本文來自微信公眾號“出新研究”作者/Yousef Fazea，編譯：唐詩。
當代超級計算機的局限性，以及對全球?qū)W術(shù)界和機構(gòu)的影響，正在引起科學界的關(guān)注。例如，研究人員可以使用當前的技術(shù)來執(zhí)行更復雜的模擬，例如那些專注于化學和每種元素的反應(yīng)性質(zhì)的模擬。
然而，當這些交互的復雜性增加時，它們對于當前的超級計算機來說變得更具挑戰(zhàn)性。由于這些設(shè)備的處理能力有限，完成這些類型的計算幾乎是不可能的，這迫使科學家在進行這些研究時在速度和精度之間做出選擇。
為了提供這些實驗的廣度的一些背景，讓我們從氫原子建模的例子開始。氫中只有一個質(zhì)子和一個電子，研究人員可以輕松地手動進行化學反應(yīng)，或者依靠計算機來完成計算。然而，根據(jù)原子的數(shù)量和電子是否糾纏，這個過程變得更加困難。要寫出像銩這樣的元素的每一個可以想象的結(jié)果，它包含驚人的69個電子，這些電子都扭曲在一起，將需要超過20萬億年的時間。
顯然，這個時間對于我們而言太久了，必須需求新的出路。
量子計算機打開了一個充滿可能性的全新世界的大門。自1930年代以來，科學界就已經(jīng)知道模擬化學所需的方程，但直到最近才開始構(gòu)建具有執(zhí)行這些計算的能力和可靠性的計算機。
今天的量子計算機提供了研究人員模仿化學各個方面所需的速度，使它們具有顯著的預測性并減少了對實驗室測試的需求。學院和大學也許能夠使用量子計算機來增加現(xiàn)有的化學知識?？紤]一下如果量子計算機能夠在研究期間消除實驗室測試的必要性，可能會實現(xiàn)潛在的時間和成本節(jié)約。此外，由于以前不存在掌握化學特性的計算能力，這一步驟可能會導致以前世界所未知的化學性質(zhì)前進一大步。
01
實踐中的量子計算
許多企業(yè)已經(jīng)在使用量子計算。例如，IBM正在與梅賽德斯—奔馳、?？松梨?、歐洲核子研究中心和三菱化學合作，將量子計算實施到他們的產(chǎn)品和服務(wù)中：
梅賽德斯—奔馳
梅賽德斯—奔馳正在探索量子計算，為其電動汽車創(chuàng)造更好的電池。該公司希望通過在其產(chǎn)品中實施量子計算來塑造現(xiàn)代化電動汽車的未來，并通過在其產(chǎn)品中實施量子計算來對環(huán)境產(chǎn)生影響，努力在2039年之前實現(xiàn)碳中和。模擬電池內(nèi)部發(fā)生的事情非常困難，即使使用當今最先進的計算機也是如此。但是，使用量子計算技術(shù)，梅賽德斯—奔馳可以更準確地模擬汽車電池中的化學反應(yīng)。
埃克森美孚
?？松梨谡谑褂昧孔铀惴ǜp松地發(fā)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)運輸清潔燃燒燃料的最有效路線。如果沒有量子計算，計算所有路由組合并找到最有效的路由組合幾乎是不可能的。
歐洲核子研究中心
歐洲核子研究中心（CERN）正試圖發(fā)現(xiàn)宇宙的秘密。使用量子計算，歐洲核子研究中心可以找到以更有效的方式精確定位宇宙復雜事件的算法。例如，量子計算可以幫助CERN找出大型強子對撞機（LHC）數(shù)據(jù)中的模式。
三菱化學
三菱化學和慶應(yīng)義塾大學的團隊正在研究鋰氧電池的一個關(guān)鍵化學步驟：鋰超氧化物重排。他們正在使用量子計算機“在分子水平上對化學反應(yīng)內(nèi)部發(fā)生的事情進行準確的模擬”。
02
量子計算的優(yōu)缺點
量子計算有可能在未來幾年內(nèi)徹底改變金融、制藥、人工智能和汽車等行業(yè)，從根本上改變我們周圍的世界。
