劃重點(diǎn)：
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量子計(jì)算首次出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代初，主要依靠量子力學(xué)來(lái)解決復(fù)雜的、以前不太可能解決的計(jì)算問(wèn)題。
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IBM于2019年推出了首個(gè)IBM Q System One量子計(jì)算系統(tǒng)，谷歌也聲稱其實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。
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盡管量子計(jì)算行業(yè)的實(shí)際同比增長(zhǎng)率僅為1%，但該領(lǐng)域初創(chuàng)企業(yè)2022年獲得的總投資達(dá)到23.5億美元。
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多數(shù)首席信息官和IT領(lǐng)袖認(rèn)為量子計(jì)算并未被過(guò)分炒作，他們希望更多地關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)，以了解即將到來(lái)的顛覆。
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十年內(nèi)具有主動(dòng)糾錯(cuò)功能的大型量子計(jì)算機(jī)有望誕生，21世紀(jì)也將因此被視為“量子時(shí)代”。
科技新聞?dòng)?量子計(jì)算是一個(gè)新興的科學(xué)領(lǐng)域，由于它在許多行業(yè)擁有著巨大的應(yīng)用潛力，已經(jīng)引起了許多國(guó)家和公司的興趣。隨著更多資源和資金的投入，量子計(jì)算技術(shù)正以極快的速度向前飛躍。有科學(xué)家預(yù)言，量子計(jì)算機(jī)正進(jìn)入“實(shí)用”階段，十年內(nèi)具有主動(dòng)糾錯(cuò)功能的大型量子計(jì)算機(jī)有望誕生，“量子時(shí)代的黎明”即將到來(lái)。
01 量子計(jì)算將成改變?nèi)祟悮v史進(jìn)程的新里程碑
量子計(jì)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(jìn)程的科學(xué)趨勢(shì)之一。
量子計(jì)算首次出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代初，是一種變革性的技術(shù)趨勢(shì)，旨在通過(guò)快速有效地解決不可能的問(wèn)題來(lái)改變世界。這是一項(xiàng)新興技術(shù)，它利用量子物理定律來(lái)處理與傳統(tǒng)計(jì)算不同的信息。
量子計(jì)算主要依靠量子力學(xué)來(lái)解決復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題。實(shí)際上，量子計(jì)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(lái)，作為計(jì)算中的一種新形式的信息編碼。量子計(jì)算的基礎(chǔ)將使它們比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)優(yōu)越數(shù)千倍。
2019年1月，IBM推出了首個(gè)IBM Q System One量子計(jì)算系統(tǒng)，這是計(jì)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(shí)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(jí)計(jì)算機(jī)需要1萬(wàn)年才能完成的特定計(jì)算任務(wù)。
在標(biāo)志著將信息單位“比特”(值1或0)轉(zhuǎn)換為量子比特(同時(shí)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(guò)100量子比特。
IBM最近還推出了魚(yú)鷹(Osprey)量子處理器，該處理器具有433個(gè)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(shí)，IBM還更新了路線圖，計(jì)劃到2025年開(kāi)發(fā)出有超過(guò)4000個(gè)量子比特的處理器。
雖然這項(xiàng)技術(shù)還處于起步階段，但不可否認(rèn)的是，它將在人工智能、量子化學(xué)、金融、密碼學(xué)、網(wǎng)絡(luò)安全、物流等領(lǐng)域有著巨大的潛力。量子計(jì)算的特點(diǎn)是具有更高的計(jì)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(jì)算的主要缺點(diǎn)是它對(duì)噪聲、溫度和光非常敏感，這會(huì)污染它所處的環(huán)境，從而破壞信息，產(chǎn)生需要糾正的錯(cuò)誤以獲得所需的結(jié)果。與經(jīng)典計(jì)算不同，在創(chuàng)建算法時(shí)，量子計(jì)算需要為每次計(jì)算編寫新的算法。量子計(jì)算的另一個(gè)缺點(diǎn)是它只能在零下240攝氏度的極低溫度下運(yùn)行，而這是非常難以維持的環(huán)境。
