世界上許多知名的科技公司現(xiàn)在都在推出量子計算項(xiàng)目，多國政府也在向量子研究投入大量資金。對于尚未證明有用的系統(tǒng)，量子計算機(jī)無疑引起了很多關(guān)注。
量子計算機(jī)為密碼學(xué)和優(yōu)化問題提供了廣闊的前景，一些公司正在競相將它們用于商業(yè)用途。量子計算機(jī)能做什么和不能做什么，以及仍然存在的挑戰(zhàn)。
原因是量子計算機(jī)雖然還遠(yuǎn)未成熟，但有望最終迎來一個全新的計算時代——在解決復(fù)雜問題時，硬件不再是一個約束，這意味著一些計算將需要數(shù)年甚至數(shù)百年才能完成的經(jīng)典系統(tǒng)，現(xiàn)在可以在幾分鐘內(nèi)完成。
從模擬更高效的新材料到更準(zhǔn)確地預(yù)測股市將如何變化，對企業(yè)的影響可能是巨大的。以下是領(lǐng)先組織目前正在探索的八個量子用例，它們可能會從根本上改變整個行業(yè)的游戲規(guī)則。
1.研制新藥
新藥的發(fā)現(xiàn)部分依賴于稱為分子模擬的科學(xué)領(lǐng)域，該領(lǐng)域包括對粒子在分子內(nèi)相互作用的方式進(jìn)行建模，以嘗試創(chuàng)建一種能夠抵抗給定疾病的配置。
這些相互作用非常復(fù)雜，可以呈現(xiàn)出許多不同的形狀和形式，這意味著根據(jù)分子的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確預(yù)測分子的行為方式需要大量的計算。
手動執(zhí)行此操作是不可能的，而且問題的規(guī)模對于當(dāng)今的經(jīng)典計算機(jī)來說也太大了。事實(shí)上，預(yù)計對一個只有70個原子的分子進(jìn)行建模需要一臺經(jīng)典計算機(jī)長達(dá)130億年的計算。
這就是為什么發(fā)現(xiàn)新藥需要這么長時間的原因：科學(xué)家們大多采用試錯法，在這種方法中，他們針對目標(biāo)疾病測試數(shù)千種分子，希望最終能找到成功的匹配。
然而，量子計算機(jī)有可能在幾分鐘內(nèi)解決分子模擬問題。這些系統(tǒng)旨在能夠同時進(jìn)行許多計算，這意味著它們可以無縫模擬構(gòu)成分子的粒子之間所有最復(fù)雜的相互作用，使科學(xué)家能夠快速識別成功藥物的候選者。
這意味著目前平均需要10年才能上市的救命藥物可以設(shè)計得更快——而且成本效益更高。
制藥公司正在關(guān)注：今年早些時候，醫(yī)療保健巨頭羅氏宣布與劍橋量子計算(CQC)建立合作伙伴關(guān)系，以支持解決阿爾茨海默病的研究工作。
小公司也對這項(xiàng)技術(shù)感興趣。例如，合成生物學(xué)初創(chuàng)公司Menten AI與量子退火公司D-Wave合作，探索量子算法如何幫助設(shè)計最終可用作治療藥物的新蛋白質(zhì)。
2.制造更好的電池
從驅(qū)動汽車到存儲可再生能源，電池已經(jīng)在支持向綠色經(jīng)濟(jì)的過渡，而且它們的作用只會越來越大。但它們遠(yuǎn)非完美：它們的容量仍然有限，充電速度也有限，這意味著它們并不總是合適的選擇。
一種解決方案包括尋找具有更好性能的新材料來制造電池。這是另一個分子模擬問題——這次是對可能成為新電池材料潛在候選者的分子行為進(jìn)行建模。
因此，與藥物設(shè)計類似，電池設(shè)計是另一項(xiàng)數(shù)據(jù)繁重的工作，與經(jīng)典設(shè)備相比，它更適合量子計算機(jī)。
這就是為什么德國汽車制造商戴姆勒現(xiàn)在與IBM合作，評估量子計算機(jī)如何幫助模擬不同環(huán)境中硫分子的行為，最終目標(biāo)是制造性能更好、壽命更長、更耐用的鋰硫電池。比今天的鋰離子電池便宜。
3.預(yù)測天氣
