量子計(jì)算 應(yīng)用到這些行業(yè)......
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為優(yōu)化性能，量子比特(qubits)面臨的挑戰(zhàn)是其穩(wěn)定性必須越來越高。隨著IBM、亞馬遜和微軟等幾家公司投入的資金越來越多，未來幾年將出現(xiàn)量子比特?cái)?shù)量超過1000的平臺。相關(guān)公司將在以下幾個(gè)方面展開競爭：量子比特的數(shù)量、可用端口的類型、量子比特之間的連接性、差錯(cuò)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(zhí)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)依賴于這些微小粒子的獨(dú)特、有時(shí)甚至是奇異的物理特性?！?/span>
根據(jù)Minerbi的說法，對量子計(jì)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(yuǎn)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(tuán)旗下的Yole Intelligence公司市場研究總監(jiān)Eric Mounier表示，這一領(lǐng)域的研發(fā)一直非?；钴S，并將繼續(xù)活躍下去，因?yàn)榱孔蛹夹g(shù)對未來具有明確的戰(zhàn)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Xanadu云和Amazon Braket向公眾提供其功能，”“2020年，中國也通過光子計(jì)算機(jī)展示了量子優(yōu)勢，谷歌則于2019年宣布率先實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢。除了美國，印度[計(jì)劃10億美元]、日本和中國在量子開發(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正在開發(fā)兼容CMOS的量子技術(shù)，” Mounier透露道。
“量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以商用，”Minerbi指出，“這些計(jì)算機(jī)由量子比特和量子門組成。有多種技術(shù)可用于創(chuàng)建量子比特，因此也有各種類型的量子比特：超導(dǎo)量子比特、離子阱量子比特、光量子比特等等。科學(xué)家們在提高量子比特和量子門的質(zhì)量、利用獨(dú)特量子特性的軟件算法以及創(chuàng)建更大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的方法等方面進(jìn)行了大量研究?！?/span>
Mounier認(rèn)為，量子最大的挑戰(zhàn)是減少由退相干現(xiàn)象引起的差錯(cuò)：退相干是由外部世界中的量子系統(tǒng)耦合引起的差錯(cuò)。
“隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，退相干(量子計(jì)算機(jī)中差錯(cuò)的主要來源)也會增加，”Mounier指出，“擁有足夠的物理量子比特：50是使量子計(jì)算開始超過現(xiàn)代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)際限制所需的邏輯量子比特的最小數(shù)量。但許多專家認(rèn)為，從商業(yè)角度來看，量子計(jì)算機(jī)至少需要100萬個(gè)量子比特才能真正發(fā)揮作用。”
“量子計(jì)算機(jī)容易受到外部環(huán)境和制造過程中缺陷的影響，”Minerbi表示，“因此，在系統(tǒng)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)這一特性以及開發(fā)糾錯(cuò)機(jī)制，以便在發(fā)生差錯(cuò)時(shí)能夠及時(shí)得到檢測和糾正?！?/span>
Mounier還強(qiáng)調(diào)了商用量子計(jì)算機(jī)的其他三個(gè)挑戰(zhàn)：
通過表面誤碼糾正來檢測和糾正各個(gè)量子比特的脆弱量子態(tài)
開發(fā)“不可知的”軟件
Mounier指出，量子計(jì)算機(jī)在軟件/硬件系統(tǒng)堆棧方面需要與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)完全不同的軟件，并且有兩種明顯不同的路線：
一些大公司在開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的同時(shí)也在開發(fā)自己的語言
一些新公司則提出了與量子技術(shù)本身無關(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
“無論如何，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的量子軟件可能會延遲量子計(jì)算的普及，就像過去FPGA的情況一樣，”Mounier補(bǔ)充道。
