量子計算的到來，會引發怎樣的革命？

量子物理學已經改變了我們的生活。由於雷射和電晶體——二者都是量子理論的產物——的發明，我們今天使用的幾乎每一個電子設備都是量子物理學的現實例子。就在我們試圖利用更多量子世界的力量之際，我們現在可能已處於第二次量子革命的邊緣。量子計算和量子通信能夠影響許多行業，包括醫療衛生、能源、金融、安全以及娛樂。最近的研究預測，到2030年，量子產業的規模將達數十億美元。然而，我們需要克服重大的現實挑戰才能實現這種大規模的影響。

量子與傳統

雖然量子理論已有一個多世紀的歷史，但當前的量子革命卻是基於最近的領悟，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。在單個量子粒子的層面，比如電子或光子（光的粒子），不可能精確知道粒子在任何特定時刻的每一種屬性。比如，你車裡的全球定位系統(GPS)可以同時告之你的位置、速度和方向，而且精確度足以讓你到達目的地。可是量子GPS不能同時精確地顯示一個電子的所有屬性，不是因為設計上的缺陷，而是因為量子物理學定律不允許。在量子世界，我們必須使用概率語言，而不是確定性語言。在以0和1這種二進位位(bits)為基礎的計算環境中，這意味著量子位(qubits)有可能同時是1，也有可能同時是0。

這種不精確起初令人不安。在我們日常的傳統計算機中，0和1與開關及電子電路的閉與合相關聯。從計算的角度來講，不知道它們是閉還是合就沒有太大的意義。事實上，這會導致計算錯誤。然而，量子信息處理背後的革命性想法是，量子的不確定性——0和1之間的模糊疊加——實際上並不是漏洞，而是一種特性。它為更強大的通信和數據處理方式提供了新的手段。

現行的量子通信與量子計算

量子理論的概率性質造成的一個結果是，量子信息不能被精確複製。從安全角度來看，這是在改變遊戲規則。企圖複製用於加密和傳輸信息的量子秘鑰的黑客會遭到挫敗，哪怕他們可以訪問量子計算機，或者擁有其他強大的資源。這種基本上無法破解的加密是基於物理學定律，而非今天使用的複雜的數學算法。數學加密技術很容易被足夠強大的計算機破解，而破解量子加密則需要違反物理定律。

正如量子加密根本不同於當前基於數學複雜性的加密方法一樣，量子計算機也從根本上不同於當前的傳統計算機。兩者的差異猶如汽車與馬車。與馬車相比，汽車是基於對不同物理學定律的利用。它讓你更快到達目的地，讓你去往過去無法到達的新目的地。與傳統計算機相比，量子計算機可以說也同樣如此。量子計算機利用量子物理學的概率定律來處理數據，並以一種新的方式來進行計算。它可以更快地完成某些計算任務，並且能夠執行過去不可能完成的新任務，比如，量子隱形傳態，即：在量子粒子中進行了編碼的信息會在某個地方消失，然後又會在另一個遙遠的地方精確地（但不是瞬時）重新創建。雖然這聽起來像科幻故事，但這種新的數據傳輸形式很可能成為未來量子網際網路的重要組成部分。

量子計算機一個特別重要的應用可能是在藥物開發和材料設計中模擬和分析分子。量子計算機格外適合這種任務，因為它運行所依據的量子物理學定律與它模擬的分子相同。使用量子設備來模擬量子化學可能比使用當今最快的傳統超級計算機更有效率。

量子計算機還完美地適合解決複雜的優化任務，適合對未整理的數據執行快速搜索。這對許多應用程式來說可能具有重大意義，從氣候、健康或財務數據的整理，到供應鏈物流、勞動力管理或交通流的優化。

為量子未來做好準備

量子競賽已經展開。世界各地的政府和私人投資者投入了數十億美元的資金進行量子研究與開發。星載的量子秘鑰分配加密技術已經得到了論證，為建立一個潛在的基於量子安全的全球通信網絡奠定了基礎。IBM、谷歌、微軟、亞馬遜及其他企業正大力投資開發大型的量子計算硬體和軟體。尚沒有人實現目標。雖然小型量子計算機如今已投入運行，但是擴展這項技術的一個主要障礙是處理誤差的問題。與二進位位相比，量子位脆弱得難以置信。來自外部世界哪怕是最輕微的幹擾就足以破壞量子信息。這就是為何目前的多數機器需要在隔離的環境中小心保護，其運行溫度須遠遠低於外太空的溫度。雖然一個進行量子誤差糾正的理論框架已經開發出來，但是以節能和節約資源的方式付諸實施又帶來了重大的工程挑戰。

考慮到這個領域的現狀，目前尚不清楚量子計算的全部能力何時或是否可以實現。即便如此，企業領導也應該考慮制定策略來應對三個主要領域的問題：

制定量子安全規劃。目前的數據加密協議不僅對未來的量子計算機而言很脆弱，對更強大的傳統計算機而言也很脆弱。新的加密標準（無論是傳統的還是量子的）不可避免。轉變到量子安全架構及數據安全配套基礎設施需要規劃、資源和量子專業知識。即使量子計算機可能距離我們還有10年的時間，等到那時再來適應就為時已晚。開啟這一過程的時間就是現在。

確定用例。沒有人曾預見到傳統計算機會以無數方式影響我們生活的每一方面。預測量子應用同樣具有挑戰性。這就是為何為了充分挖掘量子計算的潛力，衛生、金融或能源等不同行業的企業領導及專家必須與量子研究人員和硬體/軟體工程師建立聯繫的原因。這將促進特定行業量子解決方案的開發，這些解決方案是根據現有的量子技術或未來可大規模推廣的量子計算而量身定製的。跨學科的專業知識和培訓對於量子應用商店的建立和發展至關重要。

充分考慮負責任的設計。誰將開發並可以使用量子技術，用戶將如何與之接觸？人工智慧(AI)和區塊鏈的影響已經表明，有必要考慮新技術的社會、倫理和環境影響。現在是量子產業的初期階段，這為我們提供了一個難得的機會，從一開始就植入包容的做法，為量子計算制定一個負責任且可持續的路線圖。

量子技術領域在過去5年中的快速發展令人振奮。可是，未來仍不可預知。幸運的是，量子理論告訴我們，不可預測性不一定是壞事。事實上，兩個量子位可以以某種方式鎖定在一起，這樣，單個而言，它們仍舊不確定，但結合在一起，它們完全同步——兩個量子位要麼都是0，要麼都是1。這種聯合起來具有的確定性與獨自具有的不可預測性相結合——人稱量子糾纏的現象——是推動許多量子計算算法的強大刺激因素。或許這也為如何建立量子產業提供了借鑑。通過負責任的規劃，同時也接受未來的不確定性，企業可以提高它們為量子未來做好準備的機率。

舒希尼·高斯（Shohini Ghose） | 文

舒希尼·高斯是一位量子物理學家，勞裡埃大學的物理學及計算機科學教授。她是加拿大物理學家協會的主席，TED高級研究員，勞裡埃女性科學家中心(Laurier Centre for Womenin Science)的創始主任。

時青靖 | 編輯

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