準(zhǔn)備好將量子計(jì)算機(jī)添加到您的未來規(guī)劃中了嗎？

隨著技術(shù)以閃電般的速度發(fā)展，科學(xué)家和工程師現(xiàn)在需要比以往更快的處理速度和功能。電池建模、分子中單個(gè)原子的行為建模以及確定蛋白質(zhì)的行為等復(fù)雜問題和研究課題都是此類問題的示例，即使對于超級計(jì)算機(jī)而言，這些任務(wù)也是困難的任務(wù)。超級計(jì)算機(jī)是使用傳統(tǒng) CPU 和 GPU 以位的形式處理數(shù)據(jù)的大型計(jì)算機(jī)。

盡管功能強(qiáng)大，但當(dāng)遇到成千上萬復(fù)雜變量以復(fù)雜方式相互作用的問題時(shí)，這些超級計(jì)算機(jī)就會遇到困難。以模擬分子內(nèi)單個(gè)原子的行為為例;這個(gè)原子將與數(shù)以千計(jì)的其他電子和原子相互作用，在得出理想的解決方案之前必須分析所有這些可能性。另一個(gè)現(xiàn)實(shí)生活中的例子是為全球航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)百艘油輪尋找理想路線。這些只是量子計(jì)算機(jī)超越經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)的眾多領(lǐng)域中的一小部分。

傳統(tǒng)計(jì)算遵循布爾代數(shù)的原理，所有復(fù)雜的數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制狀態(tài)(即 1 和 0 )進(jìn)行分解和處理。這些 1 和 0 只不過是數(shù)百萬個(gè)晶體管和電容器的狀態(tài)，它們一次只存在于一種狀態(tài)。因此，這些物理半導(dǎo)體在其開關(guān)速度方面具有局限性。

隨著行業(yè)需要更快、更緊湊的設(shè)備，研究人員已經(jīng)達(dá)到了經(jīng)典物理定律無法應(yīng)用的閾值。另一方面，量子計(jì)算不是在物理層面上運(yùn)行，而是在原子層面上運(yùn)行，其中單個(gè)原子可以被極化以表示 1 和 0。每個(gè)粒子被稱為一個(gè)量子位，或量子比特。因?yàn)樗鼈冊诹孔铀缴线\(yùn)行，所以這些計(jì)算機(jī)利用了量子物理學(xué)的獨(dú)特行為，例如疊加、糾纏和量子干涉。

疊加是粒子同時(shí)存在于兩種二元狀態(tài)的能力，即它所處的狀態(tài)是 0 和 1 以及存在于它們之間的所有狀態(tài)的疊加。糾纏是量子位在糾纏并形成單個(gè)系統(tǒng)時(shí)影響其他量子位的能力，而量子干涉是量子位的固有行為，由于其疊加，會影響其以某種方式坍縮的概率。量子糾纏允許這些量子比特以無限的速度相互作用，即使它們相距很遠(yuǎn)。疊加和糾纏使量子計(jì)算能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的并行處理。雖然經(jīng)典計(jì)算中的 2 位寄存器可以存儲四種可能的二進(jìn)制配置之一，

用途和應(yīng)用領(lǐng)域

目前，量子計(jì)算技術(shù)處于非常早期的階段。采用目前技術(shù)的量子計(jì)算機(jī)無法比超級計(jì)算機(jī)更快地執(zhí)行所有任務(wù)，但在某些領(lǐng)域可以看到由于它們而產(chǎn)生的重大影響。

量子模擬

研究人員和科學(xué)家使用傳統(tǒng)的計(jì)算技術(shù)來計(jì)算材料的特性，以確定滿足特定要求的新材料。盡管取得了成功，但這些方法占用大量處理能力且效率低下。當(dāng)研究這些粒子之間的相互作用時(shí)，這些經(jīng)典系統(tǒng)達(dá)到了極限。量子模擬器通過使用量子現(xiàn)象來模擬模型來解決這些問題，這很容易耗盡經(jīng)典模擬器。量子模擬器在凝聚態(tài)物理、高能物理、原子物理、量子化學(xué)和宇宙學(xué)等領(lǐng)域的許多問題研究中都有應(yīng)用。可以在需要較少控制且更易于構(gòu)建的簡單模擬設(shè)備上執(zhí)行量子模擬。許多量子系統(tǒng)，如中性原子、離子、光子，已被標(biāo)記為量子模擬器。

密碼學(xué)