圖1：量子計(jì)算在不同市場中的各種復(fù)雜問題。(資料來源：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實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，”Mounier透露，“有幾個(gè)正在進(jìn)行中的研究項(xiàng)目使用由激光操縱的離子量子比特來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。比如IonQ和杜克量子中心已經(jīng)使用32個(gè)離子實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算。為了減小量子計(jì)算機(jī)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(yàn)室正在開展此類研究，該實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)展示了硅光子在單個(gè)離子操縱中的使用。IonQ計(jì)劃在2023年前將硅光子用于離子量子比特的量子計(jì)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(jì)算機(jī)。這兩家公司現(xiàn)正在制造構(gòu)成Q1系統(tǒng)基礎(chǔ)的硅光子和電子芯片，這是PsiQuantum提供具有100萬個(gè)量子比特的商業(yè)上可行的量子計(jì)算機(jī)路線圖中的第一個(gè)系統(tǒng)里程碑?！?/span>
電動汽車和能源領(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(qū)動的優(yōu)化將有助于設(shè)計(jì)出更好的能源分配網(wǎng)絡(luò)，通過優(yōu)化運(yùn)輸節(jié)省能源，同時(shí)優(yōu)化供應(yīng)鏈。量子驅(qū)動的材料科學(xué)將制造出更好(重量更輕但容量更大)的電動汽車電池，并有助于減少諸如Haber-Bosch等化學(xué)過程中的能源消耗。”
與此同時(shí)，寶馬集團(tuán)和Pasqal擴(kuò)大了合作，將量子計(jì)算應(yīng)用于改進(jìn)汽車的設(shè)計(jì)和制造。下一階段的合作旨在使寶馬集團(tuán)的汽車更安全、更輕、更省油。
高精度的計(jì)算模擬可以幫助寶馬集團(tuán)取代昂貴的物理構(gòu)建-測試-改進(jìn)周期，因?yàn)槟壳暗膫鹘y(tǒng)計(jì)算方法無法處理以所需精度來模擬整車的復(fù)雜性。這種模擬最終將幫助寶馬集團(tuán)制造出更輕的零件，從而使汽車更省油。
圖2：量子計(jì)算的物理量子比特發(fā)展路線圖-歷史與未來。量子計(jì)算的未來前景
“就量子技術(shù)的具體應(yīng)用而言，如今醫(yī)療和制****領(lǐng)域已吸引了大部分人的關(guān)注，” Mounier認(rèn)為，“不過，真正的廣泛應(yīng)用還需要很多年，甚至可能是20到30年。量子計(jì)算將在5到10年內(nèi)能夠用于****物開發(fā)，屆時(shí)將有確定好的候選****物。對于****物發(fā)現(xiàn)，它將在10到20多年內(nèi)準(zhǔn)備就緒。在制****業(yè)采用量子計(jì)算之后，其他應(yīng)用可能會隨之而來：能源、化學(xué)、交通、****和金融可能會在隨后10多年內(nèi)采用量子計(jì)算?！?/span>
“量子計(jì)算將成為任何嚴(yán)肅計(jì)算架構(gòu)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(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵組件。這些QPU與CPU和GPU一起，將解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)無法解決的問題，從而帶來巨大的社會效益。”
網(wǎng)絡(luò)與量子計(jì)算的關(guān)系
“后量子密碼術(shù)(有時(shí)亦被稱為量子證明、量子安全或量子抗性)的加密算法，通常是公鑰算法，被認(rèn)為可以抵御量子計(jì)算機(jī)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)市場將會不斷增長，估計(jì)拐點(diǎn)將在2028年至2030年之后，因?yàn)樗Q于未來可用量子計(jì)算機(jī)的發(fā)布情況。”
“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(xiàn)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(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)將能夠破解RSA加密和其他傳統(tǒng)加密方法。量子計(jì)算還可以通過檢測新漏洞來幫助保護(hù)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和軟件。”
幾乎所有與公私鑰一起使用并每天用于網(wǎng)頁瀏覽的算法都屬于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(jù)不同的數(shù)學(xué)問題，提出采用不同方法的后量子密碼算法，但也意味著網(wǎng)絡(luò)資源的高消耗。
結(jié)論
“許多大型且資金充足的組織正在努力構(gòu)建具有數(shù)萬甚至數(shù)百萬個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，而目前最大型的計(jì)算機(jī)僅擁有大約100個(gè)量子比特，”Minerbi補(bǔ)充道，“這些更大型的計(jì)算機(jī)將能夠解決新一類的問題，并通過糾錯(cuò)解決目前傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)面臨的各種問題?！?/span>
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