聚焦量子計(jì)算，解讀科技熱點(diǎn)

作者：是德科技Jenn Mullen

隨著量子計(jì)算的加速發(fā)展，商界、政府和產(chǎn)業(yè)界對量子計(jì)算的關(guān)注和投資呈現(xiàn)出增長勢頭。新興的量子計(jì)算用例也在商業(yè)領(lǐng)袖、技術(shù)愛好者乃至公眾之間引起了廣泛討論。

本文通過解答一些比較常見的量子計(jì)算問題，拋開圍繞這一革命性計(jì)算學(xué)科的概念炒作，從事實(shí)出發(fā)、用通俗易懂的語言解讀量子計(jì)算。

(相關(guān)資料圖)

何為量子計(jì)算？

當(dāng)用戶在手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦上運(yùn)行多個(gè)程序時(shí)，設(shè)備會發(fā)熱，處理器的運(yùn)行速度會變慢，電量也會迅速耗盡。數(shù)據(jù)量與運(yùn)行計(jì)算程序所需的能源消耗之間存在著直接關(guān)聯(lián)。

量子計(jì)算機(jī)可以開辟出行之有效的新途徑，解決極其復(fù)雜的計(jì)算難題。與常規(guī)計(jì)算機(jī)使用的非0即1的二進(jìn)制碼不同，量子比特可同時(shí)以0和1的疊加狀態(tài)存在，這意味著量子比特能夠存儲大量的數(shù)據(jù)，而不會產(chǎn)生相應(yīng)的能量損耗。每增加一個(gè)量子比特，量子計(jì)算的數(shù)據(jù)處理能力都會呈指數(shù)級增長，且不會增加能耗。

當(dāng)科研人員找到增加量子比特?cái)?shù)量和構(gòu)建穩(wěn)健的量子計(jì)算機(jī)的方法時(shí)，量子計(jì)算的潛力也會持續(xù)躍升。目前，科研人員正在研究如何增加量子計(jì)算機(jī)可以使用的量子比特?cái)?shù)量，這對創(chuàng)建可商用的量子計(jì)算機(jī)至關(guān)重要。

量子計(jì)算機(jī)可否取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)

與普遍流行的觀點(diǎn)相反，量子計(jì)算機(jī)不會取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算的真正價(jià)值在于，量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行計(jì)算的速度要比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快得多。

另一方面，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)仍然非常適合日常的計(jì)算機(jī)使用需求。量子計(jì)算機(jī)有可能同時(shí)執(zhí)行多種復(fù)雜的計(jì)算，通過解決復(fù)雜的優(yōu)化問題、分析龐大的數(shù)據(jù)集和仿真，增強(qiáng)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的功能。

量子計(jì)算機(jī)擅長解決哪些問題？

計(jì)算機(jī)能夠推動創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)突破，而以前人們認(rèn)為只有人類才有這種能力。與其他任何工具一樣，量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)能夠幫助人們更有效地解決問題。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)擁有足夠的處理能力，甚至能夠在幫助人們處理日常工作的同時(shí)，運(yùn)行極其先進(jìn)的算法。但是，由于它們的內(nèi)存空間有限，再加上時(shí)間相對有限，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決一些特定類型的計(jì)算問題。

量子計(jì)算系統(tǒng)將能夠在短時(shí)間內(nèi)處理大量的數(shù)據(jù)，用時(shí)要比傳統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)短得多。得益于此，量子系統(tǒng)已蓄勢待發(fā)，將賦能工業(yè)、政府和學(xué)術(shù)應(yīng)用，加速創(chuàng)新。其用例包括：

產(chǎn)品和技術(shù)開發(fā)

量子計(jì)算具有獨(dú)特而強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠幫助開發(fā)者解決產(chǎn)品和技術(shù)開發(fā)挑戰(zhàn)，而這些難題是依靠經(jīng)典計(jì)算無法解決的。量子計(jì)算機(jī)將提高模擬和仿真能力，讓產(chǎn)品開發(fā)者能夠在更短的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建精確、高保真的數(shù)字孿生，并面向更廣泛的現(xiàn)實(shí)世界場景對其進(jìn)行測試。這將推動更高品質(zhì)的產(chǎn)品在更短的時(shí)間內(nèi)快速進(jìn)入市場，并大幅降低成本。

醫(yī)療科學(xué)

從開發(fā)藥品到改進(jìn)醫(yī)療診斷成像技術(shù)，量子計(jì)算機(jī)將以令人難以置信的速度分析分子和細(xì)胞的相互作用，讓科研人員能夠仿真人體系統(tǒng)，研究各種生物化學(xué)變化。這意味著科研人員有可能進(jìn)行更加完整的臨床試驗(yàn)，且用時(shí)比目前的臨床試驗(yàn)少得多。

數(shù)據(jù)安全

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)利用相關(guān)算法生成大素?cái)?shù)，為數(shù)字安全程序奠定基礎(chǔ)。但是，量子計(jì)算機(jī)可以破解該算法。這對采用標(biāo)準(zhǔn)加密工具的企業(yè)和機(jī)構(gòu)而言是一個(gè)重大威脅。同時(shí)，量子計(jì)算機(jī)可以生成大量可靠的、無法破譯的“真”隨機(jī)數(shù)，也為網(wǎng)絡(luò)安全向新的范式轉(zhuǎn)變提供了可能，以大幅提高網(wǎng)絡(luò)安全。

