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量子技術(shù)改變世界的四種方式

2021-12-03 09:06:44 來源：科技日報(bào)

開發(fā)新藥、涉獵金融、應(yīng)對氣變……

量子技術(shù)改變世界的四種方式

科技創(chuàng)新世界潮

◎本報(bào)記者劉霞

美國計(jì)算機(jī)巨頭IBM近日宣布研制出一臺(tái)能運(yùn)行127個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)“鷹”，這是迄今全球最大的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)此前曾推出62個(gè)量子比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)。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(fā)領(lǐng)域的投入。

量子計(jì)算機(jī)最基本的信息單元是量子比特。不同于電子計(jì)算機(jī)的基本信息單元比特只能是0或1，量子比特可以同時(shí)是0和1，所以量子計(jì)算機(jī)性能更強(qiáng)大，且增加量子比特?cái)?shù)可使其性能呈指數(shù)級(jí)提升，這也是量子計(jì)算機(jī)“引無數(shù)英雄競折腰”的重要原因之一。

西班牙著名物理學(xué)家胡安·伊格納西奧·西拉克指出，量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的進(jìn)步為金融、醫(yī)藥等領(lǐng)域的革新提供了一片充滿可能性的藍(lán)海。美國《福布斯》雙周刊網(wǎng)站為我們列出了量子計(jì)算機(jī)改變世界的4種方式。

促進(jìn)新藥和新材料研發(fā)

憑借其極高的處理能力，量子計(jì)算機(jī)將能夠通過量子模擬同時(shí)研究多個(gè)分子、蛋白質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)——標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)目前無法做到這一點(diǎn)，從而使科學(xué)家們能比現(xiàn)在更快、更高效地開發(fā)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(fā)進(jìn)程，以應(yīng)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(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，降低研究成本，甚至可以最大限度地減少對人體和動(dòng)物試驗(yàn)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(shí)施量子計(jì)算在藥物研發(fā)中的應(yīng)用，特別是在分子動(dòng)力學(xué)模擬方面。

另據(jù)西班牙《世界報(bào)》網(wǎng)站11月16日報(bào)道，伊格納西奧·西拉克表示，可以利用量子計(jì)算機(jī)研發(fā)在今天看來不可能實(shí)現(xiàn)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(jì)算機(jī)塑造新分子，以“模擬大自然將土壤中的氮轉(zhuǎn)化為富含硝酸鹽肥料的能力，進(jìn)而減少化肥對環(huán)境的影響”；而谷歌公司正在與大眾集團(tuán)的信息技術(shù)部門合作，利用量子計(jì)算機(jī)幫助后者研發(fā)新材料，特別是電動(dòng)汽車用高性能電池。

在金融領(lǐng)域“大顯身手”

量子計(jì)算機(jī)可以為金融業(yè)帶來巨大的潛在利益——從更深入的分析到實(shí)現(xiàn)更快的交易等等。事實(shí)上，許多主要金融機(jī)構(gòu)正在想方設(shè)法借助量子計(jì)算促進(jìn)貿(mào)易、交易和數(shù)據(jù)傳輸速度。

比如，IBM和摩根大通等銀行一直在試驗(yàn)量子技術(shù)，希望借此優(yōu)化交易策略、投資組合、更好地進(jìn)行資產(chǎn)定價(jià)以及風(fēng)險(xiǎn)分析等。此外，去年西班牙金融量子計(jì)算技術(shù)研發(fā)商Multiverse Computing宣布與美國量子計(jì)算初創(chuàng)公司IonQ建立合作伙伴關(guān)系，將使金融服務(wù)機(jī)構(gòu)能夠使用IonQ量子云平臺(tái)，比之前更準(zhǔn)確、更快速地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)估值、投資組合優(yōu)化、資產(chǎn)管理、欺詐檢測模擬等。

量子計(jì)算機(jī)在金融領(lǐng)域的另一個(gè)潛在應(yīng)用是金融建模，對于世界各地的金融機(jī)構(gòu)來說，能更好地進(jìn)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(yīng)對氣變“一臂之力”

越來越多專家把注意力轉(zhuǎn)向利用量子計(jì)算機(jī)解決我們這個(gè)時(shí)代最大的挑戰(zhàn)之一：氣候變化。

首先，量子計(jì)算機(jī)的整體能耗將低于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。例如，D-Wave的2000Q量子計(jì)算機(jī)的能耗比IBM的“頂點(diǎn)”(Summit)超級(jí)計(jì)算機(jī)低4個(gè)數(shù)量級(jí)，后者是世界上最強(qiáng)大的計(jì)算系統(tǒng)之一。同樣地，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家計(jì)算出，量子計(jì)算機(jī)有可能將能源使用量降低100多萬千瓦時(shí)。

此外，專家預(yù)測，量子模擬還有助于各國實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

例如，量子計(jì)算機(jī)可以加速發(fā)現(xiàn)新的二氧化碳催化劑，確保二氧化碳更有效地循環(huán)，同時(shí)產(chǎn)生有用的氫氣、一氧化碳等氣體。同時(shí)，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(fēng)力渦輪機(jī)材料，甚至是用于實(shí)現(xiàn)碳捕獲技術(shù)的、吸收性更強(qiáng)的催化劑。在農(nóng)業(yè)方面，量子模擬可以顯著降低制造肥料所耗費(fèi)的電能，而肥料占全球能源耗費(fèi)的比例高達(dá)2%。

量子安全應(yīng)予以重視

《福布斯》雜志網(wǎng)站在報(bào)道中指出，盡管量子計(jì)算機(jī)會(huì)給人類帶來巨大的好處，但同時(shí)也可能會(huì)帶來風(fēng)險(xiǎn)。

比如在信息安全領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)將有能力突破目前人們保護(hù)信息時(shí)廣泛依賴的公鑰加密，這意味著數(shù)據(jù)無論現(xiàn)在多么安全，未來在量子計(jì)算機(jī)面前可能都不堪一擊。對于任何需要保護(hù)敏感信息的組織來說，這是一場災(zāi)難。

盡管各國政府和企業(yè)對量子計(jì)算機(jī)投入了大量資金，但對量子安全的投入?yún)s很少，而量子安全對于我們邁入量子時(shí)代至關(guān)重要。幸運(yùn)的是，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)目前正在對后量子密碼術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。據(jù)NIST稱，新標(biāo)準(zhǔn)將于今年年底公布。

雖然量子計(jì)算機(jī)為我們的未來描繪出了一副美好的藍(lán)圖，但伊格納西奧·西拉克明確表示，必須摒棄量子計(jì)算機(jī)投入實(shí)用指日可待的想法。他說：“我們確實(shí)已經(jīng)研制出了第一批原型機(jī)，但其規(guī)模仍然非常小，且功能并不強(qiáng)大，只是跨出了第一步。”

標(biāo)簽：量子四種方式