量子計算機的價值來自于它們運行的概率方式。通過直接使用概率計算風格而不是模擬它，計算機科學家已經(jīng)展示了快速搜索引擎、更準確的天氣預報和精確的醫(yī)療應(yīng)用的潛在應(yīng)用。此外，量子計算機代表了量子計算發(fā)展的原始動機，在直接模擬量子力學方面非常有用。
也許量子計算的主要吸引力在于它可以更快地解決問題，使其非常適合需要處理大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序（例如，航空航天物流、藥物制造、分子研究或其他在原子級別使用規(guī)范過程的領(lǐng)域）。
然而，創(chuàng)建強大的量子計算機并非易事，并且涉及許多缺點。量子計算系統(tǒng)對極端溫度的敏感性是主要缺點之一。為了使系統(tǒng)正常運行，它必須接近絕對零度溫度，這構(gòu)成了重大的工程挑戰(zhàn)。
此外，量子比特質(zhì)量不是它需要的地方。在給定數(shù)量的指令之后，量子比特會產(chǎn)生不準確的結(jié)果，量子計算機缺乏糾錯來解決這個問題。由于制造每個量子比特所需的電線或激光器數(shù)量，保持控制是困難的，特別是如果目標是創(chuàng)建一個百萬量子比特的芯片。
而且量子計算非常昂貴：單個量子比特的成本可能高達10000美元左右。
最后，如果標準信息系統(tǒng)和加密方法被用于惡意目的，它們將被量子計算機的處理能力所淹沒。這些計算機對量子物理學原理的依賴使它們能夠解密最安全的數(shù)據(jù)（例如，銀行記錄，政府機密和互聯(lián)網(wǎng)/電子郵件密碼）。世界各地的密碼學專家將需要開發(fā)能夠抵抗量子計算機可能發(fā)出的攻擊的加密技術(shù)。
03
量子計算對高等教育的影響
教育界一直在尋找成長和繁榮的新機會。許多高等教育機構(gòu)已經(jīng)開始對量子計算進行廣泛的研究，利用量子物理學的獨特性質(zhì)開創(chuàng)了一個技術(shù)的新時代，包括能夠進行當前不可能計算的計算機、超安全的量子網(wǎng)絡(luò)和奇特的新量子材料。
牛津大學
牛津大學的研究人員對量子研究很感興趣，因為它在醫(yī)療保健、金融和安全等領(lǐng)域具有巨大的潛力。該大學在世界范圍內(nèi)被認為是量子科學領(lǐng)域的先驅(qū)。牛津大學和約克大學展示了第一臺工作的純態(tài)核磁共振量子計算機。
哈佛大學
哈佛大學的研究人員建立了一個社區(qū)團體——哈佛科學與工程量子計劃——目標是在與量子計算機及其應(yīng)用相關(guān)的科學和工程領(lǐng)域取得重大進展。根據(jù)該小組進行的研究，“第二次量子革命”將在第一次量子革命的基礎(chǔ)上擴展，第一次量子革命負責全球通信的發(fā)展，GPS飛行等技術(shù)以及磁共振成像等醫(yī)學突破。
馬里蘭大學
馬里蘭大學物理系、國家標準與技術(shù)研究所和物理科學實驗室的研究人員是聯(lián)合量子研究所的一部分，“致力于控制和利用量子系統(tǒng)的目標”。
麻省理工學院
麻省理工學院的研究人員已經(jīng)建立了一臺量子計算機，并正在研究量子算法和復雜性、量子信息理論、測量和控制以及應(yīng)用和連接等領(lǐng)域。
加州大學伯克利分校
加州大學伯克利分校量子計算與信息中心的研究人員正在研究基本的量子算法、密碼學、信息論、量子控制以及量子計算機和量子設(shè)備的實驗。
芝加哥大學量子交易所
