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量子技术的重要性、优势、安全风险以及颠覆性力量

2022年9月6日 11:03  极客网  

量子技术日渐热门,它的重要性、优势、安全风险以及颠覆性潜力你了解吗?

“量子”这一术语是一个总称,指的是利用量子力学在计算、通信、传感、制药、化学和材料研究等既定领域开发全新能力的新兴技术和应用。

从字面意义上说,“量子”一词是指使用量子力学描述的物理系统中的最小单位或实体。而物理学家之所以对量子世界有着单独的力学公式,是因为在非常非常小的粒子的尺度上,经典物理学的规则不一定适用。

物理学家观察到了很多无法用经典物理学解释的奇怪行为,包括量子干涉和纠缠等,它们允许相距甚远的粒子相互连接。

量子的承诺是什么?为什么它如此重要?

量子的承诺是通过利用物质的这些量子力学特性来超越经典物理学的界限。根据具体情况,可以提供全新的信息处理方式,这些方式有可能更快、更节省资源。

例如,量子计算将使人们能够计算以前从未计算过的东西,例如蛋白质的形成或预测金融系统的复杂行为。

量子的颠覆性潜力在哪里?

量子在很多领域都可能具有颠覆性。例如:

优化:量子计算机可能能够更快地解决硬优化问题,甚至能够解决当今完全无法解决的问题(就所需的传统计算资源而言)。

制药/化学研究和建模:量子模拟可以帮助人们了解分子和蛋白质是如何形成的,并在化学和生物学、药物发现和医疗保健方面取得突破。

网络安全:强大的量子计算机可能会破坏现有的依赖大数分解的加密协议,例如基于RSA的加密协议。目前,没有经典的计算机或算法可以在合理的时间内完成此操作,因此人们有机会开发全新类型的加密来确保信息安全。

量子计算有什么好处?与这项技术相关的风险有哪些?

量子计算保证了处理能力的效率。更快地处理信息的能力为推动基础研究、优化、信息技术和制药等领域的发展提供了可能,这些领域的发展超出了人们在使用传统计算机时的想象。

量子计算存在预期的安全风险。在理论上,大型量子计算机可以破解NSA加密。目前一个巨大的突出挑战是创建对经典计算机和量子计算机都安全的安全协议。

而在意料之外的风险是,对于功能更强大的计算机,有许多尚未想象的应用程序。量子计算机的优势在于处理可能对个人隐私产生影响的大数据。

例如,美国大约1%的能源消耗用于生产化肥,而这一过程效率低下,而采用量子力学可以模拟复杂的化学反应。量子计算机可用于模拟生物/化学过程,例如固氮酶中的固氮过程,从而提高生产效率,并带来更环保的方法。

需要哪些技术进步才能将量子计算从小众带入主流?

目前,人们从根本上受到量子系统随时间推移的稳定性以及准确控制它们能力的限制。量子系统对其环境的独特敏感性使它们在计算方面如此强大,但这也使它们很难以很高的精度控制。正因为如此,目前的量子计算机非常小(只有几十个量子比特或量子比特——传统计算机有数亿比特),可以用这些较小的量子系统执行的计算通常是不准确的。

要将量子计算从其小众应用带入主流,需要学习如何更好地将量子系统与其环境隔离,同时如何以更高的精度控制它们。需要减少在量子计算中观察到的错误,然后将量子系统扩展到数亿个量子比特。

如何才能克服这些挑战?

人们需要通过量子计算硬件和软件的创新来克服量子计算中的误差问题。需要更多的研究来了解量子系统中发生的错误过程以及如何构建对这些错误更具弹性的硬件。与此同时,随着如今达到芯片制造能力的物理极限,需要改进软件以及如何实现某些算法。 

编 辑:章芳
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