你準備好進行量子計算革命了嗎？

Sandipkumar Patel /蓋蒂圖片社

量子物理學已經改變了我們的生活。由於雷射器和電晶體的發明-量子理論的產物-我們今天使用的幾乎每個電子設備都是行動中的量子物理學的例子。當我們試圖利用量子世界的更多力量時，我們現在可能正處於第二次量子革命的邊緣。量子計算和量子通信可能會影響許多領域，包括醫療保健，能源，金融，安全和娛樂。最近的研究預測，到2030年，量子產業的價值將達到數十億美元。但是，要想達到這樣的大規模影響水平，就必須克服重大的實際挑戰。

量子與經典

儘管量子理論已有一百多年的歷史了，但當前的量子革命是基於最近的認識，即不確定性（量子粒子的基本屬性）可以成為一種強大的資源。在單個量子粒子（例如電子或光子（光的粒子））的水平上，不可能在任何給定的時刻精確地知道粒子的每個屬性。例如，您汽車中的GPS可以立即告訴您您的位置，速度和方向，並且精確到足以使您到達目的地。但是，量子GPS不能同時且精確地顯示電子的所有這些特性，這不是因為設計有誤，而是因為量子物理定律禁止這樣做。在量子世界中，我們必須使用概率而不是確定性的語言。

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首先，這種不準確性令人不安。在我們的日常經典計算機中，0和1與開關和打開和關閉電子電路相關聯。從計算的角度來看，不知道它們是完全打開還是關閉將沒有多大意義。實際上，這將導致計算錯誤。但是，量子信息處理背後的革命性思想是，量子不確定性（0和1之間的「疊加」之間的模糊）實際上不是錯誤，而是特徵。它為更強大的通信和處理數據方式提供了新的手段。

量子通信與量子計算的應用

量子理論的概率性質的結果之一是量子信息無法精確複製。從安全的角度來看，這是改變遊戲規則的。黑客試圖複製用於加密和傳輸消息的量子密鑰，即使他們能夠訪問量子計算機或其他強大的資源，也將受到挫敗。這種根本無法破解的加密基於物理定律，而不是基於當今使用的複雜數學算法。雖然數學加密技術很容易被功能強大的計算機破解，但破解量子加密將需要違反物理定律。

正如量子加密與基於數學複雜性的當前加密方法從根本上不同，量子計算機與當前的經典計算機也從根本上不同。兩者就像汽車和馬車一樣不同。與馬車相比，汽車基於利用不同的物理定律。它可以使您更快地到達目的地，併到達以前無法到達的新目的地。與經典計算機相比，量子計算機可以說是相同的。量子計算機利用量子物理學的概率定律以新穎的方式處理數據並執行計算。它可以更快地完成某些計算任務，並且可以執行以前無法完成的新任務，例如量子隱形傳態，其中以量子粒子編碼的信息會在一個位置消失，而恰好（但不是瞬間）在遠處的另一個位置重新創建。雖然這聽起來像科幻小說，但這種新形式的數據傳輸可能會成為未來量子網際網路的重要組成部分。

量子計算機的一個特別重要的應用可能是模擬和分析用於藥物開發和材料設計的分子。量子計算機特別適合於此類任務，因為它可以在與所模擬的分子相同的量子物理學定律下運行。使用量子設備模擬量子化學可能比使用當今最快的經典超級計算機更有效。

昆騰計算機還非常適合解決複雜的優化任務並快速搜索未排序的數據。這可能與許多應用相關，從排序氣候數據或健康或財務數據到優化供應鏈物流，勞動力管理或交通流。

為量子未來做準備

量子競賽已經開始。全世界的政府和私人投資者都在為量子研究和開發投入數十億美元。已經證明了用於加密的基於衛星的量子密鑰分配，這為潛在的基於量子安全性的全球通信網絡奠定了基礎。IBM，Google，Microsoft，Amazon和其他公司正在大力投資開發大規模量子計算的硬體和軟體。還沒有人在那裡。如今，雖然小型量子計算機已經投入使用，但擴大技術規模的主要障礙是處理錯誤的問題。與位相比，量子位非常脆弱。即使來自外界的最輕微幹擾也足以破壞量子信息。這就是為什麼大多數當前的機器需要在隔離環境中小心屏蔽的原因，隔離環境的工作溫度要比外太空低得多。雖然已經開發了用於量子誤差校正的理論框架，但以節能和資源高效的方式實施量子框架提出了重大的工程挑戰。

鑑於當前的領域狀態，尚不清楚何時或是否可以使用量子計算的全部功能。即便如此，企業領導者仍應考慮制定戰略來解決三個主要領域：

1.規劃量子安全性：當前的數據加密協議不僅易受未來量子計算機的攻擊，而且也易受功能更強大的傳統計算機的攻擊。新的加密標準（無論是經典的還是量子的）都是不可避免的。轉換為量子安全架構並為數據安全提供支持基礎架構將需要規劃，資源和量子專業知識。即使量子計算機可能已經過了十年之遙，但要等到那時再適應也為時已晚。現在開始該過程。

2.確定用例：沒有人能預測古典計算機影響我們生活各個方面的多種方式。預測量子應用同樣具有挑戰性。因此，為了充分利用量子計算的潛力，健康，金融或能源等不同領域的企業領導者和專家必須與量子研究人員和硬體/軟體工程師保持聯繫。這將促進針對當前可用量子技術或未來可擴展量子計算量身定製的行業特定量子解決方案的開發。跨學科的專業知識和培訓對於建立和發展量子應用商店至關重要。

3.通過負責任的設計進行思考：

誰將開發並擁有量子技術，用戶將如何參與其中？人工智慧和區塊鏈的影響表明，有必要考慮新技術的社會，道德和環境影響。量子產業還處於初期。這為從一開始就嵌入包容性實踐並為量子計算建立負責任且可持續的路線圖提供了難得的機會。

過去五年來，量子技術領域的快速增長令人振奮。但是未來仍然是不可預測的。幸運的是，量子理論告訴我們，不可預測性不一定是一件壞事。實際上，可以將兩個量子位鎖定在一起，這樣就可以單獨確定它們，但它們共同可以完全同步-兩個量子位都為0或都為1。這種結合確定性和個體不可預測性的現象稱為糾纏-是驅動許多量子計算算法的強大燃料。也許它也為如何建立量子產業提供了一個教訓。通過負責任的計劃，同時也包含未來的不確定性，企業可以提高為量子未來做好準備的機率。