芝加哥大學量子交易所的研究人員正專注于開發(fā)理解和利用量子力學定律的新方法。CQE鼓勵研究小組和合作機構(gòu)之間的合作，聯(lián)合項目和信息交流。
中國科學技術(shù)大學
中國科學技術(shù)大學的研究人員正在探索量子光學和量子信息。主要感興趣的領(lǐng)域包括量子基礎(chǔ)，自由空間和基于光纖的量子通信，超導量子計算，超冷原子量子模擬以及量子計量理論和理論相關(guān)概念。
對高等教育的一個廣泛影響是，量子計算將為明天的學生開辟新的職業(yè)。此外，這項技術(shù)將允許精確預測就業(yè)市場的整體增長以及所有領(lǐng)域?qū)κ炀毢椭R淵博的工人的需求。
在不久的將來，量子計算的力量將在機器學習上釋放出來。在教育領(lǐng)域，量子驅(qū)動的算法將對學生的學習和缺陷做出明智的決定，就像量子計算有望徹底改變醫(yī)學分類和診斷一樣。
此外，量子計算將為個人學習、知識和成就的新時代提供動力。這將通過及時處理大量學生數(shù)據(jù)來實現(xiàn)，量子計算機最終可能有能力控制設(shè)計能夠適應(yīng)學生獨特成就和能力的程序，以及回填學生可能需要幫助的特定領(lǐng)域。量子計算的這些方面對于實現(xiàn)真正個性化學習的目標至關(guān)重要。
通過云可以訪問世界上相對較少的物理量子計算機中的任何一臺。這些計算機包括20+IBM Quantum System One目前在美國、德國和日本安裝更多，計劃在美國、韓國和加拿大安裝更多。
任何有互聯(lián)網(wǎng)連接的人都可以登錄量子計算機，并接受量子編程基礎(chǔ)知識的教育。例如，IBM提供各種以量子為中心的教育計劃，包括訪問量子計算機、教學支持、暑期學校和黑客馬拉松。The IBM Quantum教育工作者和研究者程序和Qubit的“量子計算導論”只是教育工作者和學生都可以訪問的量子計算資源的兩個示例。
這種主動行動是絕對必要的。世界各地的學院和大學需要合作，以縮小目前量子教育的知識差距，并為下一代科學家和工程師做好準備。
04
結(jié)論
量子計算革命正在發(fā)生。我們剛剛進入一個新的計算時代。下一代計算不是下一代硬件，而是下一代算法和計算方法。
量子計算機使用量子力學原理來解決問題。與經(jīng)典計算機相比，量子系統(tǒng)的狀態(tài)本質(zhì)上是概率性的。這意味著量子計算機可以處理比傳統(tǒng)計算機成倍多的計算。
05
延伸閱讀
量子計算的主要參與者可分為四大類：第一類是國際科技巨頭，例如IBM、谷歌、霍尼韋爾等；第二類是量子計算初創(chuàng)公司，例如Rigetti、IonQ等；第三類是國家科研院所，例如美國費米國家實驗室（Fermilab）、美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院；第四類是高水平研究型大學，例如劍橋大學、中國科學技術(shù)大學、哈佛大學等。
現(xiàn)在的量子計算機僅能處理某一個或某幾個方面的問題，尚未達到通用的程度。量子科技企業(yè)不僅需要斥巨資研制量子計算機，還需要擁有諸多研究人員設(shè)計制造量子硬件和軟件來支持這些機器。
未來，通用量子計算機需要在底層量子物理設(shè)備、量子計算機架構(gòu)、量子資源調(diào)度、上層量子程序設(shè)計語言、量子算法及量子應(yīng)用軟件等多方面進行努力。以下是量子計算行業(yè)典型代表有關(guān)量子計算的最新技術(shù)和商業(yè)進展。
2021年全球量子計算主要參與者地理分布
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