量子運算正在塑造未來嗎？歷史、挑戰、風險和收益

不久前，經典電腦的限制促使科學家開發出一種新型計算——量子計算。量子電腦使用量子位元而不是經典位，並且可以比經典電腦更快地執行某些計算。這項優勢可能會改變許多領域，讓我們的生活變得更美好。在本文中，我們將概述量子運算，包括量子運算可能帶來革命性變革的產業和領域。我們還將討論與這項技術相關的挑戰和風險，以及它的未來。

IBM 量子運算系統的內部。（圖片來源：IBM ）

什麼是量子計算？

自從量子理論在 1920 年代發展起來，以及第一台可編程計算機——電子數值積分器和計算機 ( ENIAC ) 於 1945 年建成以來，計算已經取得了長足的進步。該機器是第一台“自動、通用、電子、十進制，數位計算機”，根據 Edwin D. Reilly 的書《計算機科學和資訊技術的里程碑》。量子計算到底是什麼？簡而言之，它是一種快速新興的技術，利用量子力學定律以比經典電腦更有效率、更強大的方式解決複雜問題。 對於某些問題，超級電腦並不是那麼超級。 從本質上講，量子計算依賴於使用量子位元（qubit）來處理和操縱資訊。與只能存在於兩種狀態（0或1）之一的經典位元不同，由於疊加現象，量子位元可以同時存在於多種狀態。這使得量子計算機能夠同時執行許多計算。量子計算的另一個關鍵原理是糾纏，它允許量子位元以這樣一種方式相互關聯：一個量子位元的狀態可以立即影響另一個量子位元的狀態，即使它們在物理上是分離的。這使得量子電腦能夠比超級電腦更快地執行某些任務——分解大數、搜尋大型資料庫等。

量子電腦如何運作？

正如剛才所提到的，量子電腦使用量子位元而不是位元來運行多維量子演算法。量子位元是使用超導體創建的，超導體表現出量子力學效應，例如庫柏對，可以透過量子隧道效應攜帶電荷穿過絕緣體。可以透過向量子位元發射微波光子來控制和操縱量子位元的行為。量子位元可以處於疊加狀態，代表量子位元所有可能配置的組合。疊加的量子位元組可以創建複雜的計算空間，可以以新的方式表示複雜的問題。量子電腦比超級電腦更小，需要的能量更少，但需要非常冷，這是透過使用超冷超流體來實現的。

IBM 超導量子位元的示意性特寫，包括其約瑟夫森結的放大視圖

量子計算的現狀

量子運算是一個快速發展的領域，它將徹底改變解決複雜問題的方式。包括 IBM、谷歌和 Rigetti 在內的幾家公司已經建造並利用了量子電腦。這些計算機的大小從幾個量子位元到超過 100 個量子位元不等，每台電腦都有自己獨特的架構和功能集。

• 2017 年，Rigetti 宣布推出 Forest 1.0 公開測試版，這是全球第一個量子運算全端程式設計環境。
• Google的Sycamore 是一款擁有 53 個量子位元的量子處理器。它開發於2019年，聲稱可以在200秒內完成一項需要高階超級電腦10,000年才能完成的任務。
• IBM Quantum System One 量子電腦也是 IBM 於 2019 年推出的。它包含一個 20 量子位元 transmon 量子處理器，安裝在 2.7x2.7x2.7 公尺計算系統中。有趣的是，IBM 在 2022 年 IBM 量子高峰會上宣布了新型 433 量子位元「Osprey」處理器。

IBM 高級副總裁兼研究總監 Darío Gil 博士表示： “新型 433 量子位元‘Osprey’處理器讓我們離使用量子電腦解決以前無法解決的問題又近了一步。” 除了硬體發展之外，量子運算的軟體工具也在不斷進步。Q# 和 Qiskit 等程式語言允許開發人員編寫量子程式並在量子硬體或模擬器上運行它們。然而，量子計算仍面臨一些挑戰和限制。主要的一項是糾錯。隨著量子程式的運行，錯誤會迅速積累，給科學家帶來挑戰。因此，開發有效的糾錯方法對於建立大規模、可靠的量子電腦至關重要。另一個重要的限制是可擴展性。雖然具有數十或數百量子位元的量子電腦已經存在，但建造具有數千或數百萬量子位元的大型量子電腦仍然是一個挑戰。然而，人們樂觀地認為，這些挑戰將在未來幾年內克服，為量子計算的更廣泛採用鋪平道路。IBM Quantum 系統承諾在 2025 年及以後擴展到 4,000 多個量子位元。

量子運算如何改變世界？現實生活中的應用

話雖這麼說，在不同行業已經有幾個用例，量子計算顯示出驚人的結果。

衛生保健

最有前途的領域之一是醫療保健。量子電腦可以比經典電腦更準確地模擬分子和材料的行為，這可以加速新藥和疾病治療方法的發現。例如，諸如變分量子本徵解算器（VQE）之類的量子演算法可用於比經典方法更準確地計算分子的電子結構。此外，量子計算還可用於分析醫療記錄和臨床試驗中的大型數據集，以確定藥物發現的新目標。量子運算如何應用於醫療保健的另一個例子是透過虛擬篩選候選藥物。這涉及搜尋潛在藥物的大型資料庫，以識別具有所需特性的藥物。量子運算能夠透過有效搜尋大量數據來加速這一過程，從而加快藥物發現和開發速度。

金融

量子運算的另一個重要應用可能在於問題的最佳化，例如金融領域遇到的問題。量子計算可用於改進財務建模和風險管理。例如，量子演算法可用於快速分析大型資料集並預測市場趨勢。此外，量子密碼學還可用於保護金融交易並防範網路威脅。量子金鑰分發（QKD）是一種利用量子力學原理在兩方之間安全傳輸加密金鑰的技術。QKD 利用糾纏量子位元的力量來創建一個在不被偵測到的情況下無法攔截的金鑰。

後勤

量子運算可用於優化供應鏈管理、降低運輸成本並縮短交貨時間。例如，量子演算法可用於快速分析最有效的運輸和配送路線。此外，量子運算還可用於解決複雜的調度問題，例如航空和鐵路調度中遇到的問題。

活力

量子演算法可用於模擬儲能設備中使用的材料的行為，從而開發更有效率的電池。除此之外，量子運算還可以透過分析天氣模式和預測能源需求來優化能源生產。

製造業

由於量子運算能夠分析大型資料集並預測最佳生產計劃，因此它在製造業中也有很大的用途。正如您所看到的，量子計算的潛在應用是巨大的，並且有許多行業可以透過該技術來改變。

對未來的“恐懼”

綜上所述，我們很容易下結論：量子計算對社會的影響將會是巨大的。就像其他革命性技術一樣，量子計算也存在一些風險。最重大的挑戰之一是該技術的道德和社會影響。量子運算有可能破壞許多用於​​保護敏感資料的加密方法，這可能會導致隱私侵犯和其他安全問題。此外，量子運算還可用於開發可能對全球安全構成威脅的新武器和技術。

概括

儘管量子計算帶來了一些挑戰和風險，但許多組織正在積極努力透過開發新的加密方法、改進量子硬體和軟體以及提供培訓和教育機會來解決這些挑戰和風險。因此，我們相信量子計算將以一種好的方式徹底改變世界。透過開發強大而可靠的量子技術，我們可以釋放量子運算的全部潛力，為運算和整個社會創造更光明的未來。現在是採取行動的時候了，繼續與 CodeGym 一起探索科技世界！