量子计算的现在与未来

文 | Yousef Fazea

编译 | 唐诗

来源 | 出新研究

ID | chuxinyanjiu

题图 | 123rf

当代超级计算机的局限性，以及对全球学术界和机构的影响，正在引起科学界的关注。例如，研究人员可以使用当前的技术来执行更复杂的模拟，例如那些专注于化学和每种元素的反应性质的模拟。

然而，当这些交互的复杂性增加时，它们对于当前的超级计算机来说变得更具挑战性。由于这些设备的处理能力有限，完成这些类型的计算几乎是不可能的，这迫使科学家在进行这些研究时在速度和精度之间做出选择。

为了提供这些实验的广度的一些背景，让我们从氢原子建模的例子开始。氢中只有一个质子和一个电子，研究人员可以轻松地手动进行化学反应，或者依靠计算机来完成计算。然而，根据原子的数量和电子是否纠缠，这个过程变得更加困难。要写出像铥这样的元素的每一个可以想象的结果，它包含惊人的69个电子，这些电子都扭曲在一起，将需要超过20万亿年的时间。

显然，这个时间对于我们而言太久了，必须需求新的出路。

量子计算机打开了一个充满可能性的全新世界的大门。自 1930 年代以来，科学界就已经知道模拟化学所需的方程，但直到最近才开始构建具有执行这些计算的能力和可靠性的计算机。

今天的量子计算机提供了研究人员模仿化学各个方面所需的速度，使它们具有显着的预测性并减少了对实验室测试的需求。学院和大学也许能够使用量子计算机来增加现有的化学知识。考虑一下如果量子计算机能够在研究期间消除实验室测试的必要性，可能会实现潜在的时间和成本节约。此外，由于以前不存在掌握化学特性的计算能力，这一步骤可能会导致以前世界所未知的化学性质前进一大步。

实践中的量子计算

许多企业已经在使用量子计算。例如，IBM正在与梅赛德斯—奔驰、埃克森美孚、欧洲核子研究中心和三菱化学合作，将量子计算实施到他们的产品和服务中：

梅赛德斯—奔驰

梅赛德斯—奔驰正在探索量子计算，为其电动汽车创造更好的电池。该公司希望通过在其产品中实施量子计算来塑造现代化电动汽车的未来，并通过在其产品中实施量子计算来对环境产生影响，努力在2039年之前实现碳中和。模拟电池内部发生的事情非常困难，即使使用当今最先进的计算机也是如此。但是，使用量子计算技术，梅赛德斯—奔驰可以更准确地模拟汽车电池中的化学反应。

埃克森美孚

埃克森美孚正在使用量子算法更轻松地发现在全球范围内运输清洁燃烧燃料的最有效路线。如果没有量子计算，计算所有路由组合并找到最有效的路由组合几乎是不可能的。

欧洲核子研究中心

欧洲核子研究中心（CERN）正试图发现宇宙的秘密。使用量子计算，欧洲核子研究中心可以找到以更有效的方式精确定位宇宙复杂事件的算法。例如，量子计算可以帮助CERN找出大型强子对撞机（LHC）数据中的模式。

三菱化学

三菱化学和庆应义塾大学的团队正在研究锂氧电池的一个关键化学步骤：锂超氧化物重排。他们正在使用量子计算机“在分子水平上对化学反应内部发生的事情进行准确的模拟”。

量子计算的优缺点

量子计算有可能在未来几年内彻底改变金融、制药、人工智能和汽车等行业，从根本上改变我们周围的世界。

量子计算机的价值来自于它们运行的概率方式。通过直接使用概率计算风格而不是模拟它，计算机科学家已经展示了快速搜索引擎、更准确的天气预报和精确的医疗应用的潜在应用。此外，量子计算机代表了量子计算发展的原始动机，在直接模拟量子力学方面非常有用。

也许量子计算的主要吸引力在于它可以更快地解决问题，使其非常适合需要处理大量数据的应用程序（例如，航空航天物流、药物制造、分子研究或其他在原子级别使用规范过程的领域）。

然而，创建强大的量子计算机并非易事，并且涉及许多缺点。量子计算系统对极端温度的敏感性是主要缺点之一。为了使系统正常运行，它必须接近绝对零度温度，这构成了重大的工程挑战。

此外，量子比特质量不是它需要的地方。在给定数量的指令之后，量子比特会产生不准确的结果，量子计算机缺乏纠错来解决这个问题。由于制造每个量子比特所需的电线或激光器数量，保持控制是困难的，特别是如果目标是创建一个百万量子比特的芯片。

而且量子计算非常昂贵：单个量子比特的成本可能高达10000美元左右。

最后，如果标准信息系统和加密方法被用于恶意目的，它们将被量子计算机的处理能力所淹没。这些计算机对量子物理学原理的依赖使它们能够解密最安全的数据（例如，银行记录，政府机密和互联网/电子邮件密码）。世界各地的密码学专家将需要开发能够抵抗量子计算机可能发出的攻击的加密技术。