02 全球量子計(jì)算領(lǐng)域投資創(chuàng)史上新高
量子計(jì)算行業(yè)正以驚人的速度增長(zhǎng)，對(duì)這項(xiàng)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(dá)到了23.5億美元，盡管該行業(yè)的實(shí)際同比增長(zhǎng)率僅為1%。
近年來(lái)，投資者始終在向量子計(jì)算初創(chuàng)公司投入資金。而自2001年以來(lái)的所有此類投資中，有68%發(fā)生在過(guò)去兩年。
自2001年以來(lái)，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(jià)值數(shù)億美元的重大投資交易。
這些投資標(biāo)志著人們對(duì)量子計(jì)算越來(lái)越感興趣，并表明該行業(yè)可能在未來(lái)幾年迎來(lái)顯著的增長(zhǎng)和發(fā)展。
麥肯錫的分析顯示，從2023年開(kāi)始，量子計(jì)算可能會(huì)對(duì)汽車、化工、金融服務(wù)和生命科學(xué)等四個(gè)行業(yè)產(chǎn)生更大經(jīng)濟(jì)影響。到2035年，這些行業(yè)的價(jià)值可能會(huì)達(dá)到1.3萬(wàn)億美元。
量子計(jì)算現(xiàn)在被認(rèn)為是世界上競(jìng)爭(zhēng)最激烈的領(lǐng)域之一。根據(jù)該領(lǐng)域?qū)＜业恼f(shuō)法，擁有運(yùn)行良好的量子計(jì)算的國(guó)家將有能力更好地預(yù)測(cè)、更好地模擬，分析更多的數(shù)據(jù)和場(chǎng)景，以便發(fā)現(xiàn)新藥、預(yù)見(jiàn)自然災(zāi)害或意想不到的金融危機(jī)。
如今，美國(guó)、中國(guó)和歐洲在這項(xiàng)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(guó)、新加坡、澳大利亞、俄羅斯以及印度等，這些國(guó)家都在投資數(shù)十億美元推動(dòng)這項(xiàng)尖端技術(shù)的發(fā)展。
從美國(guó)到中國(guó)和歐盟，世界上所有主要大國(guó)都認(rèn)為量子計(jì)算是制藥、環(huán)境和能源等領(lǐng)域科學(xué)研究的優(yōu)先事項(xiàng)。值得注意的是，參與量子計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)的主要公司是美國(guó)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(cè)報(bào)告，歐盟正將其興趣集中在量子計(jì)算上，并與中國(guó)一起被認(rèn)為是在這一創(chuàng)新技術(shù)開(kāi)發(fā)上投入最多公共資金的地區(qū)。然而，量子市場(chǎng)依然由北美主導(dǎo)，前12大制造商中有10家來(lái)自北美。
在這場(chǎng)讓跨國(guó)公司和世界主要國(guó)家垂涎三尺的競(jìng)賽中，其他國(guó)家也在積極參與進(jìn)來(lái)。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(guó)家量子實(shí)驗(yàn)室。目前，俄羅斯科學(xué)研究所俄羅斯量子中心正在尋求與金磚國(guó)家集團(tuán)的其他中心建立伙伴關(guān)系。印度最近也宣布了其國(guó)家量子任務(wù)，旨在未來(lái)幾年將量子技術(shù)的科學(xué)和工業(yè)研發(fā)翻一番。
03 量子計(jì)算被過(guò)度炒作？
量子計(jì)算還處于發(fā)展的早期階段，在量子計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于實(shí)踐之前，必須克服許多實(shí)際和理論上的挑戰(zhàn)。
與任何先進(jìn)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(qiáng)大的解密技術(shù)等快速采用也存在風(fēng)險(xiǎn)。有些物理學(xué)家還聲稱，很多初創(chuàng)企業(yè)都是建立在不切實(shí)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(jí)研究所研究員、理論物理學(xué)家薩賓霍森菲爾德(Sabine Hossenfelder)說(shuō)：“包括我在內(nèi)的許多物理學(xué)家都認(rèn)為，量子計(jì)算被過(guò)度炒作了。它不會(huì)改變世界，充其量只能有一些小眾應(yīng)用，而且取得成果所需要的時(shí)間比許多初創(chuàng)企業(yè)預(yù)期的要長(zhǎng)得多。”
