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量子计算的到来，会引发怎样的革命？

晰数塔互联网快讯
2020-11-17 10:42

编者按：本文来自微信公众号“哈佛商业评论”（ID:hbrchinese），作者舒希尼·高斯（Shohini Ghose），编辑时青靖，36氪经授权发布。

量子物理学已经改变了我们的生活。由于激光和晶体管——二者都是量子理论的产物——的发明，我们今天使用的几乎每一个电子设备都是量子物理学的现实例子。就在我们试图利用更多量子世界的力量之际，我们现在可能已处于第二次量子革命的边缘。量子计算和量子通信能够影响许多行业，包括医疗卫生、能源、金融、安全以及娱乐。最近的研究预测，到2030年，量子产业的规模将达数十亿美元。然而，我们需要克服重大的现实挑战才能实现这种大规模的影响。

量子与传统

虽然量子理论已有一个多世纪的历史，但当前的量子革命却是基于最近的领悟，即：不确定性——量子粒子的基本属性——可以成为一种强大的资源。在单个量子粒子的层面，比如电子或光子（光的粒子），不可能精确知道粒子在任何特定时刻的每一种属性。比如，你车里的全球定位系统(GPS)可以同时告之你的位置、速度和方向，而且精确度足以让你到达目的地。可是量子GPS不能同时精确地显示一个电子的所有属性，不是因为设计上的缺陷，而是因为量子物理学定律不允许。在量子世界，我们必须使用概率语言，而不是确定性语言。在以0和1这种二进制位(bits)为基础的计算环境中，这意味着量子位(qubits)有可能同时是1，也有可能同时是0。

这种不精确起初令人不安。在我们日常的传统计算机中，0和1与开关及电子电路的闭与合相关联。从计算的角度来讲，不知道它们是闭还是合就没有太大的意义。事实上，这会导致计算错误。然而，量子信息处理背后的革命性想法是，量子的不确定性——0和1之间的模糊叠加——实际上并不是漏洞，而是一种特性。它为更强大的通信和数据处理方式提供了新的手段。

现行的量子通信与量子计算

量子理论的概率性质造成的一个结果是，量子信息不能被精确复制。从安全角度来看，这是在改变游戏规则。企图复制用于加密和传输信息的量子秘钥的黑客会遭到挫败，哪怕他们可以访问量子计算机，或者拥有其他强大的资源。这种基本上无法破解的加密是基于物理学定律，而非今天使用的复杂的数学算法。数学加密技术很容易被足够强大的计算机破解，而破解量子加密则需要违反物理定律。

正如量子加密根本不同于当前基于数学复杂性的加密方法一样，量子计算机也从根本上不同于当前的传统计算机。两者的差异犹如汽车与马车。与马车相比，汽车是基于对不同物理学定律的利用。它让你更快到达目的地，让你去往过去无法到达的新目的地。与传统计算机相比，量子计算机可以说也同样如此。量子计算机利用量子物理学的概率定律来处理数据，并以一种新的方式来进行计算。它可以更快地完成某些计算任务，并且能够执行过去不可能完成的新任务，比如，量子隐形传态，即：在量子粒子中进行了编码的信息会在某个地方消失，然后又会在另一个遥远的地方精确地（但不是瞬时）重新创建。虽然这听起来像科幻故事，但这种新的数据传输形式很可能成为未来量子互联网的重要组成部分。

量子计算机一个特别重要的应用可能是在药物开发和材料设计中模拟和分析分子。量子计算机格外适合这种任务，因为它运行所依据的量子物理学定律与它模拟的分子相同。使用量子设备来模拟量子化学可能比使用当今最快的传统超级计算机更有效率。

量子计算机还完美地适合解决复杂的优化任务，适合对未整理的数据执行快速搜索。这对许多应用程序来说可能具有重大意义，从气候、健康或财务数据的整理，到供应链物流、劳动力管理或交通流的优化。

为量子未来做好准备

量子竞赛已经展开。世界各地的政府和私人投资者投入了数十亿美元的资金进行量子研究与开发。星载的量子秘钥分配加密技术已经得到了论证，为建立一个潜在的基于量子安全的全球通信网络奠定了基础。IBM、谷歌、微软、亚马逊及其他企业正大力投资开发大型的量子计算硬件和软件。尚没有人实现目标。虽然小型量子计算机如今已投入运行，但是扩展这项技术的一个主要障碍是处理误差的问题。与二进制位相比，量子位脆弱得难以置信。来自外部世界哪怕是最轻微的干扰就足以破坏量子信息。这就是为何目前的多数机器需要在隔离的环境中小心保护，其运行温度须远远低于外太空的温度。虽然一个进行量子误差纠正的理论框架已经开发出来，但是以节能和节约资源的方式付诸实施又带来了重大的工程挑战。

考虑到这个领域的现状，目前尚不清楚量子计算的全部能力何时或是否可以实现。即便如此，企业领导也应该考虑制定策略来应对三个主要领域的问题：

制定量子安全规划。目前的数据加密协议不仅对未来的量子计算机而言很脆弱，对更强大的传统计算机而言也很脆弱。新的加密标准（无论是传统的还是量子的）不可避免。转变到量子安全架构及数据安全配套基础设施需要规划、资源和量子专业知识。即使量子计算机可能距离我们还有10年的时间，等到那时再来适应就为时已晚。开启这一过程的时间就是现在。

确定用例。没有人曾预见到传统计算机会以无数方式影响我们生活的每一方面。预测量子应用同样具有挑战性。这就是为何为了充分挖掘量子计算的潜力，卫生、金融或能源等不同行业的企业领导及专家必须与量子研究人员和硬件/软件工程师建立联系的原因。这将促进特定行业量子解决方案的开发，这些解决方案是根据现有的量子技术或未来可大规模推广的量子计算而量身定制的。跨学科的专业知识和培训对于量子应用商店的建立和发展至关重要。

充分考虑负责任的设计。谁将开发并可以使用量子技术，用户将如何与之接触？人工智能(AI)和区块链的影响已经表明，有必要考虑新技术的社会、伦理和环境影响。现在是量子产业的初期阶段，这为我们提供了一个难得的机会，从一开始就植入包容的做法，为量子计算制定一个负责任且可持续的路线图。

量子技术领域在过去5年中的快速发展令人振奋。可是，未来仍不可预知。幸运的是，量子理论告诉我们，不可预测性不一定是坏事。事实上，两个量子位可以以某种方式锁定在一起，这样，单个而言，它们仍旧不确定，但结合在一起，它们完全同步——两个量子位要么都是0，要么都是1。这种联合起来具有的确定性与独自具有的不可预测性相结合——人称量子纠缠的现象——是推动许多量子计算算法的强大刺激因素。或许这也为如何建立量子产业提供了借鉴。通过负责任的规划，同时也接受未来的不确定性，企业可以提高它们为量子未来做好准备的几率。

舒希尼·高斯（Shohini Ghose） | 文

舒希尼·高斯是一位量子物理学家，劳里埃大学的物理学及计算机科学教授。她是加拿大物理学家协会的主席，TED高级研究员，劳里埃女性科学家中心(Laurier Centre for Womenin Science)的创始主任。