密碼術(shù)是一種將純文本轉(zhuǎn)換為編碼文本以確保其安全的加密過程。量子密碼學(xué)是使用量子力學(xué)作為一種更安全地加密數(shù)據(jù)的方法。廣泛使用的密碼學(xué)加密技術(shù)，如 Rivest–Shamir–Adleman (RSA) 算法，基于復(fù)雜的因式分解和離散對數(shù)，它們占用了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的大量處理能力，因此是一個(gè)昂貴的過程。量子密碼學(xué)被證明是一種更有效的加密解決方案。量子密碼術(shù)使用一系列光子通過光纖電纜傳輸數(shù)據(jù)，并在端點(diǎn)檢測和測量其強(qiáng)度。

優(yōu)化

全球所有行業(yè)都需要流程優(yōu)化。優(yōu)化是在給定約束和預(yù)期輸出的情況下找到問題的最佳解決方案的過程。制造業(yè)需要高效的流程以最低的價(jià)格制造高質(zhì)量的產(chǎn)品。航運(yùn)業(yè)需要為他們的船只找出最快和最經(jīng)濟(jì)的路線，而能源生產(chǎn)行業(yè)需要每分鐘優(yōu)化其流程，以最低的成本利用最大的能源。通過使用量子計(jì)算，可以找到復(fù)雜問題的最佳解決方案，這可能會使現(xiàn)有的經(jīng)典計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施不堪重負(fù)。

量子機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)徹底改變了科學(xué)和商業(yè)領(lǐng)域，幾乎每家公司都依賴 ML 算法來充分利用可用資源。盡管該領(lǐng)域取得了很大進(jìn)步，但由于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，其發(fā)展一直受到阻礙。這些機(jī)器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練需要很高的計(jì)算能力，因此給經(jīng)典計(jì)算機(jī)帶來了很大壓力。盡管目前存在硬件和軟件方面的挑戰(zhàn)，但量子機(jī)器學(xué)習(xí)肯定可以在不久的將來取代經(jīng)典的 ML 算法。

目前的挑戰(zhàn)

盡管量子計(jì)算承諾了各種好處，但仍然需要修復(fù)不同的坑洼。下面列出了當(dāng)前必須解決的一些挑戰(zhàn)：

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對與環(huán)境相互作用的敏感性

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量子計(jì)算機(jī)對其所在的環(huán)境非常敏感，因?yàn)榕c周圍環(huán)境的任何相互作用都會導(dǎo)致退相干。退相干是由于與環(huán)境的不良相互作用導(dǎo)致的狀態(tài)函數(shù)的崩潰。將量子系統(tǒng)與其周圍環(huán)境隔離開來是極其困難的，而且隨著系統(tǒng)中量子位數(shù)量的增加，這種隔離難度也會增加。盡管在強(qiáng)磁場中使用量子比特已經(jīng)取得了一些成功，但使用離子還有很長的路要走。

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錯(cuò)誤及其更正

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計(jì)算，無論是經(jīng)典計(jì)算還是量子計(jì)算，都涉及錯(cuò)誤。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)的情況下，計(jì)算本質(zhì)上是非線性的，這使得錯(cuò)誤識別和傳統(tǒng)糾錯(cuò)方法更容易。由于量子計(jì)算遵循線性計(jì)算，一個(gè)小的錯(cuò)誤就可能使完整的計(jì)算結(jié)果失效。量子比特不是數(shù)字比特，不能使用傳統(tǒng)的糾錯(cuò)方法。然而，IBM 最近開發(fā)了一種糾錯(cuò)算法，該算法共有 5 個(gè)量子位(1 個(gè)計(jì)算位和 4 個(gè)校正位)用于可靠計(jì)算。

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狀態(tài)準(zhǔn)備約束

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狀態(tài)準(zhǔn)備是開始任何量子計(jì)算之前的第一步。在這個(gè)階段的大多數(shù)方案中，量子位需要處于疊加狀態(tài)才能使計(jì)算正確進(jìn)行。因此狀態(tài)準(zhǔn)備是困難的并且受計(jì)算機(jī)對環(huán)境的敏感性的影響。

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輸出遵守

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在產(chǎn)生量子計(jì)算后檢索數(shù)據(jù)是一項(xiàng)危險(xiǎn)的任務(wù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)存在損壞的風(fēng)險(xiǎn)。最近取得了一些進(jìn)展，例如數(shù)據(jù)庫搜索算法依賴于量子計(jì)算機(jī)中概率曲線的特殊“波浪”形狀。這確保一旦完成所有計(jì)算，測量行為將看到量子態(tài)退相干為正確答案。

量子計(jì)算機(jī)可能需要幾年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)不斷增加的工業(yè)受益用例。但研究人員和IBM等科技巨頭的最新發(fā)展表明，量子計(jì)算機(jī)在不久的將來肯定會超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)。