量子计算的现状和未来

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量子计算有望对从网络安全到金融、从供应链到制药、从国防到天气预报等众多领域产生巨大影响。

为优化性能,量子比特(qubits)面临的挑战是其稳定性必须越来越高。随着IBM、亚马逊和微软等几家公司投入的资金越来越多,未来几年将出现量子比特数量超过1000的平台。相关公司将在以下几个方面展开竞争:量子比特的数量、可用端口的类型、量子比特之间的连接性、差错率和工作温度。

“自然界是由微小的粒子组成的,包括原子、电子,甚至更小的亚原子粒子,”Classiq公司的首席执行官兼联合创始人Nir Minerbi表示,“这些粒子之间的相互作用不同于我们在日常生活中看到的物体。量子技术依赖于这些微小粒子的独特、有时甚至是奇异的物理特性。”

根据Minerbi的说法,对量子计算有直接影响的量子理论关键原理是叠加(粒子同时处于多个状态的能力)、纠缠(即使相距很远的粒子之间的互相关能力)和干扰(粒子相互放大或抵消的能力)。

Yole集团旗下的Yole Intelligence公司市场研究总监Eric Mounier表示,这一领域的研发一直非常活跃,并将继续活跃下去,因为量子技术对未来具有明确的战略意义。

“例如,加拿大的Xanadu公司在6月份发表了量子优势,并展示了216个压缩态的量子比特;它通过Xanadu云和Amazon Braket向公众提供其功能,”“2020年,中国也通过光子计算机展示了量子优势,谷歌则于2019年宣布率先实现量子优势。除了美国,印度[计划10亿美元]、日本和中国在量子开发方面都非常活跃。欧洲在研发方面实力雄厚,代尔夫特大学和CEA-Leti正在开发兼容CMOS的量子技术,” Mounier透露道。

“量子计算机已经可以商用,”Minerbi指出,“这些计算机由量子比特和量子门组成。有多种技术可用于创建量子比特,因此也有各种类型的量子比特:超导量子比特、离子阱量子比特、光量子比特等等。科学家们在提高量子比特和量子门的质量、利用独特量子特性的软件算法以及创建更大规模量子计算机的方法等方面进行了大量研究。”

Mounier认为,量子最大的挑战是减少由退相干现象引起的差错:退相干是由外部世界中的量子系统耦合引起的差错。

“随着量子比特数量的增加,退相干(量子计算机中差错的主要来源)也会增加,”Mounier指出,“拥有足够的物理量子比特:50是使量子计算开始超过现代传统计算机实际限制所需的逻辑量子比特的最小数量。但许多专家认为,从商业角度来看,量子计算机至少需要100万个量子比特才能真正发挥作用。”

“量子计算机容易受到外部环境和制造过程中缺陷的影响,”Minerbi表示,“因此,在系统崩溃之前所能保持的可用时间是有限的。许多公司正在努力改进这一特性以及开发纠错机制,以便在发生差错时能够及时得到检测和纠正。”

Mounier还强调了商用量子计算机的其他三个挑战:

通过表面误码纠正来检测和纠正各个量子比特的脆弱量子态

开发“不可知的”软件

开发新的电子硬件来控制单个量子比特并读取结果(还有低温硬件)

Mounier指出,量子计算机在软件/硬件系统堆栈方面需要与传统计算机完全不同的软件,并且有两种明显不同的路线:

一些大公司在开发量子计算机的同时也在开发自己的语言

一些新公司则提出了与量子技术本身无关的软件,这些软件可以被不同的量子平台/参与者(例如谷歌或IBM)使用

“无论如何,缺乏标准化的量子软件可能会延迟量子计算的普及,就像过去FPGA的情况一样,”Mounier补充道。

 

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令人兴奋的量子发展

Mounier表示,光子技术的使用振奋人心,这是当今的一个活跃研发领域。事实上,使用CMOS技术的硅光子可以缩小光学电路的尺寸,此外,由于光子在室温下就能起作用,因此在处理方面具有很大的优势。人们可以在量子芯片的设计和生产中使用硅技术。

