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关于量子计算你需要了解的12件事

2023-08-04 10:09:244636

关于量子计算你需要了解的12件事

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。