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      2. 八個事例看量子計算機將如何改變世界

        2022-01-04 13:05:39 來源:EETOP
        世界上許多知名的科技公司現在都在推出量子計算項目,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,量子計算機無疑引起了很多關注。

        量子計算機為密碼學和優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用途。量子計算機能做什么和不能做什么,以及仍然存在的挑戰。

        原因是量子計算機雖然還遠未成熟,但有望最終迎來一個全新的計算時代——在解決復雜問題時,硬件不再是一個約束,這意味著一些計算將需要數年甚至數百年才能完成的經典系統,現在可以在幾分鐘內完成。

        從模擬更高效的新材料到更準確地預測股市將如何變化,對企業的影響可能是巨大的。以下是領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的游戲規則。 

         

        1. 研制新藥 

        新藥的發現部分依賴于稱為分子模擬的科學領域,該領域包括對粒子在分子內相互作用的方式進行建模,以嘗試創建一種能夠抵抗給定疾病的配置。

        這些相互作用非常復雜,可以呈現出許多不同的形狀和形式,這意味著根據分子的結構準確預測分子的行為方式需要大量的計算。

        手動執行此操作是不可能的,而且問題的規模對于當今的經典計算機來說也太大了。事實上,預計 對一個只有 70 個原子的分子進行建模需要一臺經典計算機長達 130 億年的計算。

        這就是為什么發現新藥需要這么長時間的原因:科學家們大多采用試錯法,在這種方法中,他們針對目標疾病測試數千種分子,希望最終能找到成功的匹配。

        然而,量子計算機有可能在幾分鐘內解決分子模擬問題。這些系統旨在能夠同時進行許多計算,這意味著它們可以無縫模擬構成分子的粒子之間所有最復雜的相互作用,使科學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計得更快——而且成本效益更高。

        制藥公司正在關注:今年早些時候,醫療保健巨頭羅氏宣布與劍橋量子計算(CQC) 建立合作伙伴關系,以 支持解決阿爾茨海默病的研究工作。

        小公司也對這項技術感興趣。例如,合成生物學初創公司Menten AI 與量子退火公司 D-Wave 合作 ,探索量子算法如何幫助設計最終可用作治療藥物的新蛋白質。

        2. 制造更好的電池 

        從驅動汽車到存儲可再生能源,電池已經在支持向綠色經濟的過渡,而且它們的作用只會越來越大。但它們遠非完美: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行建模。

        因此,與藥物設計類似,電池設計是另一項數據繁重的工作,與經典設備相比,它更適合量子計算機。 

        這就是為什么德國汽車制造商戴姆勒 現在與 IBM 合作, 評估量子計算機如何幫助模擬不同環境中硫分子的行為,最終目標是制造性能更好、壽命更長、更耐用的鋰硫電池。比今天的鋰離子電池便宜。

        3. 預測天氣 

        盡管當今尖端的超級計算機提供了大量的計算能力,但天氣預報——尤其是遠程天氣預報——仍然可能令人失望地不準確。這是因為天氣事件可能以無數種方式表現出來,而經典設備無法獲取精確預測所需的所有數據。 

        另一方面,正如量子計算機可以同時模擬分子內發生的所有粒子相互作用以預測其行為一樣,它們也可以模擬無數環境因素如何共同形成大風暴、颶風或熱浪。 

        而且由于量子計算機能夠同時分析幾乎所有相關數據,因此它們可能會生成比當前天氣預報準確得多的預測。這不僅有利于規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害做準備,并支持氣候變化研究。 

        該領域的研究較為安靜,但正在建立合作伙伴關系,以仔細研究量子計算機的潛力。例如,去年,歐洲中期天氣預報中心(ECMWF) 與IT 公司 Atos 建立了合作伙伴關系 ,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在提高銀行運營效率方面的潛力——這一用例通常被認為可能帶來豐厚的經濟回報。

