DAOrayaki |量子计算:丰满理想与骨感现实

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研究种类:Quantum Computing,Promises,Facts

原文作者:   LITSLINK

创作者:shaun@DAOrayaki.org

审核者:Yofu@DAOrayaki.org

原文:  The Realities of Quantum Computing: Promises vs. Facts

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争夺量子主导权的竞赛变得更加激烈。IBM、谷歌和微软正在投入数百万美元,希望能创造出第一台可用于商业用途的全功能量子计算机。什么是量子计算,为什么它会成为一个让众多科技巨头疯狂追逐的有利可图的领域?

直到麻省理工大学的科学家将量子计算机变成了计算机科学的杰作之前,量子计算机一直都是天方夜谭。直到 1980 年代后期,这一突破才引起了科学家们的广泛兴趣,并为新的 IT 革命埋下了希望的种子。

近半个世纪后,量子计算不再是一个单纯的幻想。谷歌最近霸占了所有科技出版物的头版头条,因为它声称终于实现了量子霸权(也译为量子计算优越性,指量子计算机在解决实务问题上能比经典计算机更快而带来的优势),这意味着它的量子计算机可以完成任何传统计算机所不能也不可能完成的任务。

如今世界各地的初创公司和企业都已经在使用量子的力量来进行研究和执行传统计算机无法处理的操作。那么, 下一步的发展会是怎样的?未来几年,量子技术又会给我们带来哪些进步?

什么是量子计算?

经典计算机操作信息的最基本单位是比特,其中的状态值以二进制数值里的0或1表示。量子计算机主要存储和操作的能力属性也是基于此原理。然而最大的不同是,它们利用量子比特(原子核或光子等)的特性使其能够进行更为复杂的计算。

类似于传统计算机中的比特,也可以把量子比特放到系统的两个可能状态中的一个。例如,一个原子核向上或向下旋转。然而,在量子世界中,量子比特可以处于叠加状态。这是一种使量子比特同时处于两种条件比例中的现象。量子比特叠加的定义颠覆了自然科学的概念。

在观察到量子比特之前,它处于 0 和 1 的叠加状态,因此我们无法预测它将取的值。但当量子位被测量的那一刻,它会停止在其中的某一个状态中。因此,处理一个数据集所需的时间大大减少。

谷歌最近宣布,当量子计算机真正入场时,一项布尔计算机通常需要 10 年才能完成的任务量子计算机可以在 3 秒内完成。

量子纠缠

量子比特另一个令人印象深刻的特性是纠缠。什么是量子纠缠呢?这种量子力学现象的本质在于量子比特之间的密切联系,不管它们之间的距离有多远,这种关系使得每一个量子比特都能对另一个量子比特状态的修改产生立即的响应。仅通过对一个纠缠量子比特进行测量,你便可以立即确定其伙伴的属性,而无需任何复杂的计算。

最后,由于相位,量子态会受到干扰,这与波干扰的理解方式相同。波的振幅在同相位时是相加的,否则会抵消。上述特性在量子计算中被用来控制量子比特的状态。

量子计算与经典物理学

如今,人们对于量子物理学与经典物理学之间不同概念所发生的矛盾争执,很像过去科学界质疑宗教教义和信仰的情况。不同的是,现代世界欢迎新的突破,科学家不会因为他们的异端思想而受到迫害。

让我们想象一下,假如有两颗引信相同的炸弹,根据经典物理学的规则,它们会在同一时间爆炸。然而,根据量子物理学的规律,两个相同的放射性原子将在不同的时间爆炸,并且它们无法区分。量子元素具有一系列近乎突破常识的特征,如隐形传送,时间旅行,或同时出现在两个地方的能力。

尽管大多数经典物理学理论在应用于原子和亚原子粒子等极小的物体,或应用于接近光速的物体时会崩溃,但这并不意味着它们是完全错误的。大多数科学家和研究人员认为,经典物理学是由量子物理学衍生出来的。

随着我们对世界结构及其规律的不断深入了解,科学家们会有更多的发现,这些发现会加速技术的进步。通过利用量子粒子在提供计算能力方面的非常规行为,人类可以解锁传统计算机无法达到的量子计算新能力。

凭借如此令人瞩目的能力,量子计算的未来看起来一片光明。

传统计算的局限性

谈到量子计算,有许多人都质疑这种技术是否真的有商业价值。虽然科学家声称量子计算机具有无法与任何其他技术相比的独特能力,但其他人则认为几乎所有问题都可以通过流行技术解决。

传统的计算机芯片尺寸约为14纳米,当它接近约10纳米时,电子可能会通过量子隧道效应 "传送 "到障碍物的另一边,这是量子力学现象之一。

换句话说,人类已经达到了芯片大小的临界点,再减少,会导致经典物理学的原则失效。这意味着其计算能力将受到限制。此外,根据亚当定律,传统计算在做线性计算时,计算的并行化能力也是有限的。

当然,在大多数情况下,经典计算机的有限计算能力,并不妨碍我们执行传统的操作。但是,当涉及到解决超出一定规模和复杂程度的复杂问题和挑战时,传统计算机将会力不从心。

例如医疗保健、制药业、制造业和其他领域可以利用量子计算机的强大,在一眨眼的时间内进行各种复杂计算。

量子计算的商业化

尽管量子竞赛中的各个竞争者远非完美,但我们可以在金融(28%)、全球能源和材料(16%)、制药和医疗产品(9%)中找到许多使用案例。除了列出的行业,量子计算也可以通过各种方式在其他商业领域种得到极大的应用--例如,密码学、数据分析、预测、模式匹配等。

