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量子计算机要多久才能造福社会?

文章发表于2024-07-10 09:29:38,归属【科技前沿】分类,已有62人阅读

科技前沿

谷歌和XPrize基金会发起了一项价值500万美元的竞赛,旨在开发造福社会的量子计算机的现实应用——例如,通过加快联合国可持续发展目标之一的进展。量子物理原理表明,量子计算机可以在特定问题上进行快速计算,因此这场竞赛可能会扩大量子计算机的应用范围。

利用量子技术的竞赛可以被视为一场新的工业革命,从使用经典物理特性的设备发展到利用量子力学特性的设备。几十年来,科学家们一直试图利用这些特性开发新技术。

考虑到我们经常被告知量子技术将彻底改变我们的日常生活,你可能会感到惊讶,我们仍然需要通过提供奖励机制来寻找实际应用。然而,尽管有许多成功利用量子特性来提高传感和定时精度的例子,但令人惊讶的是,量子计算机的发展缺乏超越经典技术的进展。

阻碍这一发展的主要瓶颈是,使用量子算法的软件需要证明其优于基于经典物理的计算机。这通常被称为“量子优势”。

量子计算与经典计算的一个关键区别在于使用了一种被称为“纠缠”的特性。经典计算使用“比特”来表示信息。这些位由1和0组成,计算机所做的一切都由这些1和0组成。但量子计算允许这些比特处于1和0的“叠加”状态。换句话说,就好像这些1和0同时出现在量子比特或量子位中。

正是这个特性使得计算任务可以一次全部执行。因此,人们相信量子计算可以比经典计算提供更显著的优势,因为它能够同时执行许多计算任务。

 

著名的量子算法

虽然同时执行许多任务应该会比传统计算机提高性能,但将其付诸实践已被证明比理论所建议的要困难得多。实际上,只有少数几个著名的量子算法可以比使用经典物理的算法更好地执行任务。

最著名的是1984年开发的BB84协议和1994年开发的肖尔算法,两者都使用“纠缠”特性,达到的效果优于经典算法。

BB84协议是一种加密协议——一种确保双方或多方之间安全、私密通信的系统,被认为比经典算法更安全。

肖尔的算法使用纠缠来演示当前的经典加密协议是如何被破解的,因为它们是基于非常大的数字的因式分解。也有证据表明,它可以比为传统计算机设计的类似算法更快地执行某些计算。

尽管这两种算法比传统算法有优势,但很少有优势的量子算法紧随其后。然而,研究人员并没有放弃开发它们的尝试。目前,研究主要有两个方向。

 

潜在的量子效益

第一种是使用量子力学来协助所谓的大规模优化任务。优化——找到解决特定任务的最佳或最有效的方法——在日常生活中至关重要,从确保交通流量有效运行,到管理工厂管道的操作程序,再到流媒体服务决定向每个用户推荐什么。很明显,量子计算机可以帮助解决这些问题。

如果我们能够减少执行优化所需的计算时间,就可以节省能源,减少目前在世界各地执行这些任务的许多计算机和支持它们的数据中心的碳足迹。

另一个可能带来广泛好处的发展是使用量子计算来模拟系统,例如根据量子力学行为的原子组合。例如,理解和预测量子系统在实践中的工作方式,并将其应用于更好的药物设计和医疗。

量子系统还可以改进电子设备。随着计算机芯片变得越来越小,量子效应开始发挥作用,这可能会降低设备的性能。对量子力学更好的基本理解可以帮助避免这种情况。

虽然在建造量子计算机方面进行了大量投资,但人们对确保它们将直接造福公众的关注较少。然而,现在这种情况似乎正在改变。

在未来20年内,我们是否都能在家中拥有量子计算机仍然值得怀疑。但是,考虑到目前使量子计算成为现实的财政承诺,似乎是社会利用它们的最好时代。这将采取何种具体形式?有500万美元的赌注等着我们去找答案。