量子计算会给AI、通信和区块链带来无限可能?

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最近,阿里宣布研发出量子电路模拟器“太章”,这也让量子计算再掀高潮。具有高速运算优势的量子计算机,未来如果得到普及,将对人工智能、生技医疗、区块链、通讯领域带来冲击与改变。量子计算机的厉害之处,在于它可以在很短的时间内,解决本来需要耗费数十年,甚至好几个世代才能解决的问题,虽然目前仍面临许多障碍与困难,但在可预期的未来中,这项新科技将颠覆未来世界,带来无限可能。至于会是哪些形式呢?小智君接下来就带大家去看一看。

人工智能

量子计算机拥有极快的运算能力,将能大大颠覆人工智能的发展以及其应用场景,此外,根据它可以快速处理大量信息的特性,还能解决传统计算机所不能解决的问题。

举个例子,未来量子芯片将能让人工智能迈向行动化,不论是无人机、手机、无人车,都有很大可能借助于量子运算系统,实时应对各种状况并及时处理资料。如果量子计算机可以克服只能在低温环境下运作的特性,那么就有机会提升其资料传输效率,甚至透过量子系统加速机器学习速度。

众所周知,新药研发是一条漫长且费用极高的过程,必须通过临床实验、主管单位核准等繁复过程,往往需耗费十年之久才能正式上市。

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一款药品是各种化学成分之间的组合交错,化学家必须尝试、评估各种组合,才能知道哪种配方可以对疾病有功效,这需要大量的时间、精力不断尝试,量子计算机高速的运算特性,可以大幅缩短药品研发流程,可以协助人类快速检查药品配方、计算出最适合的成分。

中国的XtalPi晶泰科技就是这样一家公司,致力于将量子化学计算与人工智能相关技术应用于药物研发的关键环节。他们的切入点是化学药物的“固相”研发——包括晶型、盐、水合物的预测和筛选。

详细地讲,通过量化计算的方法和深度学习的技术,晶泰科技能计算出化合物所有可能的晶体结构,再通过迭代优化,最终锁定动力学中最具稳定性、最适合成药的固相、晶型。

同时,以人工智能对药物分子物理、化学性质的预测,在后续的研发中优先选择那些药物性质最有可能成功的候选和固相,从而降低研发决策中盲目、随机的因素,也就是,用人工智能的“先见之明”解决药物研发的“后顾之忧”,让研发科学家的研发决策更加有的放矢。

总之,量子计算不仅能提升效率,还可以减少人为失误,能在最短的时间针对疾病,设计出最有疗效的药品,将可大幅缩减药品的研发成本与加快上市时间。

加密货币市场受威胁

区块链最为人所知的应用之一便是“加密货币”。在近年掀起热潮中,许多人会通过“挖矿”的方式来获得虚拟货币。那么拥有高速运算能力的量子计算机,如果加入挖矿行列,有没有可能凭借其运算优势让比特币市场瓦解呢?

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对此,新加坡国立大学资工系教授Divesh Aggarwal博士曾进行研究,将未来十年量子计算机运算能力的预测,与目前传统计算机硬件的运算能力做比较,结果显示现有的硬件在十年内仍能在速度上占有优势,量子计算机瓦解挖矿的状况暂时还不会太快发生。不过,在十年后量子计算机的“挖矿”速度将大幅提升。

同时,对于最近一直被广为传播的“4000量子比特的量子计算机能瓦解区块链”的说法,中科院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心研究员吴振华表示这并非空口无凭。

“这个是有依据的,是比对了枚举法破解区块链所需要的计算能力和4000个量子比特的计算能力之后做出的判断。当然要求也很高,需要4000个量子纠缠的比特,同时要保证极低的错误率。”

此外,加密货币本身的安全性恐怕也将成问题,目前比特币透过私钥以及公开的公钥进行加密,交易时可以在不公开私钥的情况下,通过数位签章验证持币者是否持有私钥,这种技术称为“椭圆曲线数位签章算法(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm)”,而量子计算机有能力解开大部分加密技术。

