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量子計算首次出現(xiàn)于20世紀80年代初，主要依靠量子力學來解決復雜的、以前不太可能解決的計算問題。
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IBM于2019年推出了首個IBM Q System One量子計算系統(tǒng)，谷歌也聲稱其實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。
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盡管量子計算行業(yè)的實際同比增長率僅為1%，但該領(lǐng)域初創(chuàng)企業(yè)2022年獲得的總投資達到23.5億美元。
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多數(shù)首席信息官和IT領(lǐng)袖認為量子計算并未被過分炒作，他們希望更多地關(guān)注這項技術(shù)，以了解即將到來的顛覆。
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十年內(nèi)具有主動糾錯功能的大型量子計算機有望誕生，21世紀也將因此被視為“量子時代”。
科技新聞訊 量子計算是一個新興的科學領(lǐng)域，由于它在許多行業(yè)擁有著巨大的應用潛力，已經(jīng)引起了許多國家和公司的興趣。隨著更多資源和資金的投入，量子計算技術(shù)正以極快的速度向前飛躍。有科學家預言，量子計算機正進入“實用”階段，十年內(nèi)具有主動糾錯功能的大型量子計算機有望誕生，“量子時代的黎明”即將到來。
01 量子計算將成改變?nèi)祟悮v史進程的新里程碑
量子計算這種變革性技術(shù)雖然仍處于起步階段，但它將成為改變?nèi)蚣夹g(shù)進程的科學趨勢之一。
量子計算首次出現(xiàn)于20世紀80年代初，是一種變革性的技術(shù)趨勢，旨在通過快速有效地解決不可能的問題來改變世界。這是一項新興技術(shù)，它利用量子物理定律來處理與傳統(tǒng)計算不同的信息。
量子計算主要依靠量子力學來解決復雜的計算問題。實際上，量子計算將原子、電子或光子等基本粒子的量子特性與量子比特結(jié)合起來，作為計算中的一種新形式的信息編碼。量子計算的基礎(chǔ)將使它們比傳統(tǒng)計算機優(yōu)越數(shù)千倍。
2019年1月，IBM推出了首個IBM Q System One量子計算系統(tǒng)，這是計算界前所未有的創(chuàng)新。谷歌也宣布，得益于其Sycamore量子處理器的突破，該公司已經(jīng)實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，該處理器可以在200秒內(nèi)完成世界上最好的超級計算機需要1萬年才能完成的特定計算任務(wù)。
在標志著將信息單位“比特”(值1或0)轉(zhuǎn)換為量子比特(同時值1和0)的量子系統(tǒng)誕生兩年后，IBM于2021年11月推出的127量子比特處理器打破了所有記錄，首次超過100量子比特。
IBM最近還推出了魚鷹(Osprey)量子處理器，該處理器具有433個量子比特，是兩年前發(fā)布的上一代處理器處理能力的三倍多。同時，IBM還更新了路線圖，計劃到2025年開發(fā)出有超過4000個量子比特的處理器。
雖然這項技術(shù)還處于起步階段，但不可否認的是，它將在人工智能、量子化學、金融、密碼學、網(wǎng)絡(luò)安全、物流等領(lǐng)域有著巨大的潛力。量子計算的特點是具有更高的計算能力、更大的內(nèi)存容量和更低的能耗，從而為更高的處理速度奠定了基矗