        該技術可以通過多種方式支持銀行的活動,但已經顯示出前景的一種方式是將量子計算應用于稱為蒙特卡羅模擬的程序。

        蒙特卡羅操作包括根據相關資產的價格如何隨時間變化對金融資產進行定價,這意味著有必要考慮不同期權、股票、貨幣和商品的固有風險。該程序本質上歸結為預測市場將如何演變——隨著相關數據的增加,這種練習會變得更加準確。 

        根據高盛與量子計算公司QC Ware 進行的研究,量子計算機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 現在已經調整了他們的算法 ,以便能夠在量子硬件上運行蒙特卡羅模擬,這種模擬可能會在短短五年內面世。

        5. 處理語言 

        幾十年來,研究人員一直試圖教經典計算機如何將意義與單詞聯系起來,以嘗試理解整個句子??紤]到語言的性質,這是一個巨大的挑戰,它作為一個交互式網絡運行: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、幽默或內涵之前。 

        因此,即使是最先進的自然語言處理(NLP) 經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是否更適合將語言表示為網絡——從而以更直觀的方式處理它。

        該領域被稱為量子自然語言處理(QNLP),是劍橋量子計算(CQC) 的重點。該公司 已經通過實驗表明,句子可以在量子電路上參數化,其中可以根據句子的語法結構嵌入詞義。最近,CQC發布了 Lambeq,這是一個用于 QNLP 的軟件工具包,可以將句子轉換為量子電路。 

        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省最多旅行時間和花費最少錢的路線。聽起來很簡單,“旅行推銷員問題”是許多公司在嘗試優化其供應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,可能的路線數量成倍增加。在跨國公司的規模上,可能要處理數百個目的地、數千個車隊和嚴格的截止日期,問題變得太大,經典計算機無法在任何合理的時間內解決。

        例如,能源巨頭??松梨?ExxonMobil) 一直在努力優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,運送總價值為 14 萬億美元的貨物。

        已經存在一些經典算法來應對挑戰。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。 

        量子計算機一次進行多項計算的能力意味著它們可以串聯運行所有不同的路線,這使它們能夠比經典計算機更快地發現最佳解決方案,后者必須按順序評估每個選項。

        ??松梨诘慕Y果似乎很有希望:模擬表明,一旦硬件得到改進,IBM的量子算法可以提供比經典算法更好的結果。

        7. 減少擁堵  

        優化城市交通信號的時間,使其能夠適應等待的車輛數量或一天中的時間,可以大大有助于順暢車輛流動和避免繁忙路口的擁堵。 

        這是經典計算機難以解決的另一個問題:變量越多,系統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,量子計算機可以同時評估不同的場景,更快地達到最佳結果。

        微軟一直在與Toyoto Tsusho 和量子計算初創公司Jij 一起研究這個用例。研究人員已開始在模擬城市環境中開發受量子啟發的算法,目的是減少擁堵。根據實驗的最新結果, 該方法可以將交通等待時間減少多達 20%。 

        8. 保護敏感數據  

        現代密碼學依賴于由算法生成的密鑰來編碼數據,這意味著只有被授予訪問密鑰的各方才能解密消息。因此,風險是雙重的:黑客可以截獲加密密鑰來破譯數據,或者他們可以使用功能強大的計算機來嘗試預測算法生成的密鑰。 

        這是因為經典的安全算法是確定性的:給定的輸入將始終產生相同的輸出,這意味著通過適當的計算能力,黑客可以預測結果。

        這種方法需要非常強大的計算機,并且不被認為是密碼學的近期風險。但是硬件正在改進,安全研究人員越來越多地警告說,在未來的某個時候將需要更安全的加密密鑰。 

        因此,增強密鑰的一種方法是使它們完全隨機且不合邏輯——換句話說,不可能用數學方法猜測。 

        事實證明,隨機性是量子行為的基本組成部分:例如,構成量子處理器的粒子的行為方式完全不可預測。因此,這種行為可用于確定即使使用最強大的超級計算機也無法進行逆向工程的加密密鑰。

        隨機數生成是一種已經接近商業化的量子計算應用。例如,總部位于英國的初創公司Nu Quantum 正在最終確定一個系統,該系統可以測量量子粒子的行為 以生成隨機數流,然后可用于構建更強大的加密密鑰。 

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