（干货必读）世界经济论坛：量子计算18问！

光子盒研究院出品

世界经济论坛（WEF）全球未来理事会（Global Future Council）发布了一份《关于量子计算的常见问题解答》的报告，详细描述了量子计算最常被问到的问题。这份报告为不熟悉这项技术或其用途的受众提供了答案。

1、量子计算机为何与众不同？

上世纪二三十年代，爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔等世界著名物理学家在量子物理理论的发展上取得了重大进展。特别是发现了叠加、纠缠和隧穿等新的量子物理现象，这些现象在量子计算中得到了广泛应用。

现在的经典计算机，完全没有用到叠加和纠缠的原理。隧穿技术在闪存中有部分应用，但也只是刚刚起步。

经典计算的原理（在半导体的某些领域是例外）都是基于19世纪早期的基本数学和物理学的发现，例如布尔逻辑、欧姆定律、麦克斯韦方程组等。

叠加、纠缠和隧穿等新的量子物理现象为研究人员提供了新的工具，来创建全新的计算机算法，能比经典方法更有效地解决某些问题。经典计算已经取得了成功，它使用数字1和0来表示物理世界中的符号，但真实的物理世界本质上是模拟的。量子计算机使用量子力学原理对量子过程进行建模。

1982年，著名物理学家费曼这样说到：“自然不是经典的，如果你想对自然进行模拟，则最好把它变成量子力学，这是一个好问题，因为它看起来并不容易。”

2、什么是量子比特？

量子计算机将信息存储在量子比特中。量子比特是存储信息的物理结构，就像经典的计算机比特，但量子比特利用了重叠和纠缠的现象。

一个经典比特在任何时候都处于0或1状态，但量子比特可以处于叠加状态，即它可以同时处于0或1状态的线性组合。除此之外，量子比特可以纠缠在一起，如果改变一个量子比特的状态，会瞬间改变另一个纠缠在一起的量子比特的状态。即使这些量子比特距离原始量子比特非常遥远。

量子算法的主要目标是使用各种技术对量子比特的进行操纵，以极高的概率将量子比特的量子态塑造成我们想要的样子。

在对计算结果进行测量后，量子比特状态将变为经典的0或1的状态，并且将不再表现出叠加或纠缠的特性。结果显示经典比特数与计算中使用的量子比特数相同。

正如费曼所预言的那样，利用纠缠和叠加现象的量子计算机可以短时间解决量子化学和相关领域问题。这些问题是传统计算机所无法解决的，无论花费多少时间、精力或资源。但是在量子科学领域之外，Shor的因式分解算法从抽象数论的角度提出了一个解决方案，这成了我们每天依赖的互联网安全系统的基础。

3、为什么量子计算如此困难？

处于叠加状态的量子比特非常脆弱，如果有任何外部干扰，它们很容易坍缩为简单的0或1状态。为了尽量减少这种情况，目前的量子计算机要尽可能地隔离量子比特，将它们放入真空中，并冷却到接近绝对零度的温度，利用隔振平台将运动减至最小，安装磁屏蔽，将其与杂散磁场和电磁场隔离开来。

即使采用了所有这些特殊的方法，目前的设备只能将处于叠加状态的量子比特的寿命维持几微秒或几毫秒。相比之下，只要不断电，一个经典比特可以在0或1状态下保持数百万年而不会出错。

量子计算中领域的研究人员在寻找获得更好的量子比特质量的方法，这样就可以实现更少的错误和更长的时间。

幸运的是，可以从许多有干扰的物理量子位中制造出有效的无干扰或逻辑量子位，但目前需要为每个逻辑量子位创建数千个物理量子位。

4、量子计算对什么应用有好处？

最直接的应用是将量子计算用于量子化学，包括材料设计、药物发现和化学反应。原理很简单，化学反应受量子力学原理的控制，对其进行模拟的最佳方法就是使用量子计算机建模。

虽然经典的计算机可以近似地模拟非常小的分子，但随着分子中原子的数量和大小的增加，需要涵盖和跟踪的不同力的数量呈指数级增长。因此，对于任何大小合适的分子，在合理的时间内完成计算就变得很困难。你将会遇到超过恒星发射能量、宇宙中原子数或宇宙大爆炸后的时间秒数等这样超级巨大的天文数字。

因此，等待传统技术改进是不现实的，需要打破固有路径，另辟蹊径。经典计算开发了一些算法来模拟量子特性，但这些近似模型的表现并不好。

其他重要的应用包括优化、金融建模和量子机器学习。当然，经典计算也在为解决这些问题不懈努力。虽然人们为这些问题投入了大量的精力，试图用量子计算的方法来解决，但也不排除一个聪明的毕业生凭借新的传统技术就把它解决了。

