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深入了解量子计算

文章发表于2024-06-20 09:56:33,归属【科技前沿】分类,已有110人阅读

科技前沿

人工智能的影响已经巧妙地融入了我们日常生活的方方面面,从智能手机技术到自动驾驶汽车功能,再到创新的零售体验。它的无缝集成,特别是随着生成式人工智能的兴起,最近已经成为一个突出的固定装置。

ChatGPT、GitHub Copilot和Stable Diffusion等工具因其广泛的应用和深刻的会话能力而吸引了全球受众。

有趣的是,生成式人工智能将推动量子计算超越仅仅是实现量子霸权的愿望,在这一点上,量子计算机将大大超过经典方法。

 

与人工智能的共生关系

通过将人工智能与量子计算相结合,量子计算在解决复杂问题方面已经非常出色的能力可能会变得更加加速和精确。这样的协同作用可能会让人工智能从仅仅令人印象深刻变成一个游戏规则改变者。

当运行时,量子计算机有可能以指数方式提高处理速度,加深我们对从复杂的分子设计到系统之间多方面的相互作用(如城市运动,经济和气候模式)的理解。

这些进步可能会为癌症和阿尔茨海默氏症等疾病的治疗以及开创性的可持续能源解决方案的突破铺平道路。不可否认,量子计算潜力的诱惑是令人信服的。

此外,量子计算与人工智能无缝结合。人工智能提供自我增强和学习能力,而量子计算机提供无与伦比的速度和效能。

谷歌首席执行官桑达尔•皮查伊说:“人工智能可以为量子计算提供燃料,量子计算反过来又可以推动人工智能向前发展。”

人工智能经历了多年的停滞期,被称为“人工智能寒冬”。尽管它们在国际象棋等特定任务上的表现优于人类,但它们的过度提升导致了令人印象深刻的结果。然而,自21世纪中期以来,生成式人工智能的飞跃表明,我们正在进入机器学习的复兴时代。

量子计算机可能很快就会遵循这一轨迹。正如香港大学的朱利奥·奇里贝拉教授所说,它们可能成为“本世纪人类创新和追求知识的巅峰”。

根据SNS Insider的报告,2022年量子计算市场的估值为7.2553亿美元。该报告预测,到2030年,它将大幅扩大到758728万美元,预计在2023年至2030年的预测期内,复合年增长率(CAGR)为34.1%。

量子技术和算法的持续研究和进步表明,量子计算正处于重塑我们未来的边缘。制造一台完全可操作的量子计算机是一项巨大的挑战,因为它们的工作原理与我们习惯的数字设备截然不同。

 

在计算中解释量子力学的要点

在深入研究量子力学的广泛影响之前,对其组成部分有一个基本的了解是必不可少的。量子力学是物理学的一个分支,研究宇宙中最小的粒子,如原子和亚原子粒子。在这个尺度下,我们熟悉的许多经典物理定律要么不适用,要么表现得非常不同。

影响量子计算的一些量子力学基本原理包括波粒二象性、不确定性原理和量子叠加。

在计算领域,量子力学提供了处理信息的新方法。不像经典计算,信息是二进制和确定性的,量子信息是概率的。这意味着,鉴于量子比特(量子位)的独特属性,量子计算机可以同时表示和处理大量信息。

当谈到经典比特时,在经典计算中,比特是最小的数据单位,可以以两种状态之一存在:0或1。计算机中的所有操作,从简单的打字到运行复杂的模拟,最终都被分解成使用这些位的二进制操作。

然而,在量子计算中,量子位是量子信息的基本单位。与经典比特不同,量子位可以处于代表0、1或这些状态的任何量子叠加的状态。这意味着它们可以同时执行许多计算,使量子计算比经典计算强大得多。

量子力学中两个有趣的方面——叠加和纠缠——在量子计算中起着至关重要的作用。

叠加是量子力学的标志性原理之一。这意味着,与必须为0或1的经典位不同,量子位可以同时为0、1或同时为0和1。把它想象成一个旋转的硬币;当它在空中时,你不能肯定地说它处于“正面”或“反面”状态。只有当硬币落地时,它才会呈现出一种确定的状态(或者用量子术语来测量)。

纠缠是另一种独特的量子现象。当量子比特纠缠在一起时,无论它们之间的距离有多远,其中一个的状态(无论是0还是1)都会立即影响另一个的状态。即使量子比特相隔很远,这种强相关性仍然存在,爱因斯坦将这种现象称为“幽灵般的超距作用”。

