量子计算的未来

我国的一个研究小组最近公布了世界上最强大的量子计算机——能够处理66个量子比特的数据。与此同时，英国剑桥大学的一个团队创造了一个量子计算桌面操作系统——这可能是将量子能力带入主流的重要一步，就像微软开发MS-DOS和Windows用于经典桌面计算一样。

考虑到这一点，我认为看看量子计算的现状可能是个好主意——量子计算是一项技术飞跃，有望使我们的计算机的运行速度比目前最快的经典处理器快数千倍。什么是量子计算，为什么这么多人对它感到兴奋，它将如何影响我们的生活?

量子飞跃

首先，什么是量子计算?嗯，用简单的术语来解释它是相当困难的，因为它是一个相当复杂的概念!“量子”的意思是“亚原子”，在计算和物理学中，当我们在亚原子水平上研究物质时，它被用来描述物质所展示的特性。通常，这些性质似乎不符合研究原子大小或更大的物质时可以观察到的基本物理规则。在亚原子水平上，可以观察到诸如纠缠（粒子之间的连接，意味着它们共享相同的状态，无论它们相距多远）和叠加（粒子可以表现得好像它们同时存在于两种不同的状态）等特性。

一个值得你思考的概念是比特和量子比特之间的区别。普通计算机（在量子计算的背景下称为“经典”计算机）以二进制“比特”的形式存储和读取数据，这些“比特”可以具有1或0的状态。量子计算机使用量子比特，利用叠加和纠缠等量子现象，这意味着它们可以用来执行某些复杂形式的计算，其速度远远超过使用经典计算算法（或者在某些情况下，如果没有量子算法，这一切都不可能实现。

值得庆幸的是，为了使用量子计算机或了解它们如何影响我们未来的生活，没有必要完全理解量子计算机的机制!从程序的角度来看，它需要将超导材料冷却到99%的绝对零度（-273摄氏度/ 459华氏度），然后电子通过这种材料，光子（没有质量的电磁粒子）将其作为目标。这种相互作用意味着发生在粒子中的量子效应可以被控制和测量——成为可用于存储或处理信息的量子位。

今天量子计算的用途是什么?

量子计算目前是一个巨大的实验研究和开发领域，但实际应用正在出现。大型云计算提供商（亚马逊、谷歌和微软）都在他们的平台上提供了量子计算服务，由AT&T和加州理工学院成立的量子技术联盟已经成立，以帮助量子计算从理论领域进入实际应用领域。

量子计算主要用于解决使用经典方法需要很长时间才能解决的计算问题。一个例子是分析和解释大型强子对撞机收集的数据。地下超级对撞机加速亚原子粒子穿过27公里的隧道，达到99.9%的光速，每秒产生1拍字节的数据。负责对撞机操作的欧洲核子研究中心目前正在研究如何利用量子计算来处理这些数据。在量子成为可能之前，它的大部分都是无用的，因为世界上没有足够的经典计算机来分析它!

量子计算在创建超级强大的加密方面也很有用，它可以使数据被锁定得比其他方式更安全。2017年，奥地利和中国的科学家之间进行了世界上第一次量子安全的洲际视频通话。当然，一旦人人都能使用量子计算，用不了多久，我们也要担心量子驱动的黑客攻击——一些专家预测，目前用于保护互联网数据安全的大多数经典加密方法都将容易受到基于量子的攻击。

它还用于解决模拟生物有机体所需的极其复杂的计算，例如分子模拟中的蛋白质行为。加拿大生物技术公司proteinquure的研究人员与微软合作，利用量子计算研究基于基因组的疾病治疗方法，如癌症和阿尔茨海默病。

包括大众和戴姆勒在内的汽车制造商正在使用量子计算方法为电动汽车设计更持久、更高效的电池。在这里，它是有用的，因为电池失去电荷时发生的化学衰变模式非常复杂，用经典的计算机技术预测它们的行为是不可靠的。大众还与量子技术先驱D-Wave合作，创建了能够准确模拟和预测北京严重拥堵道路网络交通状况的模型。

量子计算的未来是什么?

在不久的将来——也许在5到10年内，但谁知道呢，也许更早——量子计算将达到一个阶段，它可以用来解决日常生活中改善我们生活的问题——英特尔量子研究主管吉姆·克拉克称之为“量子实用性”。

量子不会完全取代经典计算——至少在可预见的未来不会——对于许多计算任务，它不会提供任何真正的优势。然而，对于它擅长的复杂计算类型，我们可以期待看到运行速度快数亿倍的计算机。

标准化桌面操作系统的开发——本文开头提到的——可能是迈向量子实用性的重要一步。经典计算机，如IBM在20世纪中期创造的大型机，直到通用操作系统和编程语言出现才开始成为日常使用的实用计算机。目前，量子计算机的控制系统占据了一个小房间，而这一突破将其缩小到一个芯片。

一旦这种实用性得到确立，专家们希望量子计算机将被用于创建帮助我们应对气候变化的应用程序。实现这一目标的方法之一是创造新型农业肥料。改用新的合成肥料可以使全球天然气消耗量减少3%到5%。这将通过创造新的催化分子来实现，这些分子在创造必要的化学物质方面更有效。

量子计算机对人工智能和机器学习也有巨大的影响。这些认知计算过程——包括能够学习并在工作中变得更好的程序——使用庞大的神经网络运行，这需要大量的计算机能力。量子驱动的人工智能将给我们带来比以往更快思考和学习的机器。

这将使更复杂的系统能够被模拟和建模。模拟依赖于我们对现实的理解，以便在我们的模型中复制其规则。这意味着理解物质的行为和量子水平。诺贝尔奖得主、物理学家理查德·费曼帮助定义了我们对量子的大部分认识，他认为只有量子计算机才能强大到足以精确模拟量子活动。

一旦这成为可能（这将需要比我们今天的量子计算机强大许多倍，在数千个量子比特的范围内），我们应该能够建立精确的系统模拟模型，这些模型过于复杂，目前无法建模。例如电磁辐射，重力，甚至生物大脑。

无论出现什么，很明显，量子计算是技术进步的一个非常令人兴奋的领域，我们可以期待看到它在未来几年越来越多地影响我们的生活——也许就像上个世纪计算机的到来和本世纪互联网的发展一样重要。