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信号

量子计算

新一代计算技术

量子计算的出现代表着下一次重大技术变革,将推动经济和社会的全面变革。下面简要介绍一下这项技术的预期效果。

新一代计算技术

量子计算(QC)是利用量子物理学的下一代计算技术。

经典计算依赖于比特这一基本单位,而量子计算则依赖于量子比特--或量子比特之间的任何值,或它们的任何组合。

比特按照二进制逻辑存在--要么是 0,要么是 1,要么是关,要么是开,而量子比特可以同时存在于 0 和 1 两种状态,这种现象被称为 "叠加""。

"纠缠 "是赋予 QC 能力的另一个基本现象。当两个或两个以上的量子比特纠缠在一起时,它们就像一个系统,就像齿轮箱中的齿轮,因此一个量子比特的变化会改变与之纠缠在一起的所有其他量子比特。这意味着一次操作可以同时影响多个量子比特的状态。

其结果是一种令人震惊的更强大的新型计算。

到 2030 年,全球可能会有 2000 到 5000 台量子计算机。2018 年只有不到十个。

功能呈指数级增长的计算机

1 台量子计算机能解决需要 512 个 GPU集群才能解决的问题

QC 有可能解决比传统计算复杂得多的问题。

一台 1000 量子比特的量子计算机(预计将在 2-3 年内问世)将能够同时在 10³⁰¹ (即 1 后面跟着 301 个零)不同的所谓 "信息状态 "上运行。

这里的 "状态 "指的是某个问题的一种可能解决方案。大多数可能的解决方案都是错误的,所以我们能探索的状态越多,找到最佳解决方案的机会就越大。

两种架构,两种时间框架

量子退火炉专门用于优化任务。航空公司可能会使用这样的计算机来编制飞机航线的最佳时刻表,即在确保满足所有乘客时刻表的同时,最大限度地减少燃料消耗。

它们将在 2-5 年内开始产生商业影响

 

基于门的量子计算机是通用的,这意味着它们能够计算各种问题。未来,一家制药公司将利用它来模拟新的药物化合物,探索数百万种化合物的效果,而无需进行合成和测试。

它们将在 7-10 年后开始产生商业影响

量子技术

超导量子位

开发量子计算机的领先技术平台之一。IBM、Google、D- Wave 和其他公司都在使用它。超导系统通常在非常低的温度下运行,接近绝对零度,以便为量子计算创造适当的条件。

量子网络

量子网络可以通过通信信道传输量子纠缠信息。它们是 QKD 背后的使能技术之一,既能提高安全性,又能增加带宽。

量子密钥分发(QKD)

一种安全的通信方法,它实现了涉及量子力学组成部分的加密协议。它能让双方产生一个只有双方知道的共享随机秘钥,然后用这个秘钥对信息进行加密和解密。"" 攻击。

量子传感器

这是一种利用量子物理学原理探测微重力变化的装置,其工作原理是在次分子水平上操纵自然界。量子传感利用量子纠缠、量子干涉和量子态挤压等量子力学特性,超越了目前传感器技术的极限,规避了不确定性原理。

量子离子量子位

量子离子阱是另一个用于开发量子计算机的技术平台。它是利用电磁力将离子限制在自由空间中。lonQ 是这种方法的主要倡导者。

退火架构

退火结构更为简单,它基于在量子系统中寻找最低能量状态的理念。这种最低能量状态相当于优化问题的最优解。

栅极架构

门架构使用量子逻辑门的等价物,这些逻辑门是硅基中央处理器的组成部分。鉴于这一事实,基于门的量子计算机至少在理论上可以计算与传统计算机相同的一系列问题。

光子学

光子系统依靠光脉冲和光偏振来创建其量子比特。与大多数其他量子比特技术不同,它们具有在室温下工作的优势,但工作速度往往比超导量子比特慢得多。Xanadu 是采用光子方法进行质量控制的领先公司。

后量子加密(PQC)

后量子密码学是新的公钥加密方法的统称,这些方法可以抵御量子计算机的攻击。PQC 算法的选择过程由美国国家标准与技术研究院 (NIST) 负责管理。大多数大型机构都在效仿 NIST 的做法。

云中的量子计算

硬件

通常情况下,需要质量控制的公司并不拥有自己的电脑。由于一些关键原因,内部部署量子计算机的想法目前还不切实际:

  • 量子设备价格昂贵
  • 其操作复杂,因此成本高昂
  • 考虑到量子设备制造商的升级频率,单个设备很快就会过时

相反,量子计算机的最终用户通过云服务Access它们。

目前有两种通过云提供质量控制的方法:

