应用。

量子与经典计算机

量子理论的历史可以追溯到一个多世纪以前。然而,当前的量子嗡嗡声是由于最近的研究结果表明,不确定性是量子粒子的固有属性,可以作为实现量子潜力的强大武器。

正如该理论所说,要了解单个量子粒子(即电子或光子)的每一个特性似乎是不可能的。考虑一个经典 GPS 的示例,它可以在您到达所需目的地时为您精确预测您的移动速度、位置和方向。

但是,量子 GPS 无法精确确定量子粒子的所有上述属性,因为量子物理定律不允许您这样做。这在量子世界中产生了一种概率语言,而不是经典的确定性语言。

在这种情况下,概率语言意味着将概率分配给量子粒子的不同属性,例如速度、位置和运动方向,这些属性似乎难以确定。量子粒子的这种概率性质产生了一种可能性,即允许任何事情在任何瞬间发生。

在计算方面,表示为量子位(量子位)的二进制 0 和 1 具有在任何时刻为 1 或 0 的特性。

上述表示在口中留下苦涩的味道,因为在经典机器中,0 和 1 与在不同时刻打开和关闭的开关和电路相关联。因此,在计算上下文中,不知道它们的确切状态(即打开或关闭)似乎是不明智的。

在真正意义上,它可能会导致计算错误。然而,量子世界中的信息处理依赖于量子不确定性的概念——其中 0 和 1 的“叠加”不是错误,而是一种特征。它允许更快的数据处理并促进更快的通信。

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处于量子计算的风口浪尖

量子理论的概率性质的结果是,量子信息的精确复制似乎是不可能的。从安全的角度来看,这很重要,因为网络犯罪分子打算复制量子密钥来加密和发送消息最终会失败,即使他们可以访问量子计算机。

在这里需要强调的是,这种高端加密(即将秘密数据或密钥转换为防止未经授权访问的代码的复杂方法)是物理定律的结果,而不是当今使用的数学脚本算法。数学加密可以在强大的计算机的帮助下破解,然而,破解量子加密需要重写物理基本定律。

由于量子加密不同于当前的加密技术,类似地,量子计算机在非常基础的层面上也不同于经典计算机。考虑一个汽车和牛车的类比。在这里,与对应的汽车相比,汽车遵循某些物理定律,可以让您在短时间内到达所需的目的地。同样的理念适用于量子计算机和经典计算机。

量子计算机利用量子物理学的概率特性以独特的方式执行计算和处理数据。它可以以更快的速度完成计算任务,还可以跨越传统上不可能实现的概念,例如量子隐形传态。这种数据传输形式可以为未来的互联网,即量子互联网铺平道路。

量子计算机今天可以用来做什么?

量子计算机可能对研发组织、政府当局和学术机构有用,因为它们可以帮助解决当前计算机难以处理的复杂问题。

一个重要的应用可能是在药物开发中,它可以无缝地模拟和分析化学物质和分子,因为分子的功能与量子计算机相同。此外,由于当今最快的超级计算机无法实现目标,因此有效的量子化学模拟是可能的。

此外,量子计算机可以解决复杂的优化问题并帮助快速搜索未排序的数据。在这方面有许多应用,从分类看似动态的气候、健康或财务数据,到优化物流或交通流量。

量子计算机还擅长识别数据中的模式,例如机器学习问题。此外,量子计算机可以在开发模型以预测未来(例如天气预报)方面发挥关键作用。

为量子未来做好准备

随着量子未来竞赛成为焦点,投资者和政府机构正在为量子研发提供数十亿美元的资金。采用基于卫星的量子密钥分发的全球通信网络已经实施,为进一步发展铺平了道路。

谷歌、亚马逊、微软、IBM 等公司正在大力投资开发量子计算资源,即硬件和软件。

Cosmos 称,中国的一组研究人员建造了一台量子计算机,它在短短 60 多分钟内完成了复杂的计算,而传统计算机至少需要 8 年或更长时间才能完成。

这是过去两年中发生的量子计算发展的一个亮点。人们相信,科学界终于实现了难以捉摸的“量子优势”——量子计算能够解决最复杂的问题,而经典计算可能需要花费不切实际的时间来理解。

谷歌于 2019 年首次实现了量子里程碑,他们使用利用电流进行计算的量子位。 2020 年晚些时候,中国团队使用光子量子位来加速这一过程。现在在 2021 年,另一支中国团队(由上海中国科技大学潘建伟领导)再次超越了谷歌。

预印本服务器 ArXiv 上发表的一篇研究论文中,贡献研究团队透露了他们在量子优势方面的发现,其中他们在名为 Zuchongzhi 的量子处理器上使用了超导量子位,该处理器由 66 个量子位组成。该团队证明祖冲知能够操纵 56 个量子位来处理旨在测试计算机能力的计算问题。

接受不确定性

过去五年量子技术世界的快速发展令人兴奋。据《量子日报》报道,预计到 2030 年底,量子产业的估值将达到数十亿美元。虽然在如此大规模部署之前还有各种实际挑战需要克服,但未来似乎是光明的。

幸运的是,量子理论揭示了“不可预测性”的光明面。正如理论所言,两个量子位可以相互锁定,每个量子位都有可能单独保持未确定状态,但当作为一个单元来看时与另一个量子位同步——这意味着两者都是 0 或 1。

这种单独的不可预测性和组合的确定性被称为“纠缠”——当今大多数量子计算算法的便捷工具。因此,通过谨慎处理不确定性,组织可以适应量子未来。