文章发表于2024-06-28 15:24:50，归属【科技前沿】分类，已有692人阅读
量子计算领域是一个不断发展的领域，不断的进步塑造了技术进步的进程。在这一探索中，我们开始了一段揭示量子计算内在奇迹的旅程，并揭示了量子计算的优势，这些优势将其推向创新和计算能力的前沿。
什么是量子计算？
量子计算机利用量子力学原理进行计算。在经典物理学中没有解释这些量子设备的操作，并且具有可扩展能力的量子计算机可以比现代“经典”计算设备更快执行某些计算。一台有效的量子计算机可能能够破解常见的加密方案，并促进物理模拟。尽管如此，截至2023年，量子计算机在很大程度上仍处于实验阶段，而且不切实际。
量子与经典计算的区别
量子计算机和经典计算机在处理信息的方式上有一个根本的区别。通过用量子比特代替晶体管，量子计算机可以同时表示二进制信息的0和1。
量子计算机的能力随着它所包含的量子位的数量呈指数增长。这与传统计算机形成了鲜明的对比，传统计算机的功率与晶体管的数量成正比。这可能会导致某些计算的场景，由于这个原因，量子计算机最终可能优于经典计算机。
尽管量子计算机在某些任务（如模拟化学反应或优化任务）中有可能显著优于经典计算机（或者这是业内许多人的普遍共识），但它们很难制造，并且在其他计算中也不会提供很多优势。
尽管量子计算机具有优势，而且它们的能力也在不断增强，但大多数日常操作仍可能由传统计算机以更有效的方式完成。
量子计算的3个优势
1. 化学模拟
在化学模拟领域，量子计算有可能极大地改善这一过程，并带来一些好处。
科学家们可以利用这种增强的计算能力来探索更大、更复杂的分子结构，使他们能够实现更精确、更详细的化学系统模拟，因为量子世界的指数复杂性是传统计算机难以精确模拟的。
量子化学模拟在精度和计算成本上采用了多种方法。下面是其中的三个例子：
1. 密度泛函理论（DFT）确定电子密度而不是波函数，是一种广泛使用的方法。该算法在精度和计算成本之间取得了很好的平衡，并且能够处理大型系统。
2. Hartree-Fock （HF）理论近似电子-电子相互作用，求解平均电子行为的Schrödinger方程。尽管它对更高级的计算有用，但它忽略了电子相关效应。
3. 另一个值得一提的是Post-Hartree-Fock方法，它超越了Hartree-Fock近似，更准确地包括了电子相关效应。示例包括配置交互（CI）、耦合集群（CC）和多配置自一致字段（MCSCF）方法。
2. 优化
由于量子技术，路线规划和物流也在发生变化。使用量子计算机可以通过支持全局路由优化和频繁的再优化，帮助降低货运成本，显著提高客户满意度。
在量子优化领域，量子近似优化算法（QAOA）已成为最著名的算法之一。在QAOA中，经典的优化技术与量子计算相结合，得到最优解决方案。
量子退火（QA）是另一种利用量子涨落在低能级上寻找最优解的方法。二次无约束二元优化（QUBO）问题和著名的NP-hard伊辛模型是QA的特别有用的应用。
3. 机器学习
还有一件重要的事情——自从去年年底ChatGPT出现以来，它就与之相关——是量子计算对下一代人工智能发展的可能贡献，尽管QML是否会有任何优势仍然存在争议。
处理复杂性和保持可能性开放的能力是现状机器学习（ML）的明显优势，这通常受到范围有限，无法适应新情况和缺乏泛化能力的阻碍。话虽如此，量子计算机可以促进人工智能的发展，尽管有些人认为这是一种终极危险。
在上个月的一条推文中，EeroQ的首席执行官Nick Farina想知道“QC是否会对人工智能有商业用途”。他自己也找不到证据。两位专家的回答很有趣：
“潜在优势的最引人注目的演示都涉及将QML应用于量子数据。这意味着我们必须考虑保持“量子领域的数据”——具有相干输出的量子传感器与使用相干通信的QC耦合。这是可能的，令人兴奋的，但这是一个遥远的未来。”——Michael Biercuk
“QC通常非常擅长基础数学，所以如果你能成功地实现QRAM，你会期望在一些问题上有很大的优势。”——乔·菲茨西蒙斯
专家们是怎么想的？
1. John Preskill的立场
美国理论物理学家、加州理工学院理查德·p·费曼理论物理学教授、量子信息与物质研究所所长约翰·普雷斯基尔在接受加州理工学院科学交流采访时表示：
“这种炒作在某种程度上是很自然的。每个人都知道计算很重要，它影响着我们的日常生活，它有经济价值。近年来，我们看到科技行业和投资者对量子计算的兴趣急剧上升。从某些方面来说，这是一件好事。它加速了进展，并为人们在实地工作提供了机会。但我们应该现实地看待量子计算产生重大实际影响的时间尺度。我们也应该意识到，量子计算机可能无法加速我们想用计算机做的所有事情，但它将适用于一类特殊的问题——而我们对这些问题的理解仍然只是片面的。当我们拥有量子计算机并可以用它们进行实验时，我们会更好地理解它。”
2. Ilana Wisby 的立场
牛津量子电路公司的创始人兼首席执行官伊拉娜·威斯比在2021年接受采访时表示：
“量子计算的力量将使我们能够通过大规模增强材料建模和发现来改造现代实验室，在促进药物发现、开发新电池技术等方面提供巨大的影响和创新。
量子计算有可能重塑我们所知的世界：彻底改变商业，在各个领域开辟新方法，并解决一些世界上最棘手的问题。”
3. Christopher savoie的立场
与此同时，Zapata Computing的联合创始人兼首席执行官克里斯托弗·萨瓦伊在接受罗德岛大学杂志采访时表示：
“量子计算可能会带来100%高效的燃料电池，在药物发现和个性化医疗方面取得全面进展，甚至可能成为消除空气污染的催化剂。”
量子计算将走向何方？
虽然量子计算与经典计算相比的优势无疑是显著的，但科学家们警告说，在将其实际应用于日常科学难题之前，还有相当长的一段路要走。我们仍处于量子计算硬件开发的早期阶段。在不久的将来，量子计算硬件（以及软件）可能会与今天大不相同。首先，需要高水平的并行化（因为并行操作对于纠正错误至关重要）和可伸缩性。除了量子门本身引入的错误外，我们还需要考虑存储错误，存储错误会影响未被量子门作用的量子比特。
困难吗？这些问题是无法克服的吗？不，但这肯定很难，但这是改善我们目前状况的唯一途径。