量子计算：未来真的来了？

我国科研团队推出了全球算力最强的量子计算机，可实现66个量子比特的数据操控；与此同时，英国剑桥大学团队研发出一款量子计算桌面操作系统，这一突破对推动量子技术走向大众普及的意义，堪比当年微软为经典桌面计算机打造 MS-DOS 与 Windows 系统。

接下来，我们来全面梳理量子计算的发展现状，解答关于这项颠覆性技术的诸多疑问：究竟什么是量子计算？为何全球各界对它满怀期待？它又将如何改变我们的生活？

何为量子计算？

用通俗语言解释量子计算并不容易，因为其概念本身十分复杂。“量子”指的是亚原子层面，在计算机科学与物理学中，这个词用于描述物质在微观尺度下呈现的特殊物理特性，这些特性往往和我们观测原子及更大尺度物质时遵循的基础物理规律相悖。在亚原子世界，有两大核心现象：一是量子纠缠，即粒子间存在特殊关联，无论相隔多远，状态始终同步；二是量子叠加态，即单个粒子可同时处于两种不同状态。

要理解量子计算，首先要分清经典比特与量子比特的核心区别。普通计算机在量子领域统称为“经典计算机”，它以二进制比特存储、读取数据，一个比特仅有0或1两种固定状态；而量子计算机使用量子比特，依托叠加态、量子纠缠等量子效应，针对部分复杂计算，运算效率能碾压经典算法，甚至有些难题若不借助量子算法，经典计算机永远无法完成运算，这一现象被称为“量子优越性（也称为量子霸权）”。

其实我们无需吃透量子计算机的底层运行原理，也能看懂它未来对生活的影响。从硬件原理来看，超导量子计算需要将超导材料降温至无限接近绝对零度（零下273摄氏度，即零下459华氏度），随后向超导材料中注入电子，再用无质量的电磁粒子——光子对电子进行操控，通过调控二者的相互作用，科学家就能掌控、测量粒子的量子效应，形成可存储、处理信息的量子比特。

当下量子计算的实际应用

如今量子计算仍处在大规模实验研发阶段，但落地应用已逐步涌现：亚马逊、谷歌、微软等头部云厂商，均已在自有云平台上线量子计算服务；美国电话电报公司（AT&T）联合加州理工学院成立量子技术联盟，推动量子计算从理论研究走向实际落地。

量子计算的核心用途，是解决经典计算机耗时极长甚至无力承担的复杂运算，典型案例便是解析大型强子对撞机采集的海量实验数据。这台地下加速器在总长27公里的隧道内加速亚原子粒子，粒子速度最高可达光速的99.9%，每秒产生1PB 实验数据，运营对撞机的欧洲核子研究中心（CERN）正研究用量子计算处理数据；在量子技术出现前，受限于全球经典计算机算力不足，绝大部分数据只能直接舍弃，无法完成分析。

量子计算还能打造加密等级极高的安全体系，数据加密强度远超传统方案，2017年奥地利与中国科学家就完成了全球首次跨洲际量子加密视频通话。但与此同时，一旦量子计算普及，量子驱动的破解攻击也会随之而来，不少专家预判，当前互联网主流的经典加密方式，在量子攻击面前都将不堪一击。

在生物模拟领域，量子计算可完成蛋白质分子仿真等超高复杂度运算，加拿大生物科技企业 ProteinQure 已与微软合作，借助量子计算研发癌症、阿尔茨海默病等疾病的基因疗法。 大众汽车、戴姆勒等汽车制造商也在利用量子计算研发续航更长、能效更高的电动汽车电池，因为电池充放电过程中的化学衰减规律极为复杂，经典计算机难以精准推演变化趋势；大众还与量子技术先驱 D-Wave 合作，搭建仿真模型，精准模拟、预测北京拥堵路网的车流状况。

量子计算的未来前景

短期来看，大概5至10年内（也可能更快），量子计算将迈入实用化阶段——英特尔量子研究主管吉姆・克拉克将这一阶段定义为“量子实用时代”，届时量子技术能常态化解决各类改善民生的现实问题。

至少在可预见的未来，量子计算机不会完全取代经典计算机：大量常规计算任务中，量子技术不存在性能优势，但在它擅长的复杂运算场景，算力有望提升数亿倍。

文章开篇提到的标准化量子桌面操作系统，正是迈向量子实用化的关键一步。20世纪中期 IBM 推出经典大型机时，通用操作系统与编程语言尚未问世，计算机难以民用；如今量子计算机的整套控制系统原本要占满一整间房间，而这项突破性系统将整套设备压缩至单枚芯片。

待量子技术全面落地后，业内专家期待用它研发各类应用，助力人类应对气候变化，其中一条可行路径是研发新型农用化肥：全新合成肥料方案有望降低全球3%至5%的天然气消耗，核心依靠量子计算模拟、合成催化效率更高的新型催化分子。

量子计算对人工智能、机器学习行业同样具备颠覆性价值。深度学习依托海量神经网络开展运算，极度消耗算力，搭载量子技术的AI，学习、推演速度将实现质的飞跃。 依托更强算力，人类能够搭建更精密的仿真模型。

仿真的本质是理解现实世界，再在数字模型中复刻物理规则，这就要求精准掌握物质在量子尺度下的运动规律。诺贝尔物理学奖得主理查德・费曼奠定了现代量子理论的核心框架，他曾提出：唯有量子计算机，才能精准模拟量子微观活动。

想要实现完整量子仿真，我们还需要算力远超当下（数千量子比特规模）的新一代量子计算机，届时人类就能搭建如今难以模拟的复杂系统模型，涵盖电磁辐射、引力场，甚至生物大脑的运行机制。

无论后续会诞生哪些新成果，量子计算无疑是前景广阔、激动人心的科技赛道。未来数十年，它将持续深度渗透日常生活，带来的变革意义，堪比上世纪计算机问世、本世纪互联网普及带来的时代巨变。

本文转载自 雪兽软件
更多精彩推荐请访问 雪兽软件官网