量子计算的现在与未来

当代超级计算机的局限性及其对全球学术界和机构的影响正在引起科学界的关注例如，研究人员可以使用当前的技术进行更复杂的模拟，例如那些专注于化学和每种元素的反应属性的模拟

可是，伴随着这些交互的复杂性增加，它们对当前的超级计算机来说变得更具挑战性由于这些设备的处理能力有限，几乎不可能完成这些类型的计算，这迫使科学家在进行这些研究时在速度和准确性之间进行选择

为了给这些实验的广度提供一些背景，让我们从氢原子建模的例子开始氢只有一个质子和一个电子，因此研究人员可以很容易地手动进行化学反应，或者依靠计算机来完成计算可是，根据原子的数量和电子是否纠缠，这个过程变得更加困难要写出像铥这样的元素的每一个可能的结果，它包含了惊人的69个电子，所有这些电子都扭曲在一起，这将需要20多万亿年

显然，这个时间对我们来说太长了，我们必须要求新的出路。

量子计算机打开了一个充满可能性的全新世界的大门自20世纪30年代以来，科学界已经知道模拟化学所需的方程，但直到最近才开始建造具有执行这些计算的能力和可靠性的计算机

今天的量子计算机为研究人员提供了模拟化学所有方面所需的速度，使它们具有显著的预测能力，并减少了实验室测试的需要大专院校或许可以利用量子计算机来增加现有的化学知识考虑一下，如果量子计算机可以在研究过程中消除实验室测试的必要性，可能会实现潜在的时间和成本节约另外，由于之前没有掌握化学性质的计算能力，这一步可能会让之前不为世人所知的化学性质向前迈进一大步

01.实践中的量子计算

许多企业已经在使用量子计算。例如，IBM正在与梅赛德斯—奔驰，埃克森美孚，CERN和三菱化学合作，将量子计算应用到他们的产品和服务中:

梅赛德斯—奔驰

梅赛德斯—奔驰正在探索量子计算，为其电动汽车制造更好的电池该公司希望通过在产品中实施量子计算来塑造现代电动汽车的未来，并通过在产品中实施量子计算来对环境产生影响，力争到2039年实现碳中和即使使用当今最先进的计算机，也很难模拟电池内部发生的情况可是，利用量子计算技术，奔驰可以更精确地模拟汽车电池中的化学反应

埃克森美孚

埃克森美孚正在使用量子算法更容易地发现在世界各地运输清洁燃烧燃料的最有效路线没有量子计算，几乎不可能计算出所有的路由组合，找到最有效的路由组合

欧洲核子研究中心，欧洲核研究中心

欧洲粒子物理研究所正试图发现宇宙的秘密使用量子计算，CERN可以找到一种算法，以更有效的方式精确定位宇宙中的复杂事件例如，量子计算可以帮助CERN在大型强子对撞机的数据中找到模式

三菱化学

三菱化学和庆应义塾大学的团队正在研究锂氧电池的一个关键化学步骤:锂超氧化物重排他们正在使用量子计算机在分子水平上精确模拟化学反应内部发生的事情

02.量子计算的优势和劣势

量子计算有可能在未来几年内彻底改变金融，制药，人工智能，汽车等行业，从根本上改变我们周围的世界。

量子计算机的价值来自于它们运行的概率方式通过直接使用概率计算风格而不是模拟它，计算机科学家已经展示了快速搜索引擎，更准确的天气预报和精确的医疗应用的潜在应用此外，量子计算机代表了量子计算发展的原始动力，在直接模拟量子力学方面非常有用

也许量子计算的主要吸引力在于它可以更快地解决问题，这使得它非常适合需要处理大量数据的应用程序。

可是，创造一台强大的量子计算机并不容易，它涉及到许多缺点量子计算系统对极端温度的敏感性是其主要缺点之一为了使系统正常运行，它必须接近绝对零度，这构成了一个重大的工程挑战

此外，量子位质量不在需要的地方在给定数量的指令后，量子比特会产生不准确的结果，量子计算机缺乏纠错来解决这个问题由于制造每个量子位需要大量的导线或激光，因此很难保持控制，尤其是如果目标是制造一个具有一百万个量子位的芯片

量子计算非常昂贵:单个量子位的成本可能高达约1万美元。

最后，如果标准信息系统和加密方法被用于恶意目的，它们将被量子计算机的处理能力淹没这些计算机对量子物理原理的依赖使它们能够解密最安全的数据世界各地的密码学专家将需要开发能够抵御量子计算机可能攻击的加密技术

