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量子计算会解决现实世界的问题吗?

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量子计算世界是如此复杂和雄心勃勃,以至于有些人可能认为它属于科幻小说的领域。但是,正如物理学家 John Martinis 和 Ian Walmsley 告诉零压力播客主持人 Helen Sharman 那样,量子计算机可能对人工智能、运输物流和国防与安全等领域产生巨大影响。

量子计算自 1980 年才问世,但它是一项快速新兴的技术,有些人已经期待它产生重大成果。它专注于开发基于量子理论原理的计算机技术,量子理论解释了原子和亚原子水平上的能量和材料的行为。

经典计算机以 1 和 0 的二进制形式对信息进行编码,而量子计算使用量子位或量子位,使其有可能利用亚原子粒子以多种状态同时存在的独特能力,即 1 和 0。量子计算机解决对于当今经典计算机来说过于复杂的问题的潜力令人寄希望于这项技术将对社会产生深远的影响。

通过研究新分子在医学上取得突破;解决运输系统和制造的复杂物流问题;人工智能的进一步发展;以及航空和国防等行业在安全通信方面的进步:所有这些都被认为是我们在未来几十年内可以实现的潜在好处。

在一场引人入胜的讨论中,前宇航员海伦沙曼听取了加州大学圣巴巴拉分校物理学教授约翰马蒂尼斯和伦敦帝国理工学院教务长兼实验物理学主席伊恩沃姆斯利的发言。他们警告说,在我们看到可以产生有形应用以帮助社会的机器之前,仍然需要大量的发展。尽管如此,双方都乐观地认为这一天会到来。

“机器现在可以解决有趣而重要的问题,但还不能解决直接为公众带来利益的问题,”伊恩·沃尔姆斯利说。 “但我们正处于扩大规模的阶段。”

到目前为止的进展

与物理学家保罗贝尼奥夫在 1980 年提出的最初想法相比,量子计算已经走了很长一段路,但是,马丁尼斯和沃姆斯利说,它仍处于实验阶段。最大的进步可能是在 2019 年实现了量子霸权,谷歌 AI 量子团队证明可编程量子设备能够解决最先进的经典计算机无法解决的数学问题. John Martinis 是那个团队的关键成员。

“量子霸权实验是为了证明量子力学是有效的,你可以建立一个系统,”马蒂尼斯说。

“我们正在稳步取得进展,这是一个重要的里程碑,但我们需要更多的创新并克服一些挑战,包括(以 Martinis 使用的超导平台为例),需要在极低的温度下工作。”

其他挑战包括现有测试技术中的错误发生率,以及影响光子平台在光学计算机中使用的吸收和不可预测性问题,这是 Ian Walmsley 的专长。可能有房屋大小的机器的能源消耗是另一回事。

尽管如此,正如 Walmsley 指出的那样,已经有大量公共和私人资金投入到该技术的研究中,这会激发竞争性创造力,使我们朝着有朝一日的连续应用迈进。

“过去几年,英国承诺投资 10 亿英镑,欧盟量子旗舰计划投资 10 亿欧元,美国国家量子倡议投资 15 亿美元,”沃尔姆斯利说。

“新加坡、欧洲、加拿大、澳大利亚和日本也有大型项目,而中国的努力则集中在他们的国家机构和大学。有大量公共资金投入到这方面,也有许多大公司投资,包括谷歌、IBM、微软,以及进入初创企业的私人风险投资。当你把所有这些加起来的时候,它加起来就是真钱。”

潜在的好处?

虽然它可能不会出现,但一些专家认为,在不久的将来,量子计算有可能通过使用新的化学算法来提高植物产量、更好的肥料和更好的杀虫剂来解决与气候相关的问题。同样即将出现的是使用量子计算机来优化航空航天、国防和运输的复杂物流。

事实上,Ian Walmsley 说,用于随机数生成的更简单类型的机器已经开始销售。这些可能用于市场模拟以生成用于安全通信的代码板。

“量子计算机将遵循我们在台式计算机上看到的相同趋势,”约翰马蒂尼斯说。 “复杂的程序将位于数据中心,我们将以现在远程访问任何强大程序的方式远程访问它们。这将是普通人——而不是那些在政府机构或研究实验室工作的人——使用量子计算机的方式。”

他补充说:“谷歌希望在本十年末制造出一台百万量子比特的机器。”

“有很多人在努力研究量子计算技术。它可能对世界产生非常大的影响。”

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