量子與傳統(tǒng) 為量子未來(lái)做好準(zhǔn)備

量子物理學(xué)已經(jīng)改變了我們的生活。由于激光和晶體管——二者都是量子理論的產(chǎn)物——的發(fā)明，我們今天使用的幾乎每一個(gè)電子設(shè)備都是量子物理學(xué)的現(xiàn)實(shí)例子。就在我們?cè)噲D利用更多量子世界的力量之際，我們現(xiàn)在可能已處于第二次量子革命的邊緣。量子計(jì)算和量子通信能夠影響許多行業(yè)，包括醫(yī)療衛(wèi)生、能源、金融、安全以及娛樂。最近的研究預(yù)測(cè)，到2030年，量子產(chǎn)業(yè)的規(guī)模將達(dá)數(shù)十億美元。然而，我們需要克服重大的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)才能實(shí)現(xiàn)這種大規(guī)模的影響。

量子與傳統(tǒng)

雖然量子理論已有一個(gè)多世紀(jì)的歷史，但當(dāng)前的量子革命卻是基于最近的領(lǐng)悟，即：不確定性——量子粒子的基本屬性——可以成為一種強(qiáng)大的資源。在單個(gè)量子粒子的層面，比如電子或光子（光的粒子），不可能精確知道粒子在任何特定時(shí)刻的每一種屬性。比如，你車?yán)锏娜蚨ㄎ幌到y(tǒng)（GPS）可以同時(shí)告之你的位置、速度和方向，而且精確度足以讓你到達(dá)目的地?？墒橇孔覩PS不能同時(shí)精確地顯示一個(gè)電子的所有屬性，不是因?yàn)樵O(shè)計(jì)上的缺陷，而是因?yàn)榱孔游锢韺W(xué)定律不允許。在量子世界，我們必須使用概率語(yǔ)言，而不是確定性語(yǔ)言。在以0和1這種二進(jìn)制位（bits）為基礎(chǔ)的計(jì)算環(huán)境中，這意味著量子位（qubits）有可能同時(shí)是1，也有可能同時(shí)是0。

這種不精確起初令人不安。在我們?nèi)粘５膫鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)中，0和1與開關(guān)及電子電路的閉與合相關(guān)聯(lián)。從計(jì)算的角度來(lái)講，不知道它們是閉還是合就沒有太大的意義。事實(shí)上，這會(huì)導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。然而，量子信息處理背后的革命性想法是，量子的不確定性——0和1之間的模糊疊加——實(shí)際上并不是漏洞，而是一種特性。它為更強(qiáng)大的通信和數(shù)據(jù)處理方式提供了新的手段。

現(xiàn)行的量子通信與量子計(jì)算

量子理論的概率性質(zhì)造成的一個(gè)結(jié)果是，量子信息不能被精確復(fù)制。從安全角度來(lái)看，這是在改變游戲規(guī)則。企圖復(fù)制用于加密和傳輸信息的量子秘鑰的黑客會(huì)遭到挫敗，哪怕他們可以訪問量子計(jì)算機(jī)，或者擁有其他強(qiáng)大的資源。這種基本上無(wú)法破解的加密是基于物理學(xué)定律，而非今天使用的復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法。數(shù)學(xué)加密技術(shù)很容易被足夠強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)破解，而破解量子加密則需要違反物理定律。

正如量子加密根本不同于當(dāng)前基于數(shù)學(xué)復(fù)雜性的加密方法一樣，量子計(jì)算機(jī)也從根本上不同于當(dāng)前的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。兩者的差異猶如汽車與馬車。與馬車相比，汽車是基于對(duì)不同物理學(xué)定律的利用。它讓你更快到達(dá)目的地，讓你去往過去無(wú)法到達(dá)的新目的地。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)可以說也同樣如此。量子計(jì)算機(jī)利用量子物理學(xué)的概率定律來(lái)處理數(shù)據(jù)，并以一種新的方式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。它可以更快地完成某些計(jì)算任務(wù)，并且能夠執(zhí)行過去不可能完成的新任務(wù)，比如，量子隱形傳態(tài)，即：在量子粒子中進(jìn)行了編碼的信息會(huì)在某個(gè)地方消失，然后又會(huì)在另一個(gè)遙遠(yuǎn)的地方精確地（但不是瞬時(shí)）重新創(chuàng)建。雖然這聽起來(lái)像科幻故事，但這種新的數(shù)據(jù)傳輸形式很可能成為未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

量子計(jì)算機(jī)一個(gè)特別重要的應(yīng)用可能是在藥物開發(fā)和材料設(shè)計(jì)中模擬和分析分子。量子計(jì)算機(jī)格外適合這種任務(wù)，因?yàn)樗\(yùn)行所依據(jù)的量子物理學(xué)定律與它模擬的分子相同。使用量子設(shè)備來(lái)模擬量子化學(xué)可能比使用當(dāng)今最快的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)更有效率。

量子計(jì)算機(jī)還完美地適合解決復(fù)雜的優(yōu)化任務(wù)，適合對(duì)未整理的數(shù)據(jù)執(zhí)行快速搜索。這對(duì)許多應(yīng)用程序來(lái)說可能具有重大意義，從氣候、健康或財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的整理，到供應(yīng)鏈物流、勞動(dòng)力管理或交通流的優(yōu)化。

