量子计算已经到来，我们需要为其影响做好准备

自20世纪60年代电子计算器问世以来，计算领域经历了巨大的突破。尤其是在信息处理领域，近年来发生了革命性的变化。科技让曾经被认为是科幻的梦想变成了现实。我们的设备变得更小、更多功能，经典计算的速度和能力也大幅提升。我们现在正进入一个被称为量子计算的数据新时代，它与经典计算不同。量子计算预计将通过影响人工智能和数据分析领域，加速我们迈向未来。量子计算的速度和能力将使我们能够解决人类面临的一些最困难的问题。

什么是量子计算？

量子计算与神秘的亚原子物理学领域有关，其计算基于原子层面的不确定状态。量子计算借鉴了量子物理学的一个基本概念，称为“叠加态”，这意味着单个实体可以同时处于多个状态。Gartner 将量子计算定义为“利用原子量子态进行计算”。量子比特（qubits）可以同时存储所有可能的状态，即使在物理上隔离时，存储在一个量子比特中的信息也可以影响存储在另一个量子比特中的数据。这种现象被称为量子纠缠。简单来说，量子计算机使用量子比特进行数字通信，而不是传统的二进制比特（0和1）。由于原子是可以同时存在于0和1状态的物理系统，因此在量子计算机中使用。

量子计算的最新进展

近年来，量子研究中的科学发现特别具有革命性，导致计算机速度更快、精度更高。曾经被认为是科幻的幻想已被技术现实所取代。

最近，牛津大学的一组研究人员实现了首次在两个不同的量子处理器之间无线传输量子算法。利用其独特的性质，这两个核心结合起来创造了一台强大的计算机，可以解决单独无法处理的问题。通过使用量子纠缠，牛津的研究人员几乎可以瞬间在计算机之间传输基本数据。

此外，最近的进展使得量子计算变得越来越可行，使其更容易构建并更有效地扩展。量子计算的两种主要方法是门模型和量子退火。利用退火系统的可行量子解决方案已经在使用中。而门模型可能比最初预计的更快到来。仅在过去一年中，退火和门模型都取得了一些非常令人印象深刻的突破：

Microsoft 最近加快了实现大规模量子计算的时间表。其新的 Majorana 1 处理器使用相互对立的粒子。Microsoft 使用依赖于许多电子同步移动的方法，就像它们是单个粒子一样。该方法将使量子比特能够快速扩展以用于实际应用。其范围巨大：一个芯片的性能可能超过当前所有计算机的总和。

Google 公布了其量子计算战略，并推出了其最新的量子芯片 Willow，具有显著的纠错增强功能。Willow 可以使用更多的量子比特来扩展和减少错误。Google 称这一发展为突破，将提高量子系统的可靠性。过去十年，Google 一直在开发量子芯片。根据公司说法，其最新的 Willow 芯片速度如此之快，以至于可以在不到五分钟内完成一个计算，而今天的顶级超级计算机，如田纳西州的 Frontier 超级计算机，需要10万亿年才能完成。

日本工程师启动了历史上首个混合量子超级计算机 Reimei。20量子比特的量子机器已被集成到世界第六快的超级计算机 Fugaku 中。混合计算机使用了 Quantinuum 的架构。

为了开发容错量子计算机，Intel 正在采取措施构建可扩展的基于硅的量子处理器，这为基于硅的量子处理器的大规模生产和进一步扩展铺平了道路。Intel 的最新工作集中在量子计算发展的三个关键领域：大规模测试、可重复性和量子比特密度。公司生产的硅自旋量子比特比超导和囚禁离子版本更小、更密集。

IBM 最近创建了“IBM Quantum System Two”，以其量子数据中心而闻名。IBM 引入的模块化量子计算机技术使得量子计算的能力更容易扩展和扩展。IBM 对其量子系统进行了重大硬件和软件改进；科学家们表示，公司最新的量子计算机现在足够强大，可以用于实际的科学研究。IBM 最新的156量子比特量子芯片运行速度比其早期版本快50倍。

D-Wave Quantum 的新4400+量子比特 Advantage2TM 处理器的成功校准和基准测试标志着量子计算的重大突破。第六代系统在性能上优于其现有的 AdvantageTM 系统，能够以25,000倍的速度解决问题，并为高精度工作提供五倍更好的结果。处理器在优化、人工智能和材料科学应用中表现出色，在99%的可满足性问题测试中优于现有系统。

Quantinuum 最近推出了业内首个囚禁离子56量子比特量子计算机。去年早些时候，Quantinuum 的 H 系列实现了一个重要的里程碑，使容错成为可能，成为首个在生产设备中实现“三个9”——99.9%——的双量子比特门保真度的设备。该发展为推进量子算法在工业用例，特别是金融用例中的应用提供了高保真度。

