量子技術日漸熱門，它的重要性、優勢、安全風險以及顛覆性潛力你了解嗎？

“量子”這一術語是一個總稱，指的是利用量子力學在計算、通信、傳感、制藥、化學和材料研究等既定領域開發全新能力的新興技術和應用。

從字面意義上說，“量子”一詞是指使用量子力學描述的物理系統中的最小單位或實體。而物理學家之所以對量子世界有著單獨的力學公式，是因為在非常非常小的粒子的尺度上，經典物理學的規則不一定適用。

物理學家觀察到了很多無法用經典物理學解釋的奇怪行為，包括量子干涉和糾纏等，它們允許相距甚遠的粒子相互連接。

量子的承諾是什么？為什么它如此重要？

量子的承諾是通過利用物質的這些量子力學特性來超越經典物理學的界限。根據具體情況，可以提供全新的信息處理方式，這些方式有可能更快、更節省資源。

例如，量子計算將使人們能夠計算以前從未計算過的東西，例如蛋白質的形成或預測金融系統的復雜行為。

量子的顛覆性潛力在哪里？

量子在很多領域都可能具有顛覆性。例如：

優化：量子計算機可能能夠更快地解決硬優化問題，甚至能夠解決當今完全無法解決的問題（就所需的傳統計算資源而言）。

制藥/化學研究和建模：量子模擬可以幫助人們了解分子和蛋白質是如何形成的，并在化學和生物學、藥物發現和醫療保健方面取得突破。

網絡安全：強大的量子計算機可能會破壞現有的依賴大數分解的加密協議，例如基于RSA的加密協議。目前，沒有經典的計算機或算法可以在合理的時間內完成此操作，因此人們有機會開發全新類型的加密來確保信息安全。

量子計算有什么好處？與這項技術相關的風險有哪些？

量子計算保證了處理能力的效率。更快地處理信息的能力為推動基礎研究、優化、信息技術和制藥等領域的發展提供了可能，這些領域的發展超出了人們在使用傳統計算機時的想象。

量子計算存在預期的安全風險。在理論上，大型量子計算機可以破解NSA加密。目前一個巨大的突出挑戰是創建對經典計算機和量子計算機都安全的安全協議。

而在意料之外的風險是，對于功能更強大的計算機，有許多尚未想象的應用程序。量子計算機的優勢在于處理可能對個人隱私產生影響的大數據。

例如，美國大約1%的能源消耗用于生產化肥，而這一過程效率低下，而采用量子力學可以模擬復雜的化學反應。量子計算機可用于模擬生物/化學過程，例如固氮酶中的固氮過程，從而提高生產效率，并帶來更環保的方法。

需要哪些技術進步才能將量子計算從小眾帶入主流？

目前，人們從根本上受到量子系統隨時間推移的穩定性以及準確控制它們能力的限制。量子系統對其環境的獨特敏感性使它們在計算方面如此強大，但這也使它們很難以很高的精度控制。正因為如此，目前的量子計算機非常小（只有幾十個量子比特或量子比特——傳統計算機有數億比特），可以用這些較小的量子系統執行的計算通常是不準確的。

要將量子計算從其小眾應用帶入主流，需要學習如何更好地將量子系統與其環境隔離，同時如何以更高的精度控制它們。需要減少在量子計算中觀察到的錯誤，然后將量子系統擴展到數億個量子比特。

如何才能克服這些挑戰？

人們需要通過量子計算硬件和軟件的創新來克服量子計算中的誤差問題。需要更多的研究來了解量子系統中發生的錯誤過程以及如何構建對這些錯誤更具彈性的硬件。與此同時，隨著如今達到芯片制造能力的物理極限，需要改進軟件以及如何實現某些算法。