量子計算 應用到這些行業(yè)......
為優(yōu)化性能，量子比特(qubits)面臨的挑戰是其穩定性必須越來(lái)越高。隨著(zhù)IBM、亞馬遜和微軟等幾家公司投入的資金越來(lái)越多，未來(lái)幾年將出現量子比特數量超過(guò)1000的平臺。相關(guān)公司將在以下幾個(gè)方面展開(kāi)競爭：量子比特的數量、可用端口的類(lèi)型、量子比特之間的連接性、差錯率和工作溫度。
“自然界是由微小的粒子組成的，包括原子、電子，甚至更小的亞原子粒子，”Classiq公司的首席執行官兼聯(lián)合創(chuàng )始人Nir Minerbi表示，“這些粒子之間的相互作用不同于我們在日常生活中看到的物體。量子技術(shù)依賴(lài)于這些微小粒子的獨特、有時(shí)甚至是奇異的物理特性?！?/span>
根據Minerbi的說(shuō)法，對量子計算有直接影響的量子理論關(guān)鍵原理是疊加(粒子同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)的能力)、糾纏(即使相距很遠的粒子之間的互相關(guān)能力)和干擾(粒子相互放大或抵消的能力)。
Yole集團旗下的Yole Intelligence公司市場(chǎng)研究總監Eric Mounier表示，這一領(lǐng)域的研發(fā)一直非?；钴S，并將繼續活躍下去，因為量子技術(shù)對未來(lái)具有明確的戰略意義。
“例如，加拿大的Xanadu公司在6月份發(fā)表了量子優(yōu)勢，并展示了216個(gè)壓縮態(tài)的量子比特;它通過(guò)Xanadu云和Amazon Braket向公眾提供其功能，”“2020年，中國也通過(guò)光子計算機展示了量子優(yōu)勢，谷歌則于2019年宣布率先實(shí)現量子優(yōu)勢。除了美國，印度[計劃10億美元]、日本和中國在量子開(kāi)發(fā)方面都非?；钴S。歐洲在研發(fā)方面實(shí)力雄厚，代爾夫特大學(xué)和CEA-Leti正在開(kāi)發(fā)兼容CMOS的量子技術(shù)，” Mounier透露道。
“量子計算機已經(jīng)可以商用，”Minerbi指出，“這些計算機由量子比特和量子門(mén)組成。有多種技術(shù)可用于創(chuàng )建量子比特，因此也有各種類(lèi)型的量子比特：超導量子比特、離子阱量子比特、光量子比特等等?？茖W(xué)家們在提高量子比特和量子門(mén)的質(zhì)量、利用獨特量子特性的軟件算法以及創(chuàng )建更大規模量子計算機的方法等方面進(jìn)行了大量研究?！?/span>
Mounier認為，量子最大的挑戰是減少由退相干現象引起的差錯：退相干是由外部世界中的量子系統耦合引起的差錯。
“隨著(zhù)量子比特數量的增加，退相干(量子計算機中差錯的主要來(lái)源)也會(huì )增加，”Mounier指出，“擁有足夠的物理量子比特：50是使量子計算開(kāi)始超過(guò)現代傳統計算機實(shí)際限制所需的邏輯量子比特的最小數量。但許多專(zhuān)家認為，從商業(yè)角度來(lái)看，量子計算機至少需要100萬(wàn)個(gè)量子比特才能真正發(fā)揮作用?！?/span>
“量子計算機容易受到外部環(huán)境和制造過(guò)程中缺陷的影響，”Minerbi表示，“因此，在系統崩潰之前所能保持的可用時(shí)間是有限的。許多公司正在努力改進(jìn)這一特性以及開(kāi)發(fā)糾錯機制，以便在發(fā)生差錯時(shí)能夠及時(shí)得到檢測和糾正?！?/span>
Mounier還強調了商用量子計算機的其他三個(gè)挑戰：
通過(guò)表面誤碼糾正來(lái)檢測和糾正各個(gè)量子比特的脆弱量子態(tài)
開(kāi)發(fā)“不可知的”軟件
Mounier指出，量子計算機在軟件/硬件系統堆棧方面需要與傳統計算機完全不同的軟件，并且有兩種明顯不同的路線(xiàn)：
一些大公司在開(kāi)發(fā)量子計算機的同時(shí)也在開(kāi)發(fā)自己的語(yǔ)言
一些新公司則提出了與量子技術(shù)本身無(wú)關(guān)的軟件，這些軟件可以被不同的量子平臺/參與者(例如谷歌或IBM)使用
“無(wú)論如何，缺乏標準化的量子軟件可能會(huì )延遲量子計算的普及，就像過(guò)去FPGA的情況一樣，”Mounier補充道。
圖1：量子計算在不同市場(chǎng)中的各種復雜問(wèn)題。(資料來(lái)源：Yole)令人興奮的量子發(fā)展