科學(xué)研究

超強(qiáng)的機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能和仿真能力將幫助科學(xué)家加快在粒子物理學(xué)和天文學(xué)等領(lǐng)域的探索發(fā)現(xiàn)?？蒲腥藛T借助量子計(jì)算的仿真功能，可以增強(qiáng)氣候建模能力，仿真深海、太空等人類目前很難涉足的環(huán)境，也可以對各種場景中的人體進(jìn)行建模。

供應(yīng)鏈運(yùn)營

供應(yīng)鏈物流對消費(fèi)者、企業(yè)、產(chǎn)業(yè)和政府等社會的方方面面都有影響。利用量子計(jì)算機(jī)提供的仿真能力可以管理全球供應(yīng)鏈物流中復(fù)雜的變化因素，并協(xié)調(diào)處理多個(gè)來源的數(shù)據(jù)。量子計(jì)算機(jī)將優(yōu)化資源管理，改善物流規(guī)劃，從而增強(qiáng)供應(yīng)鏈運(yùn)營的可持續(xù)性和價(jià)值。

城市規(guī)劃

量子計(jì)算機(jī)驅(qū)動的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)能夠監(jiān)測、預(yù)測和緩解整個(gè)大都市區(qū)的交通擁堵。這樣不僅可以解決擁堵病，還能減少碳排放，降低維護(hù)成本，為人們帶來裨益。此外，它能夠幫助城市規(guī)劃工作者做出更明智的決策，推動城市發(fā)展，改善城市環(huán)境，提升居民的生活質(zhì)量。

量子計(jì)算機(jī)離我們有多遠(yuǎn)？

私營、公共和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行大量投資，以推動量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)、穩(wěn)定運(yùn)行和商業(yè)化進(jìn)程。包括IBM、谷歌在內(nèi)的科技公司以及包括梅賽德斯-奔馳在內(nèi)的汽車巨頭紛紛加入了美國國家科學(xué)基金會（NSF）、歐洲核子研究中心（CERN）和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的行列，投身于量子計(jì)算的開發(fā)和部署，以期將該技術(shù)集成到它們的產(chǎn)品和服務(wù)中。

谷歌、IBM和英特爾等主要參與者開發(fā)了第一批量子計(jì)算機(jī)，可以運(yùn)行幾十甚至幾百個(gè)量子比特。雖然這些系統(tǒng)功能強(qiáng)大，但是要超越傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)的能力，實(shí)現(xiàn)真正的量子計(jì)算性能，科研人員必須克服基礎(chǔ)設(shè)施和規(guī)模化方面的挑戰(zhàn)，才能讓真正可商用的量子計(jì)算機(jī)廣泛普及。

為了推動量子系統(tǒng)開發(fā)而開展的相關(guān)研究，使得在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上仿真量子效應(yīng)的量子啟發(fā)式算法逐漸興起。將這些算法用于解決現(xiàn)實(shí)問題，可為企業(yè)提供新的洞察力、降本增效的機(jī)會，并提高運(yùn)營效率。

這些混合系統(tǒng)可提供一定的商業(yè)優(yōu)勢，讓企業(yè)通過一種低風(fēng)險(xiǎn)的途徑，為迎接量子計(jì)算做好準(zhǔn)備。在量子啟發(fā)式系統(tǒng)上運(yùn)行的相同算法和應(yīng)用程序能夠在更短的時(shí)間內(nèi)解決復(fù)雜的優(yōu)化問題。此外，這些量子啟發(fā)式系統(tǒng)為企業(yè)提供了一種低風(fēng)險(xiǎn)的方式來做量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在量子計(jì)算機(jī)商用之后還可以培訓(xùn)員工進(jìn)行使用。

是德科技的量子計(jì)算解決方案已經(jīng)助力科研人員取得了突破性進(jìn)展，在探索量子超能力之路上更進(jìn)了一步。是德科技的量子控制系統(tǒng)是一種量子比特控制解決方案，這款完全數(shù)字化的量子控制系統(tǒng)集成了專用的量子控制硬件和全棧的軟件功能，讓用戶能夠迅速開始針對量子比特的探索實(shí)驗(yàn)。

關(guān)于是德科技

是德科技提供先進(jìn)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證解決方案，旨在加速創(chuàng)新，創(chuàng)造一個(gè)安全互聯(lián)的世界。我們在關(guān)注速度和精度的同時(shí)，還致力于通過軟件實(shí)現(xiàn)更深入的洞察和分析。在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)周期中，即從設(shè)計(jì)仿真、原型驗(yàn)證、自動化軟件測試、制造分析，再到網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化與可視化的整個(gè)過程中，是德科技能夠更快地將具有前瞻性的技術(shù)和產(chǎn)品推向市場，充分滿足企業(yè)、服務(wù)提供商和云環(huán)境的需求。我們的客戶遍及全球通信和工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、航空航天與國防、汽車、能源、半導(dǎo)體和通用電子等市場。2022 財(cái)年，是德科技收入達(dá) 54 億美元。關(guān)于是德科技公司（NYSE：KEYS）的更多信息，請?jiān)L問 www.keysight.com。

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