中小型公司也在量子突破中取得进展。

Quantum Computing Inc. 运营着一家全栈量子解决方案业务，以加速量子信息处理硬件系统的交付，这些系统提供分析和网络安全性能优势。量子光子计算的优势在于它是可操作的，并且可以在室温下进行，因为粒子更稳定。QCI 最近宣布他们正在大规模构建自己的光子量子计算芯片。

Rigetti Computing 通过“Forest”平台提供对其量子计算系统的云访问，并创建超导量子比特处理器。Forest 旨在使使用量子处理器的程序能够为传统软件提供新功能，类似于计算机可能拥有图形卡的方式。根据 Rigetti 的说法，这种混合架构对于使技术可行至关重要。程序员可以在平台上创建量子算法，以模拟36量子比特量子设备。

IonQ 为囚禁离子量子技术创建软件和计算机。IonQ 的量子比特是银色稀土元素镱的离子化原子。在宇宙中，每个镱原子都与其他镱原子相同。它们可以在某个稳定的量子态中创建，并在那里保持较长时间。

量子技术的未来

早在2022年，我有幸在由《经济学人》编辑举办的“商业化量子”会议上发言，该会议重点讨论企业如何为现代世界做好准备。我的信息是，我们应该准备好投资，以确保量子能力在国家安全和经济发展方面的发展。

许多人现在相信，量子计算的能力和速度将使我们能够解决我们文明面临的一些最大和最困难的问题。量子计算的前所未有的处理速度和预测分析将使问题解决成为可能。这是一个显著的短期潜力。麦肯锡公司预测，到2035年，量子技术可能在市场上创造高达2万亿美元的经济价值。

量子测量和传感是量子技术已经出现的一个领域。导航设备和磁共振成像（MRI）已经在使用它。量子传感器使用最小量的物质和能量来检测和量化时间、重力、温度、压力、旋转、加速度、频率以及磁场和电场的微小变化。

量子将对许多科学领域产生直接影响，包括生物学、化学、物理学和数学。行业应用将影响广泛的领域，包括医疗保健、银行、通信、商业、网络安全、能源和太空探索。换句话说，任何数据是组成部分的行业。更具体地说，量子技术在材料科学、激光、生物技术、通信、基因测序和实时数据分析等领域具有令人难以置信的潜力。预计量子计算还将通过影响元宇宙和人工智能领域来加速未来。

量子网络安全

量子计算的成功与量子霸权一致，也可能带来风险。美国和其他国家担心黑客现在正在窃取数据，以便在十年内被量子计算机破解。使得能够快速解码或解决复杂问题的相同处理能力也可以用来破坏网络安全。这直接威胁到金融系统和其他重要基础设施。传统计算机需要十亿年才能破解今天的RSA-2048标准加密。如果你有一个功能齐全的量子计算机，理论上可以在不到两分钟内破解。

量子研究人员称之为Q-Day的事件是指大规模量子计算机可以使用Shor算法破解所有使用整数分解（和其他）密码学的公钥系统。

我们正处于量子计算新时代的崭新道路上。它比我们想象的更快地以各种形式到来。量子技术将不可避免地与人工智能结合。这种融合的影响将是变革性的。由于量子技术的潜在颠覆性，我们现在必须为其指数级的好处和风险做好准备。

量子资源

以下是一些拥有丰富信息的组织，可以深入了解量子主题。

学术界也越来越多地参与量子研究和开发。在一个重要的发展中，芝加哥大学网络的芝加哥量子交流（CQE）科学家将向学术界和工业界开放，作为美国首个公开可用的量子安全技术测试平台之一。CQE 的使命是“通过连接领先的学术人才、顶级科学设施和包括财富500强公司、量子初创公司和准备采用量子技术的各种行业基础，领导国家走向包容和可持续的量子经济”。

量子战略研究所是一个跨领域专家的国际网络，拥有丰富多样的专业知识，分享对量子技术的热情。我们团结在一起的是一个愿景和推动力，探索和进一步了解量子计算在各行业的实际应用，并帮助弥合潜力与实用性之间的空白。

还可以在 LinkedIn 上关注 QSI 创始人 Brian Lenahan。Brian 是 LinkedIn 的顶级战略声音，2022、2023 和 2024 年的量子顶级声音，3 次 Amazon 畅销书作者，MIT 训练有素的前高管，人工智能和量子计算领域的知名演讲者、顾问和导师。

量子安全联盟成立的目的是将学术界、工业界、研究人员和美国政府实体聚集在一起，以识别、定义、协作、基线、标准化和保护主权国家、社会和个人免受量子计算的广泛影响。

IEEE Quantum 是 IEEE 未来方向计划于2019年启动的一项计划，作为 IEEE 在量子技术项目和活动中的领先社区。IEEE Quantum 得到了 IEEE 社团和 OUs 的领导和代表的支持。该计划制定了一个项目计划，以应对当前量子技术的格局，识别挑战和机遇，利用和协作现有计划，广泛参与量子社区，并在长期内维持量子计划。