盡管當(dāng)今尖端的超級計算機(jī)提供了大量的計算能力，但天氣預(yù)報——尤其是遠(yuǎn)程天氣預(yù)報——仍然可能令人失望地不準(zhǔn)確。這是因?yàn)樘鞖馐录赡芤詿o數(shù)種方式表現(xiàn)出來，而經(jīng)典設(shè)備無法獲取精確預(yù)測所需的所有數(shù)據(jù)。
另一方面，正如量子計算機(jī)可以同時模擬分子內(nèi)發(fā)生的所有粒子相互作用以預(yù)測其行為一樣，它們也可以模擬無數(shù)環(huán)境因素如何共同形成大風(fēng)暴、颶風(fēng)或熱浪。
而且由于量子計算機(jī)能夠同時分析幾乎所有相關(guān)數(shù)據(jù)，因此它們可能會生成比當(dāng)前天氣預(yù)報準(zhǔn)確得多的預(yù)測。這不僅有利于規(guī)劃您的下一次戶外活動：它還可以幫助政府更好地為自然災(zāi)害做準(zhǔn)備，并支持氣候變化研究。
該領(lǐng)域的研究較為安靜，但正在建立合作伙伴關(guān)系，以仔細(xì)研究量子計算機(jī)的潛力。例如，去年，歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)與IT公司Atos建立了合作伙伴關(guān)系，其中包括訪問Atos的量子計算模擬器，以探索量子計算如何影響天氣和氣候預(yù)測。
4.選股
摩根大通、高盛和富國銀行都在積極研究量子計算機(jī)在提高銀行運(yùn)營效率方面的潛力——這一用例通常被認(rèn)為可能帶來豐厚的經(jīng)濟(jì)回報。
該技術(shù)可以通過多種方式支持銀行的活動，但已經(jīng)顯示出前景的一種方式是將量子計算應(yīng)用于稱為蒙特卡羅模擬的程序。
蒙特卡羅操作包括根據(jù)相關(guān)資產(chǎn)的價格如何隨時間變化對金融資產(chǎn)進(jìn)行定價，這意味著有必要考慮不同期權(quán)、股票、貨幣和商品的固有風(fēng)險。該程序本質(zhì)上歸結(jié)為預(yù)測市場將如何演變——隨著相關(guān)數(shù)據(jù)的增加，這種練習(xí)會變得更加準(zhǔn)確。
根據(jù)高盛與量子計算公司QC Ware進(jìn)行的研究，量子計算機(jī)前所未有的計算能力可以將蒙特卡羅計算速度提高1,000倍。更有希望的消息是，高盛的量子工程師現(xiàn)在已經(jīng)調(diào)整了他們的算法，以便能夠在量子硬件上運(yùn)行蒙特卡羅模擬，這種模擬可能會在短短五年內(nèi)面世。
5.處理語言
幾十年來，研究人員一直試圖教經(jīng)典計算機(jī)如何將意義與單詞聯(lián)系起來，以嘗試?yán)斫庹麄€句子?？紤]到語言的性質(zhì)，這是一個巨大的挑戰(zhàn)，它作為一個交互式網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行：一個句子通常必須作為一個整體來解釋，而不是每個單詞含義的“總和”。這甚至是在試圖解釋諷刺、幽默或內(nèi)涵之前。
因此，即使是最先進(jìn)的自然語言處理(NLP)經(jīng)典算法仍然難以理解基本句子的含義。但研究人員正在研究量子計算機(jī)是否更適合將語言表示為網(wǎng)絡(luò)——從而以更直觀的方式處理它。
該領(lǐng)域被稱為量子自然語言處理(QNLP)，是劍橋量子計算(CQC)的重點(diǎn)。該公司已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)表明，句子可以在量子電路上參數(shù)化，其中可以根據(jù)句子的語法結(jié)構(gòu)嵌入詞義。最近，CQC發(fā)布了Lambeq，這是一個用于QNLP的軟件工具包，可以將句子轉(zhuǎn)換為量子電路。
6.幫助解決旅行推銷員問題
銷售人員會收到一份他們需要訪問的城市列表，以及每個城市之間的距離，并且必須想出一條能夠節(jié)省最多旅行時間和花費(fèi)最少錢的路線。聽起來很簡單，“旅行推銷員問題”是許多公司在嘗試優(yōu)化其供應(yīng)鏈或交付路線時面臨的問題。