然而，量子計算的主要缺點是它對噪聲、溫度和光非常敏感，這會污染它所處的環(huán)境，從而破壞信息，產(chǎn)生需要糾正的錯誤以獲得所需的結(jié)果。與經(jīng)典計算不同，在創(chuàng)建算法時，量子計算需要為每次計算編寫新的算法。量子計算的另一個缺點是它只能在零下240攝氏度的極低溫度下運行，而這是非常難以維持的環(huán)境。
02 全球量子計算領(lǐng)域投資創(chuàng)史上新高
量子計算行業(yè)正以驚人的速度增長，對這項潛在突破性技術(shù)的投資也創(chuàng)造了歷史最高水平。全球咨詢公司麥肯錫發(fā)現(xiàn)， 2022年，量子初創(chuàng)企業(yè)獲得的年度總投資達到了23.5億美元，盡管該行業(yè)的實際同比增長率僅為1%。
近年來，投資者始終在向量子計算初創(chuàng)公司投入資金。而自2001年以來的所有此類投資中，有68%發(fā)生在過去兩年。
自2001年以來，10筆最大的量子領(lǐng)域投資中有4筆投資于量子初創(chuàng)公司。其中包括軟件初創(chuàng)公司SandboxAQ，它籌集了5億美元資金。另外三家公司Rigetti、D-Wave和Origin Quantum也都完成了價值數(shù)億美元的重大投資交易。
這些投資標志著人們對量子計算越來越感興趣，并表明該行業(yè)可能在未來幾年迎來顯著的增長和發(fā)展。
麥肯錫的分析顯示，從2023年開始，量子計算可能會對汽車、化工、金融服務(wù)和生命科學等四個行業(yè)產(chǎn)生更大經(jīng)濟影響。到2035年，這些行業(yè)的價值可能會達到1.3萬億美元。
量子計算現(xiàn)在被認為是世界上競爭最激烈的領(lǐng)域之一。根據(jù)該領(lǐng)域?qū)＜业恼f法，擁有運行良好的量子計算的國家將有能力更好地預測、更好地模擬，分析更多的數(shù)據(jù)和場景，以便發(fā)現(xiàn)新藥、預見自然災害或意想不到的金融危機。
如今，美國、中國和歐洲在這項技術(shù)的發(fā)展上處于領(lǐng)先地位，緊隨其后的是日本、韓國、新加坡、澳大利亞、俄羅斯以及印度等，這些國家都在投資數(shù)十億美元推動這項尖端技術(shù)的發(fā)展。
從美國到中國和歐盟，世界上所有主要大國都認為量子計算是制藥、環(huán)境和能源等領(lǐng)域科學研究的優(yōu)先事項。值得注意的是，參與量子計算機開發(fā)的主要公司是美國公司，即IBM、谷歌、英特爾、霍尼韋爾和IonQ等。
根據(jù)麥肯錫公司2022年6月發(fā)布的量子技術(shù)監(jiān)測報告，歐盟正將其興趣集中在量子計算上，并與中國一起被認為是在這一創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)上投入最多公共資金的地區(qū)。然而，量子市場依然由北美主導，前12大制造商中有10家來自北美。
在這場讓跨國公司和世界主要國家垂涎三尺的競賽中，其他國家也在積極參與進來。2020年，俄羅斯政府投資7億美元發(fā)展量子技術(shù)，并于2022年建立了國家量子實驗室。目前，俄羅斯科學研究所俄羅斯量子中心正在尋求與金磚國家集團的其他中心建立伙伴關(guān)系。印度最近也宣布了其國家量子任務(wù)，旨在未來幾年將量子技術(shù)的科學和工業(yè)研發(fā)翻一番。
03 量子計算被過度炒作？
量子計算還處于發(fā)展的早期階段，在量子計算機廣泛應用于實踐之前，必須克服許多實際和理論上的挑戰(zhàn)。
與任何先進和快速發(fā)展的技術(shù)一樣，量子技術(shù)有可能被濫用，而且人工智能和強大的解密技術(shù)等快速采用也存在風險。有些物理學家還聲稱，很多初創(chuàng)企業(yè)都是建立在不切實際的炒作基礎(chǔ)上的，并警告稱，目前的估值存在泡沫。
