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量子技術改變世界的四種方式

2021-12-03 09:06:44 來源：科技日報

開發新藥、涉獵金融、應對氣變……

量子技術改變世界的四種方式

科技創新世界潮

◎本報記者劉霞

美國計算機巨頭IBM近日宣布研制出一臺能運行127個量子比特的量子計算機“鷹”，這是迄今全球最大的超導量子計算機。中國科學技術大學此前曾推出62個量子比特可編程超導量子計算機原型機。世界各地的政府和組織正在源源不斷地增加在量子研究和開發領域的投入。

量子計算機最基本的信息單元是量子比特。不同于電子計算機的基本信息單元比特只能是0或1，量子比特可以同時是0和1，所以量子計算機性能更強大，且增加量子比特數可使其性能呈指數級提升，這也是量子計算機“引無數英雄競折腰”的重要原因之一。

西班牙著名物理學家胡安·伊格納西奧·西拉克指出，量子計算機領域的進步為金融、醫藥等領域的革新提供了一片充滿可能性的藍海。美國《福布斯》雙周刊網站為我們列出了量子計算機改變世界的4種方式。

促進新藥和新材料研發

憑借其極高的處理能力，量子計算機將能夠通過量子模擬同時研究多個分子、蛋白質和化學物質——標準計算機目前無法做到這一點，從而使科學家們能比現在更快、更高效地開發新藥。

例如，瑞士制藥公司羅氏希望借助量子模擬來加速藥物和疫苗的開發進程，以應對新冠肺炎、流感、癌癥等疾病，甚至有可能治愈阿爾茨海默病。此外，量子模擬還可以取代實驗室實驗，降低研究成本，甚至可以最大限度地減少對人體和動物試驗的需求。

此外，2021年初，德國制藥公司勃林格殷格翰宣布與谷歌量子人工智能合作，共同研究和實施量子計算在藥物研發中的應用，特別是在分子動力學模擬方面。

另據西班牙《世界報》網站11月16日報道，伊格納西奧·西拉克表示，可以利用量子計算機研發在今天看來不可能實現的化合物，如能源密集程度較低的肥料等。如IBM等公司正在使用量子計算機塑造新分子，以“模擬大自然將土壤中的氮轉化為富含硝酸鹽肥料的能力，進而減少化肥對環境的影響”；而谷歌公司正在與大眾集團的信息技術部門合作，利用量子計算機幫助后者研發新材料，特別是電動汽車用高性能電池。

在金融領域“大顯身手”

量子計算機可以為金融業帶來巨大的潛在利益——從更深入的分析到實現更快的交易等等。事實上，許多主要金融機構正在想方設法借助量子計算促進貿易、交易和數據傳輸速度。

比如，IBM和摩根大通等銀行一直在試驗量子技術，希望借此優化交易策略、投資組合、更好地進行資產定價以及風險分析等。此外，去年西班牙金融量子計算技術研發商Multiverse Computing宣布與美國量子計算初創公司IonQ建立合作伙伴關系，將使金融服務機構能夠使用IonQ量子云平臺，比之前更準確、更快速地進行風險估值、投資組合優化、資產管理、欺詐檢測模擬等。

量子計算機在金融領域的另一個潛在應用是金融建模，對于世界各地的金融機構來說，能更好地進行金融建模意味著更低的處理成本和更快的交易速度，這是一種雙贏。

助應對氣變“一臂之力”

越來越多專家把注意力轉向利用量子計算機解決我們這個時代最大的挑戰之一：氣候變化。

首先，量子計算機的整體能耗將低于傳統計算機。例如，D-Wave的2000Q量子計算機的能耗比IBM的“頂點”(Summit)超級計算機低4個數量級，后者是世界上最強大的計算系統之一。同樣地，美國橡樹嶺國家實驗室的科學家計算出，量子計算機有可能將能源使用量降低100多萬千瓦時。

此外，專家預測，量子模擬還有助于各國實現聯合國的可持續發展目標。

例如，量子計算機可以加速發現新的二氧化碳催化劑，確保二氧化碳更有效地循環，同時產生有用的氫氣、一氧化碳等氣體。同時，量子模擬也有助于造出更高效的電池、更好的太陽能電池或風力渦輪機材料，甚至是用于實現碳捕獲技術的、吸收性更強的催化劑。在農業方面，量子模擬可以顯著降低制造肥料所耗費的電能，而肥料占全球能源耗費的比例高達2%。

量子安全應予以重視

《福布斯》雜志網站在報道中指出，盡管量子計算機會給人類帶來巨大的好處，但同時也可能會帶來風險。

比如在信息安全領域，量子計算機將有能力突破目前人們保護信息時廣泛依賴的公鑰加密，這意味著數據無論現在多么安全，未來在量子計算機面前可能都不堪一擊。對于任何需要保護敏感信息的組織來說，這是一場災難。

盡管各國政府和企業對量子計算機投入了大量資金，但對量子安全的投入卻很少，而量子安全對于我們邁入量子時代至關重要。幸運的是，美國國家標準與技術研究院(NIST)目前正在對后量子密碼術進行標準化。據NIST稱，新標準將于今年年底公布。

雖然量子計算機為我們的未來描繪出了一副美好的藍圖，但伊格納西奧·西拉克明確表示，必須摒棄量子計算機投入實用指日可待的想法。他說：“我們確實已經研制出了第一批原型機，但其規模仍然非常小，且功能并不強大，只是跨出了第一步。”

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