量子计算的 12 个最佳应用 | 2021 版

全球科学家正在推动量子计算机向前发展，试图获得最强大的量子计算技术。包括谷歌和 IBM 在内的科技巨头正在争夺量子霸权。

但为什么？量子机器解决某些问题的速度比经典计算机快 10 亿倍。随着对强大处理器的需求不断增加，任务的范围和复杂性越来越大，我们将需要更有效的计算架构来为解决方案提供动力。

计算技术的这种进步将在现代生活的几乎每个方面创造数百万的机会。据 GlobeNewswire 报道，2019 年全球量子计算市场价值 5.071 亿美元，预计到 2030 年将达到 650 亿美元，复合年增长率为 56%。预计北美和欧洲在量子计算市场的占比将超过78%。

这并不意味着量子系统将取代今天的计算机。相反，它们将与经典超级计算机一起工作，因为每一个都有其独特的优势和优势。

在这篇概述文章中，我们从巨大的可能性中提到了量子计算的一些主要应用。它将让您更好地了解量子计算机的设计目的。

12。天气预报

量子计算机可用于绘制极其复杂的天气模式。与当前的天气系统不同，它将能够为更小、更具体的地区提供预报，帮助农民更好地为天气变化做好准备，并帮助航空公司最大程度地减少干扰。

IBM 正在大力投资于天气预报系统。它与美国气象公司、国家大气研究中心和美国大学大气研究公司合作，建立了一个可以估计当地雷暴的高级模型。

2019 年，IBM 与 The Weather Company 合作推出了全球高分辨率大气预报系统 (GRAF)，该系统使用 IBM 超级计算机处理来自全球数百万个传感器的数据。

当量子计算变得可行时，类似 GRAF 的系统将能够每小时分析数十亿条数据，并预测诸如单个云的形成或风涡流等微观计量事件。

11。网络安全

它们都只是粗略的估计

量子计算机将能够解决当今机器几乎无法解决的许多问题。这包括破解保护互联网基础设施和敏感数据的加密算法。

例如，基于 2048 位数字的 RSA 加密广泛用于安全数据传输。据估计，一台拥有2000万量子比特的量子计算机可以在8小时内破解这种加密。

当然，量子计算的力量也可以用来开发远安全的加密系统。许多公司，包括微软和谷歌，已经开始研究量子安全的加密算法。它们目前处于理论和测试阶段。主要挑战是将这些新方法集成到现有基础架构中。

量子安全算法应该加密：

• 融资和银行交易
• 军事和政府通讯
• 企业网络
• 云端的医疗记录和个人数据

10.下一代电池

锂离子电池已经取得了长足的进步：十年前，它们只能让智能手机度过一天，现在它们可以为电动汽车提供数百公里的动力。

但是，如果我们想要制造功能更强大、价格更便宜、使用寿命比现有电池更长的电池，我们需要一些突破。 IBM 和戴姆勒股份公司（梅赛德斯-奔驰的母公司）的研究人员正在测试量子计算机如何有效地模拟电池中化合物的行为。