量子计算对高等教育的影响

教育界一直在寻找成长和繁荣的新机会。许多高等教育机构已经开始对量子计算进行广泛的研究，利用量子物理学的独特性质开创了一个技术的新时代，包括能够进行当前不可能计算的计算机、超安全的量子网络和奇特的新量子材料。

牛津大学

牛津大学的研究人员对量子研究很感兴趣，因为它在医疗保健、金融和安全等领域具有巨大的潜力。该大学在世界范围内被认为是量子科学领域的先驱。牛津大学和约克大学展示了第一台工作的纯态核磁共振量子计算机。

哈佛大学

哈佛大学的研究人员建立了一个社区团体——哈佛科学与工程量子计划——目标是在与量子计算机及其应用相关的科学和工程领域取得重大进展。根据该小组进行的研究，“第二次量子革命”将在第一次量子革命的基础上扩展，第一次量子革命负责全球通信的发展，GPS飞行等技术以及磁共振成像等医学突破。

马里兰大学

马里兰大学物理系、国家标准与技术研究所和物理科学实验室的研究人员是联合量子研究所的一部分，“致力于控制和利用量子系统的目标”。

麻省理工学院

麻省理工学院的研究人员已经建立了一台量子计算机，并正在研究量子算法和复杂性、量子信息理论、测量和控制以及应用和连接等领域。

加州大学伯克利分校

加州大学伯克利分校量子计算与信息中心的研究人员正在研究基本的量子算法、密码学、信息论、量子控制以及量子计算机和量子设备的实验。

芝加哥大学量子交易所

芝加哥大学量子交易所的研究人员正专注于开发理解和利用量子力学定律的新方法。CQE鼓励研究小组和合作机构之间的合作，联合项目和信息交流。

中国科学技术大学

中国科学技术大学的研究人员正在探索量子光学和量子信息。主要感兴趣的领域包括量子基础，自由空间和基于光纤的量子通信，超导量子计算，超冷原子量子模拟以及量子计量理论和理论相关概念。

对高等教育的一个广泛影响是，量子计算将为明天的学生开辟新的职业。此外，这项技术将允许精确预测就业市场的整体增长以及所有领域对熟练和知识渊博的工人的需求。

在不久的将来，量子计算的力量将在机器学习上释放出来。在教育领域，量子驱动的算法将对学生的学习和缺陷做出明智的决定，就像量子计算有望彻底改变医学分类和诊断一样。

此外，量子计算将为个人学习、知识和成就的新时代提供动力。这将通过及时处理大量学生数据来实现，量子计算机最终可能有能力控制设计能够适应学生独特成就和能力的程序，以及回填学生可能需要帮助的特定领域。量子计算的这些方面对于实现真正个性化学习的目标至关重要。

通过云可以访问世界上相对较少的物理量子计算机中的任何一台。这些计算机包括 20+IBM Quantum System One目前在美国、德国和日本安装更多，计划在美国、韩国和加拿大安装更多。

任何有互联网连接的人都可以登录量子计算机，并接受量子编程基础知识的教育。例如，IBM 提供各种以量子为中心的教育计划，包括访问量子计算机、教学支持、暑期学校和黑客马拉松。The IBM Quantum 教育工作者和研究者程序和Qubit的“量子计算导论”只是教育工作者和学生都可以访问的量子计算资源的两个示例。

这种主动行动是绝对必要的。世界各地的学院和大学需要合作，以缩小目前量子教育的知识差距，并为下一代科学家和工程师做好准备。

结论

量子计算革命正在发生。我们刚刚进入一个新的计算时代。下一代计算不是下一代硬件，而是下一代算法和计算方法。

量子计算机使用量子力学原理来解决问题。与经典计算机相比，量子系统的状态本质上是概率性的。这意味着量子计算机可以处理比传统计算机成倍多的计算。

延伸阅读

量子计算的主要参与者可分为四大类：第一类是国际科技巨头，例如IBM、谷歌、霍尼韦尔等；第二类是量子计算初创公司，例如Rigetti、IonQ等；第三类是国家科研院所，例如美国费米国家实验室（Fermilab）、美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）、中科院量子信息与量子科技创新研究院；第四类是高水平研究型大学，例如剑桥大学、中国科学技术大学、哈佛大学等。

现在的量子计算机仅能处理某一个或某几个方面的问题，尚未达到通用的程度。量子科技企业不仅需要斥巨资研制量子计算机，还需要拥有诸多研究人员设计制造量子硬件和软件来支持这些机器。

未来，通用量子计算机需要在底层量子物理设备、量子计算机架构、量子资源调度、上层量子程序设计语言、量子算法及量子应用软件等多方面进行努力。以下是量子计算行业典型代表有关量子计算的最新技术和商业进展。

2021年全球量子计算主要参与者地理分布