随着量子计算机技术的演进,将会对现在的加密技术安全性产生威胁,Aggarwal博士更断言,现行的椭圆曲线数位签章算法将可能在2027年被量子计算机彻底破解,因此目前美国、日本为了因应量子计算机时代,都开始投入新密码架构的研发。

量子通讯

“量子力学传送”在十多年前仍只是理论阶段,量子传送必须以“量子纠缠”为基础,意思是几个粒子彼此作用后,每个粒子所有的特性都会综合成为整体性质,无法单独描述各别粒子的性质,只能描述整体系统的性质,物理学家爱因斯坦(Albert Einstein)曾称量子纠缠是“鬼魅般的超距作用”。

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如何长距离传输缠结光子,一直是量子加密通讯一大难题,中国在2016年8月发射量子卫星“墨子号”,任务之一就是从卫星向地面发射纠缠量子,由于量子通讯的安全性是基于量子物理的基本原理,而非一般的加密技术,因此若能有所进展,将能从根本解决信息安全问题,避免黑客攻击和窃听。

2017年中国研究人员表示,“墨子号”顺利从太空传送了“无法破解的”高速量子密钥,被称为“中国量子之父”的物理学家潘建伟表示,量子密钥分发是目前人类唯一已知不可窃听、不可破译的安全通讯方式。

因此在国防、政务、金融等方面,甚至银行转款、个人隐私保护方面都可以起到比较好的作用。此外,量子计算还是非常强大的计算工具,可以来解决一些传统经典计算机解决不了的问题,比如气象预报、药物设计、物理材料的设计等。

量子密钥分发就象是一个人要把宝物交付给另一个人,需要同时将放置宝物的箱子以及钥匙一起交出,而钥匙正是唯一可以开启箱子的工具,一旦钥匙被动过手脚,宝物持有者就会发现并将原本的钥匙作废,并换一把新钥匙,确保收到宝物的人是对的。

量子加密通讯采用“一次一密”机制,一旦量子密钥被黑客拦截,自身状态便会改变,拦截者将无法取得信息,而“墨子号”的实验,将为全球量子通讯奠定基础。

量子计算的竞争2018年,量子计算能力的竞争已拉开帷幕,但是还存在一个悬念,那就是谁能率先突破50量子位的“量子霸权”标志。所谓的“量子霸权”,指的是量子计算机的计算能力超过传统计算机,实现相对于传统计算机的“霸权”。有观点认为,50量子位的量子计算机就能实现“量子霸权”。

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2017年底,IBM宣布成功研制一款50量子位处理器原型,并与三星、摩根大通等公司建立量子计算合作,有望在2021年前推出首个在金融领域的量子计算应用。而量子计算的另一领先者——谷歌正在开发有49个量子位的机器,此外,英特尔和微软在该领域也持续加大投入。

而中国在该领域也一直在不断研究中。本月初,阿里巴巴消息称,其达摩院量子实验室研发出目前世界上最强的量子电路模拟器“太章”,率先模拟了81比特40层作为基准的谷歌随机量子电路。

作为一个全新的技术,量子计算始终是科研热点。2018年3月谷歌发布研制全球首款72比特量子计算机的计划, 但“太章”的出现打破了谷歌在此方面的霸权地位。据了解,“太章”一大特点是通信开销极小,从而可以从阿里集团平台的在线集群算力完成举世无双的模拟。在64比特40层的模拟中,“太章”只需要两分钟并只使用14%阿里平台的计算资源即可完成。

“很显然,建造量子计算机现在是一个世界范围内的竞赛。”美国得克萨斯大学奥斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿伦森(Scott Aaronson)说。或许,在未来一年左右我们将看到谁会是赢得这场竞赛的胜者。

 

 

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