两种方法的利弊

专有云

在这种方法中,提供商通过自己的云服务Access自己的质量控制设备。IBM 是采用这种方法的最重要公司,它通过其 IBM Q 网络提供质量控制。

优势

加强提供商现有云平台与量子平台之间的集成 减少经典云平台与量子平台之间的网络延迟,这将成为低延迟应用(如欺诈检测)的一大优势

弱点

量子计算后端选项选择有限

限制性更强的商业模式的可能性

供应商锁定的危险

公共云

在这种方法中,领先的云服务可提供对第三方供应商质量控制设备的Access。例如,亚马逊 Braket 提供对 D-Wave、rigetti、Oxford Quantum Circuits、IonQ 和 Xanadu 的访问,还有更多正在筹备中。Microsoft Azure Quantum 可访问 Quantinuum、IonQ、Quantum Circuits Inc、rigetti、PASQAL、1QBit、Microsoft QIO 和东芝 SQBM+。

优势

使用云提供商现有的Access和计费服务以及类似的共享服务

提供 Access 量子计算机的便捷通道,通常采用 "即用即付 "模式

提供对各种量子计算机的Access,允许在不同平台之间进行比较,并确定适合当前问题的设备

弱点

由于网络往返和排队,Access量子设备的延迟趋于增加

这反过来又给欺诈检测和高频交易等有实时或低延迟要求的应用带来问题,以至于这些应用可能不切实际

 

 

未来,云提供商可能会在数据中心托管量子设备,同时托管传统的 CPU 和 GPU 硬件,从而最大限度地减少延迟影响,实现新一类高吞吐量、低延迟的量子-经典混合应用,如欺诈检测和高频交易。

软件/API

应用程序接口和相关的 SDK 往往是开源的,除少数例外,都是用 Python 编程语言编写的。

每家领先的质量控制供应商通常都会提供自己的应用程序接口,以支持其设备或服务。

IonQ 等一些供应商决定支持其他供应商的 API,而不是开发自己的专有 API。例如,IonQ 支持 IBM 和 Cirq 的 Qiskit。例如,这种方法允许将用 Qiskit 为 IBM 量子机器编写的量子算法更容易地移植到 IonQ 设备上运行。

未来,大型技术/云提供商(IBM/亚马逊/微软)将提供或授权少量标准化应用程序接口,量子计算硬件供应商将根据这些应用程序接口进行构建。

在金融服务中的应用

在努力争取质量控制领导地位的过程中,金融机构很可能会发现,技能和人才的开发与保留将成为一个关键战场。量子技术应用方面的领先者将看到其安全性、运营效率和产品效力大幅提高,而落后者则会看到其业务的这些方面受到侵蚀。

虽然我们预计至少在 10-12 年内,量子计算机还不会强大到足以解密当今基于 PKI 的密码系统,但要让它们做好应对量子威胁的准备,还有大量工作要做。

对其他部门的促进作用

质量控制在其他一系列领域也有潜在的变革性应用。

药物发现

量子计算将加快分子的识别和模拟,从而改善药物发现过程。它将把实验从湿实验室转移到计算机上,研究人员将Access传统计算需要几十年才能设计出的化学组合。

网络安全

量子计算机确实威胁到了当今网络的安全支柱--RSA 公钥密码学。但是,量子技术也将带来新的、更加安全的通信方式。

物流

通过处理与生产能力、地理和基础设施、天气模式、路线选择、铁路和航道能力等相关的前所未有的复杂数据,QC 将改变我们的供应链。

汽车

QC 将推动建立一个可行的自动驾驶汽车生态系统。量子驱动的人工智能和机器学习将加快必要算法的学习过程。图像分类和 3D 物体检测也将从质量控制中获益。

模拟

质量控制将为现实建模提供新的能力。我们将更好地预测极端天气事件、绘制气候变化图、预测城市发展对排放的影响、预测人口增长等。

随着质量控制技术的发展,我们自然会看到各行各业都出现使用案例。

新兴技术

QC 现在的球员

各种硬件供应商正在创建自己的量子计算机,它们使用一系列不同的底层物理现象,并采用通用的、基于门的方法和量子退火方法。其中包括

硬件供应商通常都提供自己的软件库(如 IBM qiskit、D-Wave Ocean、Google Cirq),除此之外,还有一些纯量子软件供应商。其中有

质量控制市场的增长

2016

$89M

全球量子计算市场

2025

$949M

全球量子计算市场(预测)

30% 2017 年至 2025 年的复合年增长率

未来潜力巨大

量子计算机将适用于某些任务。在不久的将来,量子计算机将擅长解决复杂的数字问题,并将与现有的经典计算机共存,从而实现量子-经典混合系统。混合性非常重要,因为经典计算提供的是一目了然的输出结果,而量子计算机提供的是概率分布输出结果,生成的答案集可能需要使用经典计算机进行筛选。展望未来,质量控制有可能带来变革。它将在某些领域取得巨大进步,使我们有能力创造革命性的新药,优化金融市场的运作,确保网络安全,了解从地球生态到全球供需网络等复杂系统。至于它的最大效果,目前还没有定论。社会和经济层面即将发生重大变化:与传统计算机一样,QC 将全面改变我们的生活方式。但是,故事仍有待书写,未来几十年将见证我们最聪明的大脑如何利用这一强大的新工具。