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            物聯網開發

            科幻電影中的量子計算機究竟有什么用

              世界上最大的公司現在都在啟動量子計算項目,政府也在為量子研究傾注資金。對于尚未證明有用的系統,量子計算機肯定會獲得很多關注。


              原因是,量子計算機雖然還遠未達到成熟階段,但有望最終迎來一個全新的計算時代--在這個時代,硬件在解決復雜問題時不再是一個制約因素,這意味著一些經典系統需要幾年甚至幾百年才能完成的計算可以在幾分鐘內完成。


            科幻電影中的量子計算機究竟有什么用


              從模擬新的和更有效的材料到更精確地預測股票市場將如何變化,對企業的影響可能是巨大的。以下是領先的組織目前正在探索的八個量子用例,它們可能從根本上改變整個行業的游戲。


              1. 發現新藥


              新藥的發現部分依賴于一個被稱為分子模擬的科學領域,它包括模擬粒子在分子內相互作用的方式,以嘗試并創建一個能夠對抗特定疾病的配置。


              這些相互作用是非常復雜的,可以有許多不同的形狀和形式,這意味著根據一個分子的結構準確預測它的行為方式需要大量的計算。


              人工操作是不可能的,而且這個問題的規模也太大了,今天的經典計算機無法承擔。事實上,預計建立一個只有70個原子的分子的模型將需要經典計算機花費130億年。


              這就是為什么發現新藥需要這么長的時間:科學家們大多采用試驗和錯誤的方法,他們針對一種目標疾病測試成千上萬的分子,希望最終能找到一個成功的匹配。


              然而,量子計算機有可能有一天在幾分鐘內解決分子模擬問題。這些系統被設計為能夠同時進行許多計算,這意味著它們可以無縫地模擬構成分子的粒子之間的所有最復雜的相互作用,使科學家能夠迅速確定成功的候選藥物。


              這將意味著目前平均需要10年才能進入市場的拯救生命的藥物可以被更快地設計出來,而且成本效率更高。


              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公司(CQC)合作,以支持解決阿爾茨海默病的研究工作。


              而小型公司也對這項技術感興趣。例如,合成生物學初創公司Menten AI已經與量子退火公司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. 創造更好的電池


              從為汽車提供動力到儲存可再生能源,電池已經在支持向更綠色的經濟過渡,而且其作用只會越來越大。但它們遠非完美:它們的容量仍然有限,它們的充電速度也是如此,這意味著它們并不總是一個合適的選擇。


              一個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人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量大的工作,更適合于量子計算機而不是經典設備。


              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硫磺分子在不同環境中的行為,其最終目標是建造比今天的鋰離子電池性能更好、壽命更長、成本更低的鋰硫電池。


              3. 預測天氣


              盡管今天的尖端超級計算機擁有大量的計算能力,但天氣預報--尤其是長距離的天氣預報--仍然可能是令人失望的不準確的。這是因為一個天氣事件可能有無數種表現形式,而經典設備無法攝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模擬一個分子內同時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一場大風暴、颶風或熱浪。


              由于量子計算機能夠一次性分析幾乎所有的相關數據,它們可能會產生比當前天氣預報更準確的預測。這不僅有利于計劃你的下一次戶外活動:它還可以幫助政府更好地準備應對自然災害,以及支持氣候變化研究。


              這個領域的研究比較安靜,但合作關系正在出現,以仔細研究量子計算機的潛力。例如,去年,歐洲中程天氣預報中心(ECMWF)與IT公司Atos建立了合作關系,包括使用Atos的量子計算模擬器,以探索量子計算如何影響未來的天氣和氣候預測。


              4. 挑選股票


              摩根大通、高盛和富國銀行都在積極調查量子計算機提高銀行業務效率的潛力--這一使用案例經常被認為可能帶來巨大的財務回報。


              該技術可以通過多種方式支持銀行的活動,但其中一種已經顯示出前景的方式是將量子計算應用于一種被稱為蒙特卡洛模擬的程序。


              蒙特卡洛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到不同期權、股票、貨幣和商品的內在風險。該程序本質上歸結為預測市場將如何演變--隨著相關數據量的增加,這項工作變得更加準確。


              根據高盛與量子計算公司QC Ware共同進行的研究,量子計算機前所未有的計算能力可以將蒙特卡洛計算的速度提高1000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,能夠在量子硬件上運行蒙特卡洛模擬,而量子硬件可能在短短五年內就可以使用。