他们能够使用 21 量子位量子计算机模拟四种工业相关分子（硫化氢、氢化锂、硫化锂和硫化氢锂）的偶极矩。

随着我们增加或改进量子比特状态，我们将能够为下一代电池测试更大、更复杂的化合物。这种类型的研究是最终使我们达到目标的基础工作。

9.太阳能捕获

量子点太阳能电池 |图片来源：昆士兰大学

量子点（由于量子力学而具有独特的电子和光学特性的纳米级半导体粒子）可以有效地将太阳能转化为电能。这将帮助我们显着减少碳排放并改进现有的能源发电技术。

昆士兰大学的澳大利亚研究人员已经开发出一种灵活且可印刷的量子点，可提供超过 16% 的功率转换效率。

无毒量子点材料，如硫化银铋纳米晶体，由于其丰富性和安全性而被广泛研究。虽然还没有大规模商用，但一些小公司已经开始销售量子点光伏产品。

8.清洁肥料

今天，氨肥是通过一种名为 Haber-Bosch 的化学过程生产的。它在高温和极高压力下将大气中的氮气与氢气结合。该过程消耗大量能源并释放大量温室气体。

如果研究人员详细了解过渡金属的固氮酶机制和行为，他们就可以开发出更有效的催化剂来制造肥料以及工业所需的其他几种关键化学品。

好消息是量子计算机有朝一日可以模拟固氮酶的主要辅因子（FeMo 辅因子），从而深入了解其机制。这将有助于化学家建立用于合成氮肥的节能工业流程。

7.材料发现

图片由 Second Bay Studios/Harvard SEAS 提供

由于量子计算基于量子力学现象，例如叠加和纠缠，因此与经典计算机相比，它可以更轻松地表示其他量子系统。例如，量子机可以求解分子的薛定谔方程，计算其允许的能态。

它提供了模拟传统计算机无法模拟的复杂分子的能力。量子硬件和量子算法的发展有望共同改变理论化学。

通过处理量子机器上量子位中的噪声，研究人员可以开发出更好的材料，其光学和机械性能均经过微调。

考虑到“量子降噪”技术的最新进展，我们可以说下一代材料可能是在量子计算机上设计的，而不是通过反复试验找出正确的化学性质。

6.流量优化

量子计算机将缓解因脱碳需求而增加的人口和拥堵带来的许多挑战。其中一项挑战是交通控制。

量子技术可用于避免交通拥堵并缩短等待时间。这意味着公共汽车和出租车将不必在没有乘客的情况下长途跋涉，人们也不必为他们的出租车等待很长时间。

大众汽车已经展示了实时使用量子计算来优化交通。其量子路由算法运行在D-Wave量子计算机上，实时计算出最快的旅行路线。

这样的算法可以不断地与移动的物体（自行车、汽车和人）互动，并增强城市的整个移动系统。它们也可以用于空中交通管制以优化路由信息。

大众并不是唯一一家致力于“量子交通优化”的公司。几乎所有汽车制造商，包括宝马、丰田和福特，都在投资量子研究。

5.营销和广告

量子算法可以通过创建影响购买行为的关联模式来提供更好的广告。这些算法不会仅仅根据用户的浏览历史来投放广告，而是会关注用户看到广告后的感受，以及什么样的广告可以帮助品牌与客户建立长期关系。

例如，如果广告令人愉快，使观众发笑或感觉良好，则会形成强大的品牌公关。另一方面，无聊或刺激性的广告可能会适得其反。

D-Wave Systems Inc.（与 Recruit Communication Ltd 合作）已经将量子计算应用于广告、营销和通信优化。目标是在更短的时间内分析复杂的数据，优化网络广告领域的广告与客户的匹配效率。

D-Wave Systems 还解释了组织如何利用量子退火来吸引相关广告的受众并提高点击率 (CTR)。

4.财务建模

现代市场是现存最复杂的系统之一。在您阅读这句话的时间内，全球对冲基金、投资银行和散户投资者的股票交易量将超过 8000 万美元。

对于机构投资者而言，根据预期回报和相关风险为富有成效的投资找到合适的组合，对于在市场中生存非常重要。这涉及分析可能影响股票价格的数千个因素。许多投资银行在经典计算机上运行“蒙特卡罗”模拟进行详细分析，需要大量的计算资源和时间。

量子计算机是专门为这种概率计算而设计的。通过跟上量子潮流，投资银行不仅可以提高解决方案的质量，还可以减少开发它们的时间。由于这些业务处理数十亿美元，因此即使预期回报的微小改善对他们来说也很有价值。

最终，量子计算机将帮助金融服务：

• 增加投资收益
• 降低资本要求
• 改进风险和合规性的识别和管理
• 开辟新的投资机会。

阅读：世界上有多少钱？

3.药物发现

生物系统内遗传信息的流动

目前，制药公司需要花费数十亿美元和超过十年的时间才能发现一种新药并将其推向市场。他们在经典计算机上运行了数亿次比较。然而，这些机器的处理能力非常有限：它们只能分析特定大小的分子。

以包含 41 个原子的青霉素药物设计为例：对青霉素分子的基态能量进行彻底而精确的建模需要一台晶体管数量超过可观测宇宙中原子数量的数字机器。

这个问题可以通过量子计算来解决。随着量子硬件和算法变得更容易获得，比较更大的分子将成为可能。这可以显着减少药物开发时间和成本，使研究人员能够更快地进行新发现，从而治愈各种疾病。

在生命科学行业，量子计算机有望实现三个关键用例，它们在良性循环中相互促进：

• 通过关联基因组和结果来开发精准医学疗法
• 提高小分子药物发现的效率并改善患者治疗效果
• 基于蛋白质折叠预测构建新型生物产品

2.人工智能

Google 的量子机器

机器展示的智能是基于从经验中学习的原则。用于训练 AI 的数据集越多，它就越准确。由于人工智能的准确性/强度依赖于分析数百万甚至数十亿个数据点，因此它是量子计算的理想候选者。

对于某些模型，量子机器学习将比经典机器学习高效得多。它延伸到一个研究分支，探索特定物理系统和学习系统，特别是神经网络之间的结构和方法相似性。

有人说，人工智能之于 21 世纪，就像电力之于 20 世纪一样。我们已经到了人工智能有能力创造另一个人工智能的地步，所以它的重要性会迅速升级。

为了加速开发，谷歌与大众汽车和滑铁卢大学合作，推出了 TensorFlow Quantum，这是一个用于构建量子机器学习模型原型的开源库。 IBM、微软和其他科技巨头也在向量子机器学习投入大量资金。

阅读：人工智能 vs. 机器学习 vs. 深度学习

1.粒子物理学

LHC 中的质子-质子碰撞产生希格斯玻色子 |欧洲核子研究中心

也许量子计算最令人兴奋和最有用的应用是研究新物理学。粒子物理模型非常复杂，数值模拟需要大量资源和计算时间。

例如，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机实验每秒产生 1 PB 的惊人数据，来自每秒 10 亿次粒子碰撞。该分析是在全球 170 个数据中心的 100 万个 CPU 内核上进行的。到 2027 年，处理和分析 CERN 数据所需的计算能力将增加 50-100 倍。

这就是量子计算派上用场的地方。它将允许物理学家模拟核物理、原子核的散射、夸克以及基本相互作用。

CERN 已经开始与 IBM 合作开发量子计算机。研究人员使用“量子支持向量机”来了解如何使用监督式量子机器学习来识别碰撞数据中的希格斯玻色子事件。

另一组研究人员成功地在量子计算机中模拟了晶格规范理论，该理论描述了夸克和胶子等基本粒子之间的相互作用。

阅读：什么是量子霸权？为什么这很重要？

总的来说，量子计算在各个领域都取得了长足的进步，从多体物理学到分子能量学。它将颠覆当前的技术并使研究人员能够解决他们以前从未尝试解决的问题。