03.量子计算对高等教育的影响

教育一直在寻找新的发展和繁荣的机会许多高等教育机构已经开始对量子计算进行广泛的研究，利用量子物理的独特属性来创造一个新的技术时代，包括能够进行目前不可能计算的计算机，超级安全的量子网络和奇异的新量子材料

牛津大学

牛津大学的研究人员对量子研究很感兴趣，因为它在医疗，金融和安全等领域有很大的潜力这所大学被认为是世界量子科学领域的先驱牛津大学和约克大学展示了第一台工作的纯核磁共振量子计算机

哈佛大学

哈佛大学的研究人员成立了一个社区团体——哈佛科学与工程量子计划，目标是在量子计算机及其应用相关的科学和工程领域取得重大进展根据这个小组进行的研究，第二次量子革命将在第一次量子革命的基础上扩大，第一次量子革命负责发展全球通信，GPS飞行等技术和磁共振成像等医学突破

马里兰大学

来自马里兰大学物理系，国家标准与技术研究所和物理科学实验室的研究人员是联合量子研究所的一部分，致力于控制和利用量子系统的目标。

麻省理工学院

麻省理工学院的研究人员建造了一台量子计算机，正在研究量子算法和复杂性，量子信息理论，测量和控制以及应用和连接。

加州大学伯克利分校

加州大学伯克利分校量子计算和信息中心的研究人员正在研究基本的量子算法，密码学，信息论，量子控制以及量子计算机和量子设备的实验。

芝加哥大学量子交易所

芝加哥大学量子交易所的研究人员正在专注于开发理解和利用量子力学定律的新方法CQ鼓励研究团体和合作机构之间的合作，联合项目和信息交流

美国关税委员会

中国科学技术大学的研究人员正在探索量子光学和量子信息主要研究领域包括量子基础，基于自由空间和光纤的量子通信，超导量子计算，超冷原子量子模拟以及量子计量理论和相关概念

对高等教育的广泛影响是，量子计算将为未来的学生开辟一个新的职业生涯此外，这项技术将允许准确预测就业市场的总体增长以及所有领域对熟练和知识工人的需求

在不久的将来，量子计算的力量将在机器学习中得到释放在教育领域，量子驱动的算法将对学生的学习和缺陷做出明智的决定，就像量子计算有望彻底改变医学分类和诊断一样

此外，量子计算将推动个人学习，知识和成就的新时代这将通过及时处理大量学生数据来实现量子计算机最终可能有能力控制和设计能够适应学生独特成就和能力的程序，回填学生可能需要帮助的特定领域量子计算的这些方面对于实现真正个性化学习的目标至关重要

你可以通过云访问世界上相对较少的物理量子计算机中的任何一台这些计算机，包括20+IBM Quantum System One，目前安装在美国，德国和日本，更多的计划安装在美国，韩国和加拿大

这种主动性是绝对必要的世界各地的高校需要合作，缩小目前量子教育的知识差距，为下一代科学家和工程师做准备

04.结论

量子计算革命正在发生我们刚刚进入了一个新的计算时代下一代计算不是下一代硬件，而是下一代算法和计算方法

量子计算机利用量子力学的原理来解决问题与经典计算机相比，量子系统的状态本质上是概率性的这意味着量子计算机可以处理比传统计算机多很多倍的计算

05.延伸阅读

量子计算的主要参与者可以分为四类:第一类是国际科技巨头，如IBM，Google，Honeywell等第二类是量子计算创业公司，如Rigetti，IonQ等第三类是国家级科研院所，如费米国家实验室，阿贡国家实验室和中科院量子信息与量子科技创新研究所第四类是高水平的研究型大学，如剑桥大学，中科大，哈佛大学等

目前量子计算机只能处理一个或几个问题，还没有达到普适的程度量子科技企业不仅需要花费巨资研发量子计算机，还需要众多研究人员设计制造量子软硬件来支撑这些机器

未来的通用量子计算机需要在底层量子物理设备，量子计算机架构，量子资源调度，上层量子编程语言，量子算法，量子应用软件等多个方面做出努力以下是量子计算的最新技术和商用进展，是量子计算行业的典型代表

2021年全球量子计算主要参与者的地理分布

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