量子計算 應用到這些行業(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)量子比特數(shù)量超過1000的平臺。相關公司將在以下幾個方面展開競爭：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。量子技術依賴于這些微小粒子的獨特、有時甚至是奇異的物理特性。”
根據(jù)Minerbi的說法，對量子計算有直接影響的量子理論關鍵原理是疊加(粒子同時處于多個狀態(tài)的能力)、糾纏(即使相距很遠的粒子之間的互相關能力)和干擾(粒子相互放大或抵消的能力)。
Yole集團旗下的Yole Intelligence公司市場研究總監(jiān)Eric Mounier表示，這一領域的研發(fā)一直非?；钴S，并將繼續(xù)活躍下去，因為量子技術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，中國也通過光子計算機展示了量子優(yōu)勢，谷歌則于2019年宣布率先實現(xiàn)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發(fā)方面都非常活躍。歐洲在研發(fā)方面實力雄厚，代爾夫特大學和CEA-Leti正在開發(fā)兼容CMOS的量子技術，” 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組成。有多種技術可用于創(chuàng)建量子比特，因此也有各種類型的量子比特：超導量子比特、離子阱量子比特、光量子比特等等?？茖W家們在提高量子比特和量子門的質(zhì)量、利用獨特量子特性的軟件算法以及創(chuàng)建更大規(guī)模量子計算機的方法等方面進行了大量研究?！?/span>
Mounier認為，量子最大的挑戰(zhàn)是減少由退相干現(xiàn)象引起的差錯：退相干是由外部世界中的量子系統(tǒng)耦合引起的差錯。
“隨著量子比特數(shù)量的增加，退相干(量子計算機中差錯的主要來源)也會增加，”Mounier指出，“擁有足夠的物理量子比特：50是使量子計算開始超過現(xiàn)代傳統(tǒng)計算機實際限制所需的邏輯量子比特的最小數(shù)量。但許多專家認為，從商業(yè)角度來看，量子計算機至少需要100萬個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間是有限的。許多公司正在努力改進這一特性以及開發(fā)糾錯機制，以便在發(fā)生差錯時能夠及時得到檢測和糾正?！?/span>
Mounier還強調(diào)了商用量子計算機的其他三個挑戰(zhàn)：
通過表面誤碼糾正來檢測和糾正各個量子比特的脆弱量子態(tài)
開發(fā)“不可知的”軟件
Mounier指出，量子計算機在軟件/硬件系統(tǒng)堆棧方面需要與傳統(tǒng)計算機完全不同的軟件，并且有兩種明顯不同的路線：
一些大公司在開發(fā)量子計算機的同時也在開發(fā)自己的語言
一些新公司則提出了與量子技術本身無關的軟件，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，缺乏標準化的量子軟件可能會延遲量子計算的普及，就像過去FPGA的情況一樣，”Mounier補充道。
圖1：量子計算在不同市場中的各種復雜問題。(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現(xiàn)量子計算，”Mounier透露，“有幾個正在進行中的研究項目使用由激光操縱的離子量子比特來實現(xiàn)量子計算。比如IonQ和杜克量子中心已經(jīng)使用32個離子實現(xiàn)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。麻省理工學院林肯實驗室正在開展此類研究，該實驗室已經(jīng)展示了硅光子在單個離子操縱中的使用。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(xiàn)正在制造構成Q1系統(tǒng)基礎的硅光子和電子芯片，這是PsiQuantum提供具有100萬個量子比特的商業(yè)上可行的量子計算機路線圖中的第一個系統(tǒng)里程碑?！?/span>
電動汽車和能源領域
“有兩個主要方向：優(yōu)化和材料科學，”Minerbi指出，“量子驅(qū)動的優(yōu)化將有助于設計出更好的能源分配網(wǎng)絡，通過優(yōu)化運輸節(jié)省能源，同時優(yōu)化供應鏈。量子驅(qū)動的材料科學將制造出更好(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等化學過程中的能源消耗?！?/span>
與此同時，寶馬集團和Pasqal擴大了合作，將量子計算應用于改進汽車的設計和制造。下一階段的合作旨在使寶馬集團的汽車更安全、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-改進周期，因為目前的傳統(tǒng)計算方法無法處理以所需精度來模擬整車的復雜性。這種模擬最終將幫助寶馬集團制造出更輕的零件，從而使汽車更省油。
圖2：量子計算的物理量子比特發(fā)展路線圖-歷史與未來。量子計算的未來前景
“就量子技術的具體應用而言，如今醫(yī)療和制****領域已吸引了大部分人的關注，” Mounier認為，“不過，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(nèi)能夠用于****物開發(fā)，屆時將有確定好的候選****物。對于****物發(fā)現(xiàn)，它將在10到20多年內(nèi)準備就緒。在制****業(yè)采用量子計算之后，其他應用可能會隨之而來：能源、化學、交通、****和金融可能會在隨后10多年內(nèi)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(shù)據(jù)中心的關鍵組件。這些QPU與CPU和GPU一起，將解決傳統(tǒng)計算機永遠無法解決的問題，從而帶來巨大的社會效益?！?/span>
網(wǎng)絡與量子計算的關系
“后量子密碼術(有時亦被稱為量子證明、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)絡安全措施。后量子密碼術市場將會不斷增長，估計拐點將在2028年至2030年之后，因為它取決于未來可用量子計算機的發(fā)布情況?！?/span>
“量子技術與網(wǎng)絡安全有很多交叉點，”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。強大的量子計算機將能夠破解RSA加密和其他傳統(tǒng)加密方法。量子計算還可以通過檢測新漏洞來幫助保護現(xiàn)有的網(wǎng)絡和軟件?！?/span>
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建具有數(shù)萬甚至數(shù)百萬個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的問題，并通過糾錯解決目前傳統(tǒng)計算機面臨的各種問題?！?/span>
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