由于其指数级的计算速度,量子计算可以简化数据保护并提高安全性。但是,要在行业内建立新的安全标准,量子计算机必须要掌握比现在多得多的量子比特(大约2000万个)用于加密(截至2020年9月,最大的IBM的量子计算机包含65个量子比特)。

量子驱动的决策将使企业能够做出更好的判断及预测,从而增加他们的收入并减少可能投入到效率较低的战略中的资源消耗数量。甚至可以构造一个量子运算矩阵来分析具有多个输入的问题。

丰满的理想

量子计算有望颠覆现代密码学。它有助于帮助政府缓解数据泄露、披露和与第三方共享机密信息的问题。量子密码学也可被用于保障云信息和分布式核认证码的安全。

虽然媒体围绕着量子计算机解密任何信息的能力报道了很多负面信息,但科学家们更愿意看到事情的光明面。尽管确实存在可以轻松 "破解 "安全机制的量子算法,但创造如此强大的量子计算机的能力仍然远远超出现代研究机构的研究能力。

又或许,未来最重要、最有前途的应用会是量子模拟。因为在开发新的复杂系统、材料或医学时,计算它们的特性是十分有益的。计算如此复杂的系统将需要大量的计算能力,因此只有量子计算机才可以处理这类任务。更加可控的量子系统可以在研究阶段用于预测新药的有效性,这消除了合成测试产品的需要。

量子模拟器可以被认为是一种专门的厨房设备,它在生产一种类型的食物方面特别出色——例如,生产一片拥有完美烘焙味道的烤面包片。

科罗拉多矿业学院 林肯-卡尔

量子模拟器可以将药物生产时间缩短到几天甚至几小时,并且无需在活物种上测试新产品,这将改变整个药物的开发过程。

骨感的现实

受热体温度的降低等于其原子运动速度的降低,其 "停止 "将意味着该受热体不再辐射热能,处于热力学的完全静止状态。这是绝对零度(0开尔文)的温度,而在实践中,这是无法达到的。但为了测量粒子,它们必须处于静止的阶段。换句话说,量子计算需要一个温度接近绝对零度(-273,15℃或-459,67°F)的环境。

许多量子计算技术在0.1K左右运行,传统上是用两种不同类型的氦同位素冷却量子比特。这是一个非常昂贵且难以实现的过程。这就是为什么澳大利亚新南威尔士大学的物理学家开发了能够在1.5K的温度下进行单一量子比特操作的量子技术。如果该技术被应用于量子计算机,它不仅会降低机器的成本和尺寸,还能给量子技术与现有科技的整合和扩大规模提供更多机会。

根据谷歌的声明,顶级超级计算机可以计算出具有 5-20 个量子比特的量子计算机可以计算的一切。2019年10月,他们的科学家声称达到了'量子霸权'的境界。谷歌的54比特处理器可以在200秒内完成一次计算,而超级计算机则需要计算1万年。这是第一个实验性证据来证明量子加速不是科幻小说。

计算的商业应用

量子计算应用程序具有影响当今商业世界的巨大潜力。正如上文已经提到的,金融业和保险业从该技术中获益良多。企业可以通过优化当前的网络结构和预测使用情况,在能源领域依靠量子计算。

巴克莱银行、摩根大通和NatWest都已经开始尝试在投资组合、资产定价优化、风险和市场分析等方面利用量子计算。安联正在期权估值和量化运营风险方面进行测试,而阿里巴巴则在物流领域进行实验,着重用于解决供应链问题。

量子计算也可以为材料行业带来益处,比如创造更好的芯片或网络架构。博世和霍尼韦尔已经开始在这个垂直领域具体实施,并一直未停下继续探索的步伐。

汽车和航空航天业将是未来五年内量子计算的主要应用场景之一。麦肯锡估计,到未来十年,量子计算对该领域的经济影响将有20亿-30亿美元。正因为有如此诱人的市场空间,大众汽车、戴姆勒、福特、美国宇航局、空中客车和洛克希德-马丁公司纷纷都在进入这个领域。即便该领域在未来有较大的平台型企业诞生,仍旧会有很多小型企业的生长空间,更不用说这些都是正在从事量子计算的初创企业。

商业领域的量子计算

自从第一台量子计算机见诸于世以来,围绕着谁将能够找到这项创新技术的大规模应用,一直存在着争论。直到50年后的近代,才有例如PsiQuantum这样的公司,声称它将生产第一台可以投入大规模生产的商用量子计算机。

然而直到最近,PsiQuantum公司一直对其最新进度保持沉默。不过,由于这是一家由拥有英国顶尖科学家组成的董事会,以及众多硅谷投资支持者所组成的公司,所以这种沉默本身就不容小觑。该公司由该领域领先的科学家之一杰里米-奥布莱恩(Jeremy O'Brien)领导,旨在建立硅光子量子计算机,它将能够在广泛的任务中击败传统计算机。

该公司将应用量子计算作为一种服务模式,意味着任何人都将能够通过互联网访问他们的设备。通过这样的方式,创始人希望让更多的人接触到量子计算,这必将加速新技术在企业和消费者中的应用。

总结

至少在最近的将来,用量子计算取代传统计算的可能性大概率不会实现,因为它是为了解决经典方法无法实现的复杂计算而创建的。但它将加快驱动数据分析、医学研究、天气预报和其他容量密集型的应用领域变得更加准确。如此一来,它势必会加速甚至引发这些行业的突破,这种突破必将极大地影响甚至改变整个世界。这就是为什么关于量子计算的竞赛还在不断发展的原因。

量子计算仍在继续前行。


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