“可以用光子和硅光子操縱離子來(lái)實(shí)現量子計算，”Mounier透露，“有幾個(gè)正在進(jìn)行中的研究項目使用由激光操縱的離子量子比特來(lái)實(shí)現量子計算。比如IonQ和杜克量子中心已經(jīng)使用32個(gè)離子實(shí)現了量子計算。為了減小量子計算機的尺寸，可以使用集成在芯片上的激光和光子元件。麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗室正在開(kāi)展此類(lèi)研究，該實(shí)驗室已經(jīng)展示了硅光子在單個(gè)離子操縱中的使用。IonQ計劃在2023年前將硅光子用于離子量子比特的量子計算。目前有許多公司在使用光量子比特，包括QuiX(荷蘭)、Xanadu和PsiQuantum(美國)。PsiQuantum和GlobalFoundries宣布建立了合作伙伴關(guān)系，將建造世界上第一臺全尺寸的商用量子計算機。這兩家公司現正在制造構成Q1系統基礎的硅光子和電子芯片，這是PsiQuantum提供具有100萬(wàn)個(gè)量子比特的商業(yè)上可行的量子計算機路線(xiàn)圖中的第一個(gè)系統里程碑?！?/span>
電動(dòng)汽車(chē)和能源領(lǐng)域
“有兩個(gè)主要方向：優(yōu)化和材料科學(xué)，”Minerbi指出，“量子驅動(dòng)的優(yōu)化將有助于設計出更好的能源分配網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)優(yōu)化運輸節省能源，同時(shí)優(yōu)化供應鏈。量子驅動(dòng)的材料科學(xué)將制造出更好(重量更輕但容量更大)的電動(dòng)汽車(chē)電池，并有助于減少諸如Haber-Bosch等化學(xué)過(guò)程中的能源消耗?！?/span>
與此同時(shí)，寶馬集團和Pasqal擴大了合作，將量子計算應用于改進(jìn)汽車(chē)的設計和制造。下一階段的合作旨在使寶馬集團的汽車(chē)更安全、更輕、更省油。
高精度的計算模擬可以幫助寶馬集團取代昂貴的物理構建-測試-改進(jìn)周期，因為目前的傳統計算方法無(wú)法處理以所需精度來(lái)模擬整車(chē)的復雜性。這種模擬最終將幫助寶馬集團制造出更輕的零件，從而使汽車(chē)更省油。
圖2：量子計算的物理量子比特發(fā)展路線(xiàn)圖-歷史與未來(lái)。量子計算的未來(lái)前景
“就量子技術(shù)的具體應用而言，如今醫療和制****領(lǐng)域已吸引了大部分人的關(guān)注，” Mounier認為，“不過(guò)，真正的廣泛應用還需要很多年，甚至可能是20到30年。量子計算將在5到10年內能夠用于****物開(kāi)發(fā)，屆時(shí)將有確定好的候選****物。對于****物發(fā)現，它將在10到20多年內準備就緒。在制****業(yè)采用量子計算之后，其他應用可能會(huì )隨之而來(lái)：能源、化學(xué)、交通、****和金融可能會(huì )在隨后10多年內采用量子計算?！?/span>
“量子計算將成為任何嚴肅計算架構的核心支柱，”Minerbi表示，“就像CPU和GPU一樣，量子處理器單元[QPU]將成為任何數據中心的關(guān)鍵組件。這些QPU與CPU和GPU一起，將解決傳統計算機永遠無(wú)法解決的問(wèn)題，從而帶來(lái)巨大的社會(huì )效益?！?/span>
網(wǎng)絡(luò )與量子計算的關(guān)系
“后量子密碼術(shù)(有時(shí)亦被稱(chēng)為量子證明、量子安全或量子抗性)的加密算法，通常是公鑰算法，被認為可以抵御量子計算機的攻擊，”Mounier表示，“這可以被視為網(wǎng)絡(luò )安全措施。后量子密碼術(shù)市場(chǎng)將會(huì )不斷增長(cháng)，估計拐點(diǎn)將在2028年至2030年之后，因為它取決于未來(lái)可用量子計算機的發(fā)布情況?！?/span>
“量子技術(shù)與網(wǎng)絡(luò )安全有很多交叉點(diǎn)，”Minerbi表示，“量子現象可用于安全地分發(fā)加密密鑰或提供不可破解的通信鏈路。強大的量子計算機將能夠破解RSA加密和其他傳統加密方法。量子計算還可以通過(guò)檢測新漏洞來(lái)幫助保護現有的網(wǎng)絡(luò )和軟件?！?/span>
幾乎所有與公私鑰一起使用并每天用于網(wǎng)頁(yè)瀏覽的算法都屬于Shor算法，因此很不安全，需要在所謂的后量子階段開(kāi)發(fā)新算法，即識別和創(chuàng )建在量子處理器發(fā)明后仍能保持安全的加密算法。研究人員正在根據不同的數學(xué)問(wèn)題，提出采用不同方法的后量子密碼算法，但也意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )資源的高消耗。
結論
“許多大型且資金充足的組織正在努力構建具有數萬(wàn)甚至數百萬(wàn)個(gè)量子比特的量子計算機，而目前最大型的計算機僅擁有大約100個(gè)量子比特，”Minerbi補充道，“這些更大型的計算機將能夠解決新一類(lèi)的問(wèn)題，并通過(guò)糾錯解決目前傳統計算機面臨的各種問(wèn)題?！?/span>
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