然而，多數(shù)首席信息官和IT領(lǐng)袖對(duì)此持有不同意見(jiàn)，他們希望更多地關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)，以了解即將到來(lái)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(xué)量子計(jì)算主任、計(jì)算機(jī)科學(xué)研究教授內(nèi)拉格蕾絲勒德洛（Nella Grace Ludlow）。
雖然量子計(jì)算仍處于實(shí)際發(fā)展的早期階段，但有些公司已經(jīng)在用它來(lái)解決困難的挑戰(zhàn)。當(dāng)科技公司能夠充分開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的潛力時(shí)，量子計(jì)算機(jī)可以在幾秒鐘內(nèi)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要數(shù)月或數(shù)年才能解決的復(fù)雜問(wèn)題。不利的一面是，量子計(jì)算機(jī)還可能使黑客能夠快速解決數(shù)據(jù)加密所需的復(fù)雜數(shù)學(xué)算法，從而將所有數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全置于危險(xiǎn)之中。
勒德洛認(rèn)為量子計(jì)算現(xiàn)在很有用。計(jì)算機(jī)科學(xué)中的“最大謊言”是，只要我們有足夠大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，就能解決任何問(wèn)題。但事實(shí)上，更大的超級(jí)計(jì)算機(jī)（使用傳統(tǒng)的二進(jìn)制計(jì)算）也未必能解決許多挑戰(zhàn)。
在化學(xué)領(lǐng)域，有幾十個(gè)這樣的例子，我們目前使用量子計(jì)算機(jī)來(lái)搜索理想新材料的新化學(xué)結(jié)構(gòu)，搜索新藥或更好地優(yōu)化機(jī)器學(xué)習(xí)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(jì)算正處于迅速發(fā)展時(shí)期，所以任何進(jìn)步都會(huì)帶來(lái)巨大的改變。如果一臺(tái)新的量子計(jì)算機(jī)多了10個(gè)量子比特，那么其處理能力就可以提高1000倍。在過(guò)去的七年里，商用量子計(jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)量大約翻了一番，單個(gè)量子比特的能力翻了一番。
2018年，加州理工學(xué)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(shí)代”計(jì)算。許多人認(rèn)為，我們?nèi)蕴幱诹孔佑?jì)算機(jī)的NISQ時(shí)代，或者即將結(jié)束。
這是因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)的量子比特錯(cuò)誤率仍然高于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。雖然量子比特的數(shù)量增加了，但錯(cuò)誤率卻沒(méi)有減少。每個(gè)月都有新的性能基準(zhǔn)問(wèn)世，使我們能夠進(jìn)入“容錯(cuò)量子計(jì)算”時(shí)代。這個(gè)新時(shí)代將允許人們處理超難的問(wèn)題，比如破解密碼。
我們需要克服思維障礙，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)截然不同，它們具有完全不同的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，可以解決以前不可能解決的問(wèn)題。
目前，量子計(jì)算領(lǐng)域還缺乏適當(dāng)?shù)谋O(jiān)管。與當(dāng)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(jì)算的監(jiān)管討論甚至更少。
04 “量子時(shí)代的黎明” 即將到來(lái)？
今年6月，IBM的一位計(jì)算高管聲稱，量子計(jì)算機(jī)正在進(jìn)入“實(shí)用”階段。在這個(gè)階段，高科技實(shí)驗(yàn)設(shè)備變得更有用。今年9月，澳大利亞首席科學(xué)家凱西福利（Cathy Foley）甚至宣布“量子時(shí)代的黎明”即將到來(lái)。
不久前，澳大利亞物理學(xué)家米歇爾西蒙斯(Michelle Simmons)因在開(kāi)發(fā)硅基量子計(jì)算機(jī)方面的工作獲得了該國(guó)最高科學(xué)獎(jiǎng)。顯然，量子計(jì)算機(jī)正在大行其道。
當(dāng)被問(wèn)及量子計(jì)算距離實(shí)際應(yīng)用還有多遠(yuǎn)時(shí)，萊特州立大學(xué)量子計(jì)算主任、計(jì)算機(jī)科學(xué)研究教授內(nèi)拉格蕾絲勒德洛稱，現(xiàn)在可能有幾十個(gè)難以解決的問(wèn)題，任何組織都可以使用量子計(jì)算來(lái)幫助改進(jìn)。