在计算方面,纠缠使纠缠的量子比特能够像经典比特那样一起工作,从而使某些计算更加高效。

这些量子原理与量子比特的独特属性相结合,为量子计算提供了基础。虽然该领域仍处于起步阶段,但构建可扩展的量子计算机仍然具有挑战性。它们潜在的速度和计算能力优势是巨大的,可以彻底改变许多领域,从密码学到药物发现。

 

解释量子计算中的障碍和解决方案

IonQ的首席技术官Jungsang Kim花了近20年的时间来应对量子比特开发的挑战。据《南华早报》报道,他提到了关于量子比特的一个不为人知的事实:虽然你可以拥有无数个量子比特,但单凭它们并不能制造出量子计算机。两个基本要素是必不可少的。首先,指导计算机的能力及其持续产生准确结果的能力。

当你命令量子计算机执行特定操作时,其硬件的缺陷就会变得明显。最终,噪声成为主导因素,导致计算机执行随机操作。

不管量子比特的数量是多少,如果量子计算机的行为不可预测,输出将是无意义的。

然而,对于这个量子比特难题,有一个相对简单的解决方案:纠错。据估计,纠正量子比特错误需要大约90%的量子计算机计算能力。尽管很复杂,但量子纠错是可以通过正确的算法实现的。

IonQ被认为是量子计算领域的领跑者,它利用“捕获离子”技术与镱原子进行量子位。尽管Kim对这十年的进展持乐观态度,但该领域仍然存在各种方法的竞争。

许多著名的公司,如亚马逊网络服务、谷歌和IBM,都在制造超导量子比特机方面取得了长足的进步。由于其独特的冷却结构可以稳定不稳定的量子比特,因此引起了人们的关注。

无论哪种技术先出现,解决量子硬件中固有的挑战,比如容错,都将是一个挑战。

 

各行各业的潜在飞跃

当量子计算机完全投入使用时,它将有可能彻底改变整个行业。例如,我们可以见证电池技术的长足进步。认识到这一潜力,汽车行业已经开始与量子计算开拓者合作,比如戴姆勒与IBM的合作。

Kim强调了电池能量密度改善的变革潜力。这些进步可能会使电动汽车比化石燃料汽车更具吸引力,为应对气候变化的重大进展铺平道路。

Kim还强调了量子计算在增强我们对细菌酶——氮酶的理解方面的潜力。揭开它的秘密可以大大减少化肥生产中的能源消耗。

量子计算还可以为碳捕获和储存提供见解,进一步帮助对抗全球变暖。此外,它可以在分子水平上彻底改变药物开发,导致个性化治疗和新型疫苗。

我们目前正处于NISQ(嘈杂的中等规模量子)时代,期待着量子计算机超越经典计算机的决定性时刻。

谷歌的53量子位Sycamore机器极大地提高了我们对世界的理解。这种理解使我们更接近揭开宇宙错综复杂的挂毯,并强调了不同科学领域之间协同作用的重要性。

随着技术的不断进步,量子力学——一个传统上为物理学家保留的领域——与实际的日常应用之间的区别开始变得模糊。这种融合需要一种协作的方法,从计算机科学家、工程师和物理学家那里获得专业知识。

 

为量子未来做准备:超越技术

为量子未来做准备不仅涉及技术投资。为了让量子计算蓬勃发展,我们需要一支理解其原理并能驾驭其复杂性的员工队伍。这不仅仅是为了创造量子计算机,而是为了确保人才库能够最大限度地发挥其潜力,开发新的应用,并应对不可预见的挑战。

此外,量子计算的经济影响是巨大的。在量子研究上及早投入巨资的国家和企业将在许多领域获得竞争优势。然而,这些优势也带来了风险。由于量子计算机威胁到现有的加密方法,因此开发抗量子加密技术以确保全球数据安全至关重要。

量子计算的兴起代表的不仅仅是一场技术革命;这是一个社会问题。随着我们的进步,重点不应该仅仅放在硬件和软件上,而是要确保这种转变有利于人类。

支持公开对话,从专家和公众那里汲取见解,以塑造量子计算的未来,这一点至关重要。这个未来将以我们刚刚开始想象的方式重塑我们的世界。