量子计算正在塑造未来吗？历史、挑战、风险和收益

不久前，经典计算机的局限性促使科学家开发出一种新型计算——量子计算。量子计算机使用量子位而不是经典位，并且可以比经典计算机更快地执行某些计算。这一优势可能会改变许多领域，让我们的生活变得更美好。在本文中，我们将概述量子计算，包括量子计算可能带来革命性变革的行业和领域。我们还将讨论与这项技术相关的挑战和风险，以及它的未来。

IBM 量子计算系统的内部。（来源：IBM ）

什么是量子计算？

自从量子理论在 20 年代发展起来，以及第一台可编程计算机——电子数值积分器和计算机 ( ENIAC ) 于 1945 年建成以来，计算已经取得了长足的进步。该机器是第一台“自动、通用、电子、十进制，数字计算机”，根据 Edwin D. Reilly 的书《计算机科学和信息技术的里程碑》。量子计算到底是什么？简而言之，它是一种快速新兴的技术，利用量子力学定律以比经典计算机更高效、更强大的方式解决复杂问题。 对于某些问题，超级计算机并不是那么超级。 从本质上讲，量子计算依赖于使用量子位（qubit）来处理和操纵信息。与只能存在于两种状态（0或1）之一的经典位不同，由于叠加现象，量子位可以同时存在于多种状态。这使得量子计算机能够同时执行许多计算。量子计算的另一个关键原理是纠缠，它允许量子位以这样一种方式相互关联：一个量子位的状态可以立即影响另一个量子位的状态，即使它们在物理上是分离的。这使得量子计算机能够比超级计算机更快地执行某些任务——分解大数、搜索大型数据库等。

量子计算机如何工作？

正如刚才提到的，量子计算机使用量子比特而不是比特来运行多维量子算法。量子位是使用超导体创建的，超导体表现出量子力学效应，例如库珀对，可以通过量子隧道效应携带电荷穿过绝缘体。可以通过向量子位发射微波光子来控制和操纵量子位的行为。量子位可以处于叠加状态，代表量子位所有可能配置的组合。叠加的量子位组可以创建复杂的计算空间，可以以新的方式表示复杂的问题。量子计算机比超级计算机更小，需要的能量更少，但需要非常冷，这是通过使用超冷超流体来实现的。

IBM 超导量子位的示意性特写，包括其约瑟夫森结的放大视图

量子计算的现状

量子计算是一个快速发展的领域，它将彻底改变解决复杂问题的方式。包括 IBM、谷歌和 Rigetti 在内的几家公司已经建造并利用了量子计算机。这些计算机的大小从几个量子位到超过 100 个量子位不等，每台计算机都有自己独特的架构和功能集。

• 2017 年，Rigetti 宣布推出 Forest 1.0 公开测试版，这是世界上第一个量子计算全栈编程环境。
• 谷歌的Sycamore 是一款拥有 53 个量子位的量子处理器。它开发于2019年，声称可以在200秒内完成一项需要高端超级计算机10,000年才能完成的任务。
• IBM Quantum System One 量子计算机也是 IBM 于 2019 年推出的。它包含一个 20 量子位 transmon 量子处理器，安装在 2.7x2.7x2.7 米计算系统中。有趣的是，IBM 在 2022 年 IBM 量子峰会上宣布了新型 433 量子位“Osprey”处理器。

IBM 高级副总裁兼研究总监 Darío Gil 博士表示： “新型 433 量子位‘Osprey’处理器让我们离使用量子计算机解决以前无法解决的问题又近了一步。” 除了硬件发展之外，量子计算的软件工具也在不断进步。Q# 和 Qiskit 等编程语言允许开发人员编写量子程序并在量子硬件或模拟器上运行它们。然而，量子计算仍然面临一些挑战和限制。主要的一项是纠错。随着量子程序的运行，错误会迅速积累，给科学家带来挑战。因此，开发有效的纠错方法对于构建大规模、可靠的量子计算机至关重要。另一个重要的限制是可扩展性。虽然具有数十或数百量子位的量子计算机已经存在，但构建具有数千或数百万量子位的大型量子计算机仍然是一个挑战。然而，人们乐观地认为，这些挑战将在未来几年得到克服，为量子计算的更广泛采用铺平道路。IBM Quantum 系统承诺到 2025 年及以后扩展到 4,000 多个量子位。

量子计算如何改变世界？现实生活中的应用

话虽这么说，在不同行业已经有几个用例，量子计算显示出惊人的结果。

卫生保健

最有前途的领域之一是医疗保健。量子计算机可以比经典计算机更准确地模拟分子和材料的行为，这可以加速新药和疾病治疗方法的发现。例如，诸如变分量子本征解算器（VQE）之类的量子算法可用于比经典方法更准确地计算分子的电子结构。此外，量子计算还可用于分析医疗记录和临床试验中的大型数据集，以确定药物发现的新目标。量子计算如何应用于医疗保健的另一个例子是通过虚拟筛选候选药物。这涉及搜索潜在药物的大型数据库，以识别具有所需特性的药物。量子计算能够通过有效搜索大量数据来加速这一过程，从而加快药物发现和开发速度。

金融

量子计算的另一个重要应用可能在于问题的优化，例如金融领域遇到的问题。量子计算可用于改进财务建模和风险管理。例如，量子算法可用于快速分析大型数据集并预测市场趋势。此外，量子密码学还可用于保护金融交易并防范网络威胁。量子密钥分发（QKD）是一种利用量子力学原理在两方之间安全传输加密密钥的技术。QKD 利用纠缠量子位的力量来创建一个在不被检测到的情况下无法拦截的密钥。

后勤

量子计算可用于优化供应链管理、降低运输成本并缩短交货时间。例如，量子算法可用于快速分析最有效的运输和配送路线。此外，量子计算还可用于解决复杂的调度问题，例如航空和铁路调度中遇到的问题。

活力

量子算法可用于模拟储能设备中使用的材料的行为，从而开发更高效的电池。除此之外，量子计算还可以通过分析天气模式和预测能源需求来优化能源生产。

制造业

由于量子计算能够分析大型数据集并预测最佳生产计划，因此它在制造业中也有很大的用途。正如您所看到的，量子计算的潜在应用是巨大的，并且有许多行业可以通过该技术来改变。

对未来的“恐惧”

综上所述，我们很容易得出结论：量子计算对社会的影响将会是巨大的。就像任何其他革命性技术一样，量子计算也存在一些风险。最重大的挑战之一是该技术的道德和社会影响。量子计算有可能破坏许多用于保护敏感数据的加密方法，这可能会导致隐私侵犯和其他安全问题。此外，量子计算还可用于开发可能对全球安全构成威胁的新武器和技术。

概括

尽管量子计算带来了一些挑战和风险，但许多组织正在积极努力通过开发新的加密方法、改进量子硬件和软件以及提供培训和教育机会来解决这些挑战和风险。因此，我们相信量子计算将以一种好的方式彻底改变世界。通过开发强大而可靠的量子技术，我们可以释放量子计算的全部潜力，为计算和整个社会创造更光明的未来。现在是采取行动的时候了，继续与 CodeGym 一起探索科技世界！