5、什么技术被用来制造量子计算机？

科学家们正在研发很多技术来创造量子比特和量子计算机，包括超导、退火、离子阱、光子学、量子点、拓扑量子位、冷原子等。目前还没有人敢下结论这些技术中哪一种会胜出并成为主流。根据具体的应用需求，一些与众不同的技术可能变得很常见，其中一些技术使用了半导体制造技术以充分利用现有的供应商工具和制造设施，其他公司则利用光子学产业的技术来开发计算机。

虽然我们希望这种快速发展的势头能保持下去，但我们并不认为这种发展会走上一条直线的快车道。因为总会有新的技术出现，显示出其独有的优势并弥补其他技术的局限性。

6、量子计算机会完全取代今天的经典计算机吗？

不会，量子计算机将一直被用作经典计算机的协处理器，而不是取代经典计算机。虽然量子计算机最终可能取代一些高性能的经典计算机，但仍有许多不适合的任务，例如阅读电子邮件、使用运行网站、维护金融交易数据库、浏览互联网、计算银行余额，以及当前计算机执行的多数其他任务。此外，在经典世界中，我们认为理所当然的许多事物（例如用于长期存储的磁盘驱动器）都无法与量子等同。同样，量子计算机的概率性质在某些应用中可能是个问题，因为量子计算机的物理性质并不是确定性的。

7、我是否能够购买量子计算机并将其安装在办公室或家里，甚至像智能手机一样放在口袋里？

我们可能要很长时间才能看到这种情况发生，需要几十年甚至几百年的时间才能达到足够的经济性或可靠性。除了某些需要处理高度机密数据并具备足够条件的机构，我们预计大多数量子计算的访问将通过云进行。建造量子计算机需要巨大成本，制造商出于维护、校准、备件和其他运输物流方面的考虑，倾向于将量子计算机放置在其设施内，并希望量子计算机放在大型经典计算设备的附件，以支持混合的经典、量子算法，在两种类型的计算机上处理不同部分的算法。

8、我们需要做些什么才能看到有用的量子计算机？

那些试图建造量子计算机的人不得不做出选择，要么专注于建造一个大型的、容错的、通用的量子计算机，要么投入资源建造一个更小、干扰更大的量子计算机。在制造NISQ（嘈杂中型量子）设备方面已经取得了一些成功，但是目前还没有NISQ应用程序优于在经典计算机上运行的NISQ应用程序。另一方面，一台功能强大的容错机器可以在不被干扰和错误淹没的情况下实现数十亿次门操作，从而解决现实世界的问题。

9、如果量子计算机如此强大，它会不会是一个耗电大户，需要大量的电力，并伴随着对环境的影响？

不会。从总的电能利用率来看，情况恰恰相反。由于量子计算的基本原理使其能够成倍地扩展，因此它们仅用当今超级计算机能力的小部分就能解决大问题。用于构建它们的超导、光子及其他技术所消耗的功率比当今经典计算机中使用的晶体管要少得多。此外，量子计算机将为其他对环境产生负面影响的问题提供解决方案，包括找到一种有效的固碳方法、最大限度地减少氮基肥料生产中的能源消耗、优化城市交通流，以尽量减少交通堵塞和汽车燃料浪费。

10、你预测量子计算机的时间线是什么？何时才能看到它们的普遍使用？

实验量子计算机已经上市，有些已经公开发售。这些量子计算机的主要目标是帮助最终用户学习并熟悉使用机器和量子算法。量子计算机编程与经典计算机编程有很大不同，人们不能简单地将当前在经典计算机上运行的算法移植到量子计算机上。许多组织已经开始研究如何将量子计算机应用到他们面临的问题中。他们开始开发POC（概念验证）案例，以展示他们如何使用这种计算机。我们预计，未来几年内，许多POC将增长，一些POC将在未来2-5年内投入生产使用。在那之后，更多的产品使用场景将出现，直到我们在5-10年的时间内看到所谓的普及使用。

11、量子计算机可以用来帮助找到解决当前冠状病毒问题的方法吗？

虽然量子计算机在未来将变得有用，帮助我们比以前更快地找到新的疫苗和药物，但我们不太可能使用量子计算机来解决今天的问题。量子计算技术仍处于早期阶段，许多科学家仍在学习如何最好地利用它。我们希望在未来1-2年内用经典技术解决冠状病毒的问题，这么短的时间量子计算难以做出有意义的贡献。未来几年，冠状病毒的情况可以作为一个案例研究来帮助我们开发技术，利用量子计算来帮助解决下一次可能发生的大流行。