“可以用光子和硅光子操纵离子来实现量子计算,”Mounier透露,“有几个正在进行中的研究项目使用由激光操纵的离子量子比特来实现量子计算。比如IonQ和杜克量子中心已经使用32个离子实现了量子计算。为了减小量子计算机的尺寸,可以使用集成在芯片上的激光和光子元件。麻省理工学院林肯实验室正在开展此类研究,该实验室已经展示了硅光子在单个离子操纵中的使用。IonQ计划在2023年前将硅光子用于离子量子比特的量子计算。目前有许多公司在使用光量子比特,包括QuiX(荷兰)、Xanadu和PsiQuantum(美国)。PsiQuantum和GlobalFoundries宣布建立了合作伙伴关系,将建造世界上第一台全尺寸的商用量子计算机。这两家公司现正在制造构成Q1系统基础的硅光子和电子芯片,这是PsiQuantum提供具有100万个量子比特的商业上可行的量子计算机路线图中的第一个系统里程碑。”

电动汽车和能源领域

量子计算在电动汽车和能源领域中有很多应用。其中“固态电池的开发就是其中一个有趣的应用,”Mounier表示,“目前为止固态电池的开发仍然存在很多不同的方法。”

“有两个主要方向:优化和材料科学,”Minerbi指出,“量子驱动的优化将有助于设计出更好的能源分配网络,通过优化运输节省能源,同时优化供应链。量子驱动的材料科学将制造出更好(重量更轻但容量更大)的电动汽车电池,并有助于减少诸如Haber-Bosch等化学过程中的能源消耗。”

与此同时,宝马集团和Pasqal扩大了合作,将量子计算应用于改进汽车的设计和制造。下一阶段的合作旨在使宝马集团的汽车更安全、更轻、更省油。

高精度的计算模拟可以帮助宝马集团取代昂贵的物理构建-测试-改进周期,因为目前的传统计算方法无法处理以所需精度来模拟整车的复杂性。这种模拟最终将帮助宝马集团制造出更轻的零件,从而使汽车更省油。

 

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图2:量子计算的物理量子比特发展路线图-历史与未来。

量子计算的未来前景

首先是量子计算机上的仿真,然后是场景优化和机器学习方面的应用。然而场景预测难度更大,预计20至30年后都不会得到普及。

 “就量子技术的具体应用而言,如今医疗和制药领域已吸引了大部分人的关注,” Mounier认为,“不过,真正的广泛应用还需要很多年,甚至可能是20到30年。量子计算将在5到10年内能够用于药物开发,届时将有确定好的候选药物。对于药物发现,它将在10到20多年内准备就绪。在制药业采用量子计算之后,其他应用可能会随之而来:能源、化学、交通、银行和金融可能会在随后10多年内采用量子计算。”

“量子计算将成为任何严肃计算架构的核心支柱,”Minerbi表示,“就像CPU和GPU一样,量子处理器单元[QPU]将成为任何数据中心的关键组件。这些QPU与CPU和GPU一起,将解决传统计算机永远无法解决的问题,从而带来巨大的社会效益。”

网络与量子计算的关系

能够执行Shor算法的量子处理器的出现将使非对称算法(例如RSA、ECC)或所有的加密算法(基于整数分解数学问题、离散对数和椭圆曲线上的离散对数等)都变得很不安全。

“后量子密码术(有时亦被称为量子证明、量子安全或量子抗性)的加密算法,通常是公钥算法,被认为可以抵御量子计算机的攻击,”Mounier表示,“这可以被视为网络安全措施。后量子密码术市场将会不断增长,估计拐点将在2028年至2030年之后,因为它取决于未来可用量子计算机的发布情况。”

“量子技术与网络安全有很多交叉点,”Minerbi表示,“量子现象可用于安全地分发加密密钥或提供不可破解的通信链路。强大的量子计算机将能够破解RSA加密和其他传统加密方法。量子计算还可以通过检测新漏洞来帮助保护现有的网络和软件。”

几乎所有与公私钥一起使用并每天用于网页浏览的算法都属于Shor算法,因此很不安全,需要在所谓的后量子阶段开发新算法,即识别和创建在量子处理器发明后仍能保持安全的加密算法。研究人员正在根据不同的数学问题,提出采用不同方法的后量子密码算法,但也意味着网络资源的高消耗。

结论

量子计算机的一个独特特性是,其功率随着每一个量子位的增加呈指数级增长,而传统计算机则随着每一位的增加而线性增长。因此,根据Minerbi的说法,量子计算机可以解决传统计算机无法解决、也永远解决不了的问题。因此,这不仅仅关乎速度,还关乎解决某些类型问题的能力。

“许多大型且资金充足的组织正在努力构建具有数万甚至数百万个量子比特的量子计算机,而目前最大型的计算机仅拥有大约100个量子比特,”Minerbi补充道,“这些更大型的计算机将能够解决新一类的问题,并通过纠错解决目前传统计算机面临的各种问题。”

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