隨著每個新城市添加到推銷員列表中，可能的路線數(shù)量成倍增加。在跨國公司的規(guī)模上，可能要處理數(shù)百個目的地、數(shù)千個車隊(duì)和嚴(yán)格的截止日期，問題變得太大，經(jīng)典計算機(jī)無法在任何合理的時間內(nèi)解決。
例如，能源巨頭?？松梨?ExxonMobil)一直在努力優(yōu)化穿越海洋的商船的日常航線——也就是說，超過50,000艘船只每艘載有200,000個集裝箱，運(yùn)送總價值為14萬億美元的貨物。
已經(jīng)存在一些經(jīng)典算法來應(yīng)對挑戰(zhàn)。但考慮到大量可能的探索路線，模型不可避免地不得不求助于簡化和近似。因此，?？松梨谂cIBM合作，研究量子算法是否可以做得更好。
量子計算機(jī)一次進(jìn)行多項(xiàng)計算的能力意味著它們可以串聯(lián)運(yùn)行所有不同的路線，這使它們能夠比經(jīng)典計算機(jī)更快地發(fā)現(xiàn)最佳解決方案，后者必須按順序評估每個選項(xiàng)。
?？松梨诘慕Y(jié)果似乎很有希望：模擬表明，一旦硬件得到改進(jìn)，IBM的量子算法可以提供比經(jīng)典算法更好的結(jié)果。
7.減少擁堵
優(yōu)化城市交通信號的時間，使其能夠適應(yīng)等待的車輛數(shù)量或一天中的時間，可以大大有助于順暢車輛流動和避免繁忙路口的擁堵。
這是經(jīng)典計算機(jī)難以解決的另一個問題：變量越多，系統(tǒng)在找到最佳解決方案之前必須計算的可能性就越多。但與旅行推銷員問題一樣，量子計算機(jī)可以同時評估不同的場景，更快地達(dá)到最佳結(jié)果。
微軟一直在與Toyoto Tsusho和量子計算初創(chuàng)公司Jij一起研究這個用例。研究人員已開始在模擬城市環(huán)境中開發(fā)受量子啟發(fā)的算法，目的是減少擁堵。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的最新結(jié)果，該方法可以將交通等待時間減少多達(dá)20%。
8.保護(hù)敏感數(shù)據(jù)
現(xiàn)代密碼學(xué)依賴于由算法生成的密鑰來編碼數(shù)據(jù)，這意味著只有被授予訪問密鑰的各方才能解密消息。因此，風(fēng)險是雙重的：黑客可以截獲加密密鑰來破譯數(shù)據(jù)，或者他們可以使用功能強(qiáng)大的計算機(jī)來嘗試預(yù)測算法生成的密鑰。
這是因?yàn)榻?jīng)典的安全算法是確定性的：給定的輸入將始終產(chǎn)生相同的輸出，這意味著通過適當(dāng)?shù)挠嬎隳芰?，黑客可以預(yù)測結(jié)果。
這種方法需要非常強(qiáng)大的計算機(jī)，并且不被認(rèn)為是密碼學(xué)的近期風(fēng)險。但是硬件正在改進(jìn)，安全研究人員越來越多地警告說，在未來的某個時候?qū)⑿枰踩募用苊荑€。
因此，增強(qiáng)密鑰的一種方法是使它們完全隨機(jī)且不合邏輯——換句話說，不可能用數(shù)學(xué)方法猜測。
事實(shí)證明，隨機(jī)性是量子行為的基本組成部分：例如，構(gòu)成量子處理器的粒子的行為方式完全不可預(yù)測。因此，這種行為可用于確定即使使用最強(qiáng)大的超級計算機(jī)也無法進(jìn)行逆向工程的加密密鑰。
隨機(jī)數(shù)生成是一種已經(jīng)接近商業(yè)化的量子計算應(yīng)用。例如，總部位于英國的初創(chuàng)公司Nu Quantum正在最終確定一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以測量量子粒子的行為以生成隨機(jī)數(shù)流，然后可用于構(gòu)建更強(qiáng)大的加密密鑰。