法蘭克福高級研究所研究員、理論物理學家薩賓霍森菲爾德(Sabine Hossenfelder)說：“包括我在內(nèi)的許多物理學家都認為，量子計算被過度炒作了。它不會改變世界，充其量只能有一些小眾應用，而且取得成果所需要的時間比許多初創(chuàng)企業(yè)預期的要長得多。”
然而，多數(shù)首席信息官和IT領(lǐng)袖對此持有不同意見，他們希望更多地關(guān)注這項技術(shù)，以了解即將到來的顛覆。這也代表了許多行業(yè)觀察人士的看法，包括萊特州立大學量子計算主任、計算機科學研究教授內(nèi)拉格蕾絲勒德洛（Nella Grace Ludlow）。
雖然量子計算仍處于實際發(fā)展的早期階段，但有些公司已經(jīng)在用它來解決困難的挑戰(zhàn)。當科技公司能夠充分開發(fā)這項技術(shù)的潛力時，量子計算機可以在幾秒鐘內(nèi)解決傳統(tǒng)計算機需要數(shù)月或數(shù)年才能解決的復雜問題。不利的一面是，量子計算機還可能使黑客能夠快速解決數(shù)據(jù)加密所需的復雜數(shù)學算法，從而將所有數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全置于危險之中。
勒德洛認為量子計算現(xiàn)在很有用。計算機科學中的“最大謊言”是，只要我們有足夠大的超級計算機，就能解決任何問題。但事實上，更大的超級計算機（使用傳統(tǒng)的二進制計算）也未必能解決許多挑戰(zhàn)。
在化學領(lǐng)域，有幾十個這樣的例子，我們目前使用量子計算機來搜索理想新材料的新化學結(jié)構(gòu)，搜索新藥或更好地優(yōu)化機器學習算法，這些算法目前使用人工智能幫助尋找有用卻不能算是最佳的解決方案。
量子計算正處于迅速發(fā)展時期，所以任何進步都會帶來巨大的改變。如果一臺新的量子計算機多了10個量子比特，那么其處理能力就可以提高1000倍。在過去的七年里，商用量子計算機的量子比特數(shù)量大約翻了一番，單個量子比特的能力翻了一番。
2018年，加州理工學院教授約翰普雷斯基爾(John Preskill)創(chuàng)造了“NISQ”一詞，意為“含噪聲的中型量子時代”計算。許多人認為，我們?nèi)蕴幱诹孔佑嬎銠C的NISQ時代，或者即將結(jié)束。
這是因為量子計算機的量子比特錯誤率仍然高于傳統(tǒng)計算機。雖然量子比特的數(shù)量增加了，但錯誤率卻沒有減少。每個月都有新的性能基準問世，使我們能夠進入“容錯量子計算”時代。這個新時代將允許人們處理超難的問題，比如破解密碼。
我們需要克服思維障礙，因為量子計算機與經(jīng)典計算機截然不同，它們具有完全不同的計算機體系結(jié)構(gòu)，可以解決以前不可能解決的問題。
目前，量子計算領(lǐng)域還缺乏適當?shù)谋O(jiān)管。與當前圍繞人工智能面臨的監(jiān)管或政策制定情況相比，關(guān)于量子計算的監(jiān)管討論甚至更少。
04 “量子時代的黎明” 即將到來？
今年6月，IBM的一位計算高管聲稱，量子計算機正在進入“實用”階段。在這個階段，高科技實驗設(shè)備變得更有用。今年9月，澳大利亞首席科學家凱西福利（Cathy Foley）甚至宣布“量子時代的黎明”即將到來。
不久前，澳大利亞物理學家米歇爾西蒙斯(Michelle Simmons)因在開發(fā)硅基量子計算機方面的工作獲得了該國最高科學獎。顯然，量子計算機正在大行其道。
當被問及量子計算距離實際應用還有多遠時，萊特州立大學量子計算主任、計算機科學研究教授內(nèi)拉格蕾絲勒德洛稱，現(xiàn)在可能有幾十個難以解決的問題，任何組織都可以使用量子計算來幫助改進。