              5. 處理語言


              幾十年來,研究人員一直試圖教會經典計算機如何將意義與單詞聯系起來,以嘗試并理解整個句子。鑒于語言的性質,這是一個巨大的挑戰,它作為一個交互式網絡發揮作用:一個句子往往要作為一個整體來解釋,而不是每個單獨的單詞的意義的 "總和"。而且這還沒有考慮到諷刺、幽默或內涵。


              因此,即使是最先進的自然語言處理(NLP)經典算法也很難理解基本句子的含義。但是,研究人員正在調查量子計算機是否更適合將語言表示為網絡--因此,以更直觀的方式處理它。


              這個領域被稱為量子自然語言處理(QNLP),是劍橋量子計算公司(CQC)的一個關鍵重點。該公司已經通過實驗表明,句子可以在量子電路上被參數化,其中的詞義可以根據句子的語法結構被嵌入。最近,CQC發布了lambeq,這是一個用于QNLP的軟件工具箱,可以將句子轉換成量子電路。


              6. 幫助解決旅行推銷員問題


              一個推銷員得到了一份他們需要訪問的城市名單,以及每個城市之間的距離,他必須想出一條能節省最多的旅行時間和花費最少的路線。雖然聽起來很簡單,但 "旅行推銷員問題 "是許多公司在試圖優化其供應鏈或送貨路線時面臨的一個問題。


              推銷員名單上每增加一個新城市,可能的路線數量就會成倍增加。在跨國公司的規模中,可能要處理數百個目的地、幾千個車隊和嚴格的最后期限,這個問題變得太大,古典計算機無法在任何合理時間內解決。


              例如,能源巨頭??松梨诠疽恢痹趪L試優化穿越海洋的商船的日常航線--也就是5萬多艘船,每艘船攜帶多達20萬個集裝箱,運輸總價值達14萬億美元的貨物。


              已經有一些經典的算法來應對這一挑戰。但鑒于要探索的可能路線數量巨大,這些模型不可避免地要借助于簡化和近似。因此,??松梨诠九cIBM合作,研究量子算法是否能做得更好。


              量子計算機能夠同時進行多項計算,這意味著它們可以串聯運行所有不同的路線,使它們能夠比經典計算機更快地發現最優化的解決方案,因為經典計算機必須按順序評估每個選項。


              ??松梨诠镜慕Y果似乎很有希望:模擬表明,一旦硬件得到改善,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


              優化城市中交通信號燈的時間,使其能夠適應等待的車輛數量或一天中的時間,可以在很大程度上平滑車輛的流動,避免在繁忙的十字路口出現擁堵。


              這是經典計算機發現的另一個難題:變量越多,在找到最佳解決方案之前,系統必須計算的可能性就越多。但就像旅行推銷員問題一樣,量子計算機可以同時評估不同的方案,更快地達到最理想的結果。


              微軟一直在與豐田通商和量子計算初創公司Jij一起研究這個用例。研究人員已經開始在一個模擬的城市環境中開發量子啟發的算法,目的是減少擁堵。根據實驗的最新結果,該方法可以使交通等待時間減少20%。


              8. 保護敏感數據


              現代密碼學依靠算法產生的密鑰對數據進行編碼,這意味著只有被授予密鑰的各方才有辦法對信息進行解密。因此,風險是雙重的:黑客可以截獲密碼學密鑰來破譯數據,或者他們可以使用強大的計算機來試圖預測由算法生成的密鑰。


              這是因為經典的安全算法是確定性的:一個給定的輸入將總是產生相同的輸出,這意味著只要有適當的計算能力,黑客就可以預測結果。


              這種方法需要極其強大的計算機,并不被認為是密碼學的近期風險。但是,硬件在不斷改進,安全研究人員越來越多地警告說,在未來的某個時候,將需要更安全的密碼學密鑰。


              因此,加強密鑰的一個方法是使其完全隨機和不符合邏輯 -- 換句話說,在數學上無法猜測。


              而事實證明,隨機性是量子行為的一個基本部分:例如,組成量子處理器的粒子以完全不可預測的方式行事。因此,這種行為可以被用來確定密碼學密鑰,即使是用最強大的超級計算機也不可能進行反向工程。


              隨機數生成是量子計算的一個應用,已經接近商業化。例如,總部位于英國的初創公司Nu Quantum正在完成一個系統,該系統可以測量量子粒子的行為,生成隨機數流,然后可以用來建立更強大的密碼學密鑰。


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