為量子未來(lái)做好準(zhǔn)備

量子競(jìng)賽已經(jīng)展開。世界各地的政府和私人投資者投入了數(shù)十億美元的資金進(jìn)行量子研究與開發(fā)。星載的量子秘鑰分配加密技術(shù)已經(jīng)得到了論證，為建立一個(gè)潛在的基于量子安全的全球通信網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。IBM、谷歌、微軟、亞馬遜及其他企業(yè)正大力投資開發(fā)大型的量子計(jì)算硬件和軟件。尚沒有人實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。雖然小型量子計(jì)算機(jī)如今已投入運(yùn)行，但是擴(kuò)展這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)主要障礙是處理誤差的問題。與二進(jìn)制位相比，量子位脆弱得難以置信。來(lái)自外部世界哪怕是最輕微的干擾就足以破壞量子信息。這就是為何目前的多數(shù)機(jī)器需要在隔離的環(huán)境中小心保護(hù)，其運(yùn)行溫度須遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于外太空的溫度。雖然一個(gè)進(jìn)行量子誤差糾正的理論框架已經(jīng)開發(fā)出來(lái)，但是以節(jié)能和節(jié)約資源的方式付諸實(shí)施又帶來(lái)了重大的工程挑戰(zhàn)。

考慮到這個(gè)領(lǐng)域的現(xiàn)狀，目前尚不清楚量子計(jì)算的全部能力何時(shí)或是否可以實(shí)現(xiàn)。即便如此，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)也應(yīng)該考慮制定策略來(lái)應(yīng)對(duì)三個(gè)主要領(lǐng)域的問題：

制定量子安全規(guī)劃。目前的數(shù)據(jù)加密協(xié)議不僅對(duì)未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)而言很脆弱，對(duì)更強(qiáng)大的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)而言也很脆弱。新的加密標(biāo)準(zhǔn)（無(wú)論是傳統(tǒng)的還是量子的）不可避免。轉(zhuǎn)變到量子安全架構(gòu)及數(shù)據(jù)安全配套基礎(chǔ)設(shè)施需要規(guī)劃、資源和量子專業(yè)知識(shí)。即使量子計(jì)算機(jī)可能距離我們還有10年的時(shí)間，等到那時(shí)再來(lái)適應(yīng)就為時(shí)已晚。開啟這一過程的時(shí)間就是現(xiàn)在。

確定用例。沒有人曾預(yù)見到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)會(huì)以無(wú)數(shù)方式影響我們生活的每一方面。預(yù)測(cè)量子應(yīng)用同樣具有挑戰(zhàn)性。這就是為何為了充分挖掘量子計(jì)算的潛力，衛(wèi)生、金融或能源等不同行業(yè)的企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)及專家必須與量子研究人員和硬件/軟件工程師建立聯(lián)系的原因。這將促進(jìn)特定行業(yè)量子解決方案的開發(fā)，這些解決方案是根據(jù)現(xiàn)有的量子技術(shù)或未來(lái)可大規(guī)模推廣的量子計(jì)算而量身定制的?？鐚W(xué)科的專業(yè)知識(shí)和培訓(xùn)對(duì)于量子應(yīng)用商店的建立和發(fā)展至關(guān)重要。

充分考慮負(fù)責(zé)任的設(shè)計(jì)。誰(shuí)將開發(fā)并可以使用量子技術(shù)，用戶將如何與之接觸？人工智能（AI）和區(qū)塊鏈的影響已經(jīng)表明，有必要考慮新技術(shù)的社會(huì)、倫理和環(huán)境影響?，F(xiàn)在是量子產(chǎn)業(yè)的初期階段，這為我們提供了一個(gè)難得的機(jī)會(huì)，從一開始就植入包容的做法，為量子計(jì)算制定一個(gè)負(fù)責(zé)任且可持續(xù)的路線圖。

量子技術(shù)領(lǐng)域在過去5年中的快速發(fā)展令人振奮?？墒牵磥?lái)仍不可預(yù)知。幸運(yùn)的是，量子理論告訴我們，不可預(yù)測(cè)性不一定是壞事。事實(shí)上，兩個(gè)量子位可以以某種方式鎖定在一起，這樣，單個(gè)而言，它們?nèi)耘f不確定，但結(jié)合在一起，它們完全同步——兩個(gè)量子位要么都是0，要么都是1。這種聯(lián)合起來(lái)具有的確定性與獨(dú)自具有的不可預(yù)測(cè)性相結(jié)合——人稱量子糾纏的現(xiàn)象——是推動(dòng)許多量子計(jì)算算法的強(qiáng)大刺激因素?；蛟S這也為如何建立量子產(chǎn)業(yè)提供了借鑒。通過負(fù)責(zé)任的規(guī)劃，同時(shí)也接受未來(lái)的不確定性，企業(yè)可以提高它們?yōu)榱孔游磥?lái)做好準(zhǔn)備的幾率。

舒希尼·高斯（Shohini Ghose） | 文

舒希尼·高斯是一位量子物理學(xué)家，勞里埃大學(xué)的物理學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)教授。她是加拿大物理學(xué)家協(xié)會(huì)的主席，TED高級(jí)研究員，勞里埃女性科學(xué)家中心（Laurier Centre for Womenin Science）的創(chuàng)始主任。

責(zé)任編輯：PSY