空客正在使用量子計(jì)算機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)他們的新飛機(jī)，德國(guó)汽車行業(yè)正在使用量子計(jì)算機(jī)來(lái)規(guī)劃、調(diào)度數(shù)百輛自動(dòng)駕駛汽車。多家公司正在使用它們來(lái)設(shè)計(jì)更好的電池，以滿足電動(dòng)汽車的需求。
對(duì)于試圖投資量子計(jì)算的企業(yè)來(lái)說(shuō)，勒德洛認(rèn)為，他們不要只著眼于獲得5%到15%改進(jìn)的問(wèn)題，而是專注于以前不可能解決的問(wèn)題。在數(shù)學(xué)中，這些難以解決的問(wèn)題通常被稱為“NP”，即非確定性多項(xiàng)式時(shí)間問(wèn)題。
量子計(jì)算的最佳應(yīng)用包括物流、調(diào)度、金融、市場(chǎng)預(yù)測(cè)、新材料設(shè)計(jì)、藥品和能源運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。任何需要優(yōu)化結(jié)果的問(wèn)題都是量子計(jì)算能夠解決的理想問(wèn)題，因?yàn)樗婕暗綌?shù)百萬(wàn)種可能的選擇，而量子計(jì)算能從中找到最佳解決方案。
在材料科學(xué)領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)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(xué)的領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。
量子計(jì)算機(jī)還將加速許多困難的優(yōu)化問(wèn)題，在這些問(wèn)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(yù)報(bào)等領(lǐng)域的更大規(guī)模問(wèn)題。
采用量子技術(shù)的組織應(yīng)該采取措施來(lái)保護(hù)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(guò)AWS提供Braket，這些方法是組織可以使用領(lǐng)先公司的量子計(jì)算機(jī)實(shí)施量子計(jì)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(jì)算機(jī)和提供在線訪問(wèn)他們的量子計(jì)算機(jī)方面處于世界領(lǐng)先地位。
05 四條路經(jīng)探索量子計(jì)算的未來(lái)
2023年，量子計(jì)算將從大學(xué)物理系的地下室實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到工業(yè)研發(fā)設(shè)施中，此舉得到了跨國(guó)公司和風(fēng)險(xiǎn)資本家的支持。
當(dāng)代量子計(jì)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(zhǎng)的路要走。
今天的機(jī)器體積不大，而且很容易出錯(cuò)，處于所謂的“含噪聲的中型量子時(shí)代”（NISQ）發(fā)展階段。這意味著，它們很容易受到許多錯(cuò)誤來(lái)源的影響，而糾正這些錯(cuò)誤存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)。
科學(xué)家們希望能夠開(kāi)發(fā)出能夠自我糾正錯(cuò)誤的大型量子計(jì)算機(jī)。整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的研究人員和企業(yè)都在通過(guò)不同的技術(shù)方法追求這一目標(biāo)。
目前領(lǐng)先的方法是利用超導(dǎo)電路中的電流回路來(lái)存儲(chǔ)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(lái)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(dǎo)體材料的微小顆粒中，然后將其融合到經(jīng)典計(jì)算的成熟硅技術(shù)中。硅量子計(jì)算公司（Silicon quantum Computing）正在從這個(gè)角度進(jìn)行研究。
第四個(gè)方向是使用單個(gè)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(jì)復(fù)雜的“導(dǎo)光”電路來(lái)執(zhí)行量子計(jì)算。
在所有這些技術(shù)中，目前還沒(méi)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(yù)測(cè)量子計(jì)算的未來(lái)為時(shí)尚早，但許多研究人員都認(rèn)為，未來(lái)十年該領(lǐng)域可能會(huì)實(shí)現(xiàn)某些里程碑式的目標(biāo)。我們有望看到從嘈雜設(shè)備時(shí)代向可以通過(guò)主動(dòng)糾錯(cuò)維持計(jì)算的小型設(shè)備過(guò)渡。
未來(lái)十年，一種不犯錯(cuò)誤(或稱具有主動(dòng)糾錯(cuò)功能)的大型量子計(jì)算機(jī)有望誕生。屆時(shí)，我們可以說(shuō)，21世紀(jì)將是“量子時(shí)代”。（文 / 金鹿）
