量子計(jì)算，還能展現(xiàn)哪些“超能力”？

量子計(jì)算離我們?cè)絹碓浇?。近日，安徽問天量子科技股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的WT-QRNG300量子隨機(jī)數(shù)芯片通過國家密碼管理局商用密碼檢測(cè)中心檢測(cè)，成為國內(nèi)首款商密報(bào)告認(rèn)定的量子隨機(jī)數(shù)芯片產(chǎn)品。

目前，量子計(jì)算雖然尚未走進(jìn)我們的日常生活，但其在一些特定的領(lǐng)域，已經(jīng)展現(xiàn)出足夠讓人驚嘆的“超能力”。

多領(lǐng)域嶄露頭角

在化學(xué)模擬與材料研發(fā)領(lǐng)域，量子計(jì)算就像是一位擁有魔法的巫師。德國默克制藥公司正借助量子計(jì)算，探究分子結(jié)構(gòu)和藥物的潛在化學(xué)反應(yīng)；谷歌的量子團(tuán)隊(duì)也曾用其量子計(jì)算機(jī)模擬簡(jiǎn)單分子的能量狀態(tài)；寶馬汽車?yán)昧孔佑?jì)算優(yōu)化電池化學(xué)成分，為電動(dòng)汽車的續(xù)航和充電效率提升注入新能量。

提供更優(yōu)的解決方案也是量子計(jì)算大顯身手的地方。不少航空公司利用量子計(jì)算優(yōu)化航線規(guī)劃和機(jī)隊(duì)管理，就如同在數(shù)百萬種飛行路徑和調(diào)度方案的“迷宮”中找到最優(yōu)解，節(jié)省燃料和時(shí)間成本；美國聯(lián)邦快遞也在借助量子計(jì)算優(yōu)化配送路徑，減少運(yùn)輸成本和碳排放。

在密碼學(xué)與信息安全領(lǐng)域，量子計(jì)算更是從理論走向了實(shí)踐。我國基于量子密鑰分發(fā)實(shí)現(xiàn)了量子通信網(wǎng)絡(luò)，用于銀行間的高度安全通信；歐洲一些國家的項(xiàng)目也將量子網(wǎng)絡(luò)用于軍事通信和敏感數(shù)據(jù)保護(hù)，就像給信息穿上了堅(jiān)不可摧的“量子鎧甲”。

此外，量子計(jì)算在金融服務(wù)、機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。它助力金融機(jī)構(gòu)挖掘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、投資組合優(yōu)化和市場(chǎng)模擬等方面的潛力，為金融行業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。同時(shí)，不少科技公司也開始測(cè)試量子計(jì)算在人工智能中的應(yīng)用，希望為人工智能的發(fā)展帶來新的突破。

大規(guī)模普及面臨多重挑戰(zhàn)

量子計(jì)算雖然潛力巨大，但要大規(guī)模普及，還面臨著多重挑戰(zhàn)。

首先，硬件發(fā)展瓶頸是個(gè)大問題。量子比特就像嬌弱的花朵，對(duì)環(huán)境極其敏感，稍微震動(dòng)或者溫度變化就可能出錯(cuò)。這就要求量子計(jì)算機(jī)在接近絕對(duì)零度（相當(dāng)于零下273.15攝氏度）的條件下運(yùn)行，目前制造穩(wěn)定可靠的量子計(jì)算機(jī)仍是困難重重。

其次，量子糾錯(cuò)成本也高得驚人。因?yàn)榱孔颖忍氐拇嗳跣?，需要大量額外的比特來糾錯(cuò)。就好比執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，可能需要成千上萬個(gè)物理量子比特來支持幾個(gè)邏輯量子比特的正常運(yùn)行，這嚴(yán)重限制了量子計(jì)算的實(shí)用性。

此外，算法的開發(fā)也不足。目前只有少量量子算法，而且大多只適用于特定問題。量子編程和經(jīng)典編程差異很大，程序員需要全新的技能和思維模式來適應(yīng)這種變化。這就像要重新學(xué)習(xí)一門新語言一樣，需要付出大量的時(shí)間和精力。

更為重要的是，目前經(jīng)典計(jì)算的強(qiáng)大基礎(chǔ)仍然不容忽視。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，經(jīng)典計(jì)算已經(jīng)形成完整的生態(tài)系統(tǒng)，幾乎能滿足所有日常計(jì)算需求。相比之下，量子計(jì)算的硬件、軟件和應(yīng)用開發(fā)還很不成熟，在更廣泛的非特定計(jì)算領(lǐng)域還無法與經(jīng)典計(jì)算直接競(jìng)爭(zhēng)。

未來將有無限可能

盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，但量子計(jì)算的未來仍然充滿了無限可能。目前來看，量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算在未來很長一段時(shí)間內(nèi)會(huì)協(xié)同工作，經(jīng)典計(jì)算負(fù)責(zé)日常任務(wù)，量子計(jì)算解決高復(fù)雜度問題。不過，隨著技術(shù)進(jìn)步和成本降低，量子計(jì)算可能在某些領(lǐng)域超越經(jīng)典計(jì)算，逐步滲透到更多行業(yè)。

可以預(yù)見，在天文領(lǐng)域，科學(xué)家或許能借助量子計(jì)算模擬黑洞行為、探索暗物質(zhì)；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，科研人員或可借助量子計(jì)算加速個(gè)性化藥物研發(fā)；在量子機(jī)器學(xué)習(xí)上，新算法也可能成為人工智能發(fā)展的新引擎；在量子互聯(lián)網(wǎng)與通信上，這種基于量子糾纏的網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)完全安全的通信；在人們更期待的消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域，個(gè)人設(shè)備搭載微型量子芯片，加速加密解密或者優(yōu)化個(gè)人數(shù)據(jù)處理也不再是幻想。

量子計(jì)算，正以其獨(dú)特的魅力和無限的潛力改變著我們的世界。

（作者劉延嘉系中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所工程師）