空客正在使用量子計算機來設(shè)計他們的新飛機，德國汽車行業(yè)正在使用量子計算機來規(guī)劃、調(diào)度數(shù)百輛自動駕駛汽車。多家公司正在使用它們來設(shè)計更好的電池，以滿足電動汽車的需求。
對于試圖投資量子計算的企業(yè)來說，勒德洛認為，他們不要只著眼于獲得5%到15%改進的問題，而是專注于以前不可能解決的問題。在數(shù)學中，這些難以解決的問題通常被稱為“NP”，即非確定性多項式時間問題。
量子計算的最佳應用包括物流、調(diào)度、金融、市場預測、新材料設(shè)計、藥品和能源運輸?shù)阮I(lǐng)域。任何需要優(yōu)化結(jié)果的問題都是量子計算能夠解決的理想問題，因為它涉及到數(shù)百萬種可能的選擇，而量子計算能從中找到最佳解決方案。
在材料科學領(lǐng)域，量子計算機將能夠在原子尺度上模擬分子結(jié)構(gòu)，從而更快、更容易地發(fā)現(xiàn)新的、有趣的材料。這也可能在電池、制藥、化肥和其他基于化學的領(lǐng)域有重要的應用。
量子計算機還將加速許多困難的優(yōu)化問題，在這些問題中，我們想要找到做某事的“最佳”方法。這將使我們能夠解決物流、金融和天氣預報等領(lǐng)域的更大規(guī)模問題。
采用量子技術(shù)的組織應該采取措施來保護他們的數(shù)據(jù)，比如大公司提供的量子云服務(wù)。微軟提供Quantum Azure，亞馬遜通過AWS提供Braket，這些方法是組織可以使用領(lǐng)先公司的量子計算機實施量子計算的方法。谷歌在其量子硬件上提供量子服務(wù)。IBM在銷售量子計算機和提供在線訪問他們的量子計算機方面處于世界領(lǐng)先地位。
05 四條路經(jīng)探索量子計算的未來
2023年，量子計算將從大學物理系的地下室實驗室轉(zhuǎn)移到工業(yè)研發(fā)設(shè)施中，此舉得到了跨國公司和風險資本家的支持。
當代量子計算原型多由IBM、谷歌、IonQ、Rigetti和其他公司建造，但距離完美還有很長的路要走。
今天的機器體積不大，而且很容易出錯，處于所謂的“含噪聲的中型量子時代”（NISQ）發(fā)展階段。這意味著，它們很容易受到許多錯誤來源的影響，而糾正這些錯誤存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)。
科學家們希望能夠開發(fā)出能夠自我糾正錯誤的大型量子計算機。整個生態(tài)系統(tǒng)的研究人員和企業(yè)都在通過不同的技術(shù)方法追求這一目標。
目前領(lǐng)先的方法是利用超導電路中的電流回路來存儲和處理信息，這是谷歌、IBM、Rigetti等公司采用的技術(shù)。
另一種方法是“捕獲離子”技術(shù)，它與帶電原子粒子群一起工作，利用粒子固有的穩(wěn)定性來減少誤差。IonQ和霍尼韋爾率先采用了這種方法。
第三條探索路徑是將電子限制在半導體材料的微小顆粒中，然后將其融合到經(jīng)典計算的成熟硅技術(shù)中。硅量子計算公司（Silicon quantum Computing）正在從這個角度進行研究。
第四個方向是使用單個光粒子(光子)，它可以被高精度操控。一家名為PsiQuantum的公司正在設(shè)計復雜的“導光”電路來執(zhí)行量子計算。
在所有這些技術(shù)中，目前還沒有明確的贏家，最終勝出的很可能是一種混合模式。
今天試圖預測量子計算的未來為時尚早，但許多研究人員都認為，未來十年該領(lǐng)域可能會實現(xiàn)某些里程碑式的目標。我們有望看到從嘈雜設(shè)備時代向可以通過主動糾錯維持計算的小型設(shè)備過渡。
未來十年，一種不犯錯誤(或稱具有主動糾錯功能)的大型量子計算機有望誕生。屆時，我們可以說，21世紀將是“量子時代”。（文 / 金鹿）
