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深入浅出探索量子技术

2022-10-26 17:18:57 Elizabeth Ruetsch 阅读:
过去几年来,新的元器件与技术已开始与各种新旧学科相结合。模拟电路进一步结合量子物理学和激光等新技术,让研究人员开发出令人惊艳的尖端现场测量仪器。

“量子”(quantum)一词泛指这个新兴领域中多项强化“量子力学”(quantum mechanics)的技术,可用于开发计算、通信、传感、制药、化学和材料研究等领域。物理学家也针对量子力学提出了另一套表述,来解释奇特的新现象,例如量子干涉(interference)和纠缠(entanglement)等能让相距甚远的粒子产生交互作用的特性。gWXednc

如果能强化物质的量子力学特性,量子技术可能会突破经典物理学的界限,提供全新的信息处理方式,不仅速度更快、更加节省资源,更能够使我们计算出过去研究无法获得的结果,例如蛋白质的形成,或是预测金融系统的复杂行为。gWXednc

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量子技术赋予的愿景

量子技术可望在很多领域展现其颠覆性的潜力,其可能性包括:gWXednc

  • 化:量子计算机(quantum computer)或许能够更快解决艰难的最优化问题,让我们能克服现今完全束手无策的障碍。
  • 制药/化学研究与建模:量子仿真(quantum simulation)协助我们了解分子和蛋白质的形成方式,并且推动化学与生物学、药物研发和医疗保健等领域的重大突破。
  • 网络安全:强大的量子计算机可能破坏目前依赖大数分解的加密协议,例如RSA加密协议。目前,没有任何传统的计算机或算法,可以在合理的时间内完成这项任务。因此,通过量子计算,我们将有机会开发出全新的加密方式,来确保信息安全。

量子计算具有超强的信息处理能力,可带动基础研究、最优化、信息技术,以及制药等领域的蓬勃发展,而且效果远远超出我们的想像。gWXednc

量子计算将颠覆主流市场

量子系统对于环境变化极其敏感,且运作时间越久,稳定性就越低,这使得量子系统虽拥有超强的计算能力,但也让我们难以精准地控制。正因如此,相较于有数亿个比特的传统计算机,目前量子计算机的容量还非常小,只有几十个量子比特(qubit),而且这些小型系统所执行的计算通常不够准确。gWXednc

为了让量子计算迈向主流市场,我们需学会将量子系统与其所处的环境全面隔离开来,试着更精准地控制这些系统。下一步,我们必须减少在量子计算过程中产生的误差,并将系统扩展到数亿个量子比特。gWXednc

以量子通信的角度来看,目前多数的量子通信与典型的光纤通信应用类似,只是量子通信对性能的要求更严格,也更容易受环境影响。所以,想将量子网络融入日常生活,主要的挑战就是如何制造安全的量子中继器(quantum repeater)。其实,一般人不太可能在家里使用量子计算机来取代现有的传统计算机,不过,这些技术创新还是会逐步影响我们的日常生活。gWXednc

量子计算发展的信息安全风险

量子技术的高速计算同时也带来了信息安全风险。拥有强大功能的计算机带来许多我们无法想像的应用,却也因而带来意料之外的风险。虽然量子计算机能有效处理涉及个人隐私的大数据(big data),但与此同时,理论上也能破解美国国家安全局(NSA)的加密算法,带来巨大的信息安全挑战。对此,研究人员需尽早建立完善的安全协议,确保传统计算机和量子计算机的安全。gWXednc

例如,美国大约有1%的能源消耗用于化肥生产。这个过程效率低下的部分原因是以量子力学仿真化学反应的复杂性。量子计算机可用于仿真生物/化学过程,例如固氮酶中的固氮作用,从而提高生产效率并带来更环保的方法。gWXednc

同时,我们还要试着降低量子计算的误差,而量子计算硬件与软件的创新,便是克服误差问题的关键。透过深入研究才能了解量子系统出现误差的原因,并构建能有效减少计算误差的硬件。同时,芯片制造能力已达物理极限,我们更需要推动软件的改进,从而加快部署更先进的算法。gWXednc

量子算的重大发展趋势

除了最先进的量子计算技术外,有多个关于新型量子计算硬件的研究项目已悄然展开,例如光子量子计算机,或基于中性原子的量子计算机,未来的发展备受期待。此外,研究人员正努力开发算法,进而提升中型量子计算机的性能,希望能借此更快突破量子计算的极限。gWXednc

在通信领域中,量子计算的主要优势在于安全通信和分布式纠缠(distribute entanglement)能力。纠缠效应是一种可以强化计算和传感能力的量子力学效应,而量子网络可以分散纠缠效应,从而促进建立由量子传感器或量子计算机组成的网络。如同分布式计算使用的CPU集群,我们同样可以建立一个用于量子计算的分布式量子处理单元(QPU)集群。gWXednc

顺利的话,预计在未来10年内就能看到量子计算的重大突破;但如果我们不断遇到新的挑战,或是找不到克服量子计算误差的方法,我们也只好将注意力转移到可实现的目标上,例如制造能够解决更多问题的量子模拟器,而非通用量子计算机。gWXednc

量子计算的商业潜力与其他颠覆性技术相辅相成,并可推动工业和研究的各个领域成长,带来巨大进步。一旦这项技术变得可行并普及后,任何拥有该技术的产业,都将获得丰厚的效益。gWXednc

目前全球已有多家量子计算初创公司,而IBM和谷歌等产业巨头也都在全球各地建立了重要的量子计算研究基地。虽然目前主要的行业参与者都是北美企业,但欧洲、亚洲和大洋洲的参与程度也越来越高,是德科技很高兴能在这一波浪潮中成为其中的一员。gWXednc

(本文编译自EDN姊妹网站New Electronics,参考原文:An Introduction to Quantum)gWXednc

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