12、最近读到谷歌开发了一款量子计算机，它已经实现了量子霸权。你能解释一下那是什么意思吗？

谷歌成功地完成了一项实验，用他们的量子计算机找到一个非常具体问题的解决方案，比在经典超级计算机上得到的解决方案要快得多。值得注意的是，这个被称为随机量子电路基准测试的问题是专门为这个实验而选择的，但它对我们在现实世界中可能看到的问题适用性很小。有人可能称“量子霸权”一词是用词不当，因为实现这一里程碑并不意味着量子计算机比经典计算机在所有问题上都更好。尽管如此，这是一个重大的成就，帮助谷歌的工程团队开发了一个更好的量子芯片。

13、我听说可以在互联网上破解量子密码。所有的网络安全都会受到威胁吗？

1995年，一位名叫Peter Shor的研究人员开发了一种理论算法，该算法可以分解较大的半素数。该算法可能潜在地用于查找互联网上使用的公共密钥加密算法（例如RSA或Diffie-Hellman）中使用的密钥，但这需要包含数百万个量子比特的超大型量子计算机。当前，门级计算机可用53量子比特，而量子退火计算机可用2048量子比特，它们太小且太不可靠，无法实现Shor或其他分解算法。量子计算机的能力正在迅速增长，业内专家预计，至少还需要10年的时间，拥有大量量子比特的量子计算机才能运行这一算法，打破我们今天的公钥加密。

14、十年的时间并不遥远，有人在做什么吗？

对。人们有两种不同的方法来开发解决。第一种方法是利用量子力学原理创建一个量子互联网，利用光子在两点之间进行通信，光子是光所组成的基本量子粒子。通过将量子力学的基本结果运用到称为“无克隆定理”的信息论中，可以保证有人能够在未经检测的情况下窃听量子互联网链接。这些网络被称为QKD（量子密钥分配）网络，在美国、中国和欧洲，已经有许多这样的网络在运行。第二种方法是由美国国家标准技术研究所和其他机构调查的软件方法。它使用不同的软件算法来加密不依赖于大的半素数因式分解的数据。目前有几十种不同的算法正在研究中，以取代目前的算法。研究人员正在进行深入的研究，以选择那些无法被经典计算机或量子计算机破解但仍能有效用于日常使用的算法。虽然目前有几种强大的候选算法，但我们预计在未来2-3年内会公布最终推荐的算法。

15、所以我没什么好担心的，因为我们很快就会有替代技术了，对吧？

不完全是。首先，我们估计，在未来10-20年内，将有超过200亿的数字设备需要升级或更换，才能使用新形式的抗量子加密通信。这将需要大量的努力，类似于20年前计算机行业的千年虫问题。我们确实建议机构现在就开始计划，因为我们的数字通信基础设施的转换需要数年才能完成。此外，对于具有高数据价值和高保存期特征的某些类型的数据，存在一种称为“现在获取，稍后解密”的攻击。某些攻击者当前可能正在截获加密数据传输并将其存储在硬盘上以供以后使用。虽然加密数据在今天可能没有任何价值，但10年或20年后，当攻击者能够访问一台强大的量子计算机时，它可能仍然会引起人们的兴趣。我们将在以后的博客文章中对此进行更详细的讨论。

16、如果我们设法在未来20年内保持摩尔定律不变，那么就不需要量子计算机了吗？

有些量子计算机能够解决的问题是完全不可能解决的，即使明天星系中所有的硅都变成了普通的经典计算机。量子计算机能够以不同的方式进行计算，并且计算能力成倍增加。它们不仅是经典计算机的加速版本，而且还包括传统计算机的扩展版本。他们在本质上不同。

17、区块链和加密货币会受到此影响吗？

是的，问题与上述数据传输非常相似。一些新的区块链和加密货币协议已经被开发出来，它们被认为是抗量子的。此外，还需要对比特币、以太坊等进行更新，这样当加密代币从一方传送到另一方时，这些货币不会落入坏人手中。

18、底线是什么？我们应该如何思考量子计算将如何影响社会？

我们相信量子计算技术的发展将遵循阿玛拉定律，该定律指出：“我们倾向于高估一项技术在短期内的效果，而低估长期的效果。”因此，尽管大众媒体上有很多关于量子计算将如何改变一切的讨论，但我们还是谨慎行事人们不要形成不切实际的期望。虽然量子计算将有助于在计算能力方面取得重大进展，但它仍处于早期阶段，需要几十年才能完全实现。但最终，它将对改善世界状况产生重大影响。

原文链接：

http://www3.weforum.org/docs/WEF_Global_Future_Council_on_Quantum_Computing.pdf（英文）

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。