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量子计算时代,首先获利的竟然是”化学家”!

本月,IBM和谷歌都表示,他们的目标是在未来几年内将量子计算机商业化(谷歌认为是五年)。届时,人们将可以付费使用这种新型的云服务。

在他们所描绘的超高性能计算时代,量子计算机将使物流和测绘公司更高效地规划路径,带来全新的机器学习模式,更好地向人们推荐各种产品并大幅提高机器诊疗的能力。

但在此之前,收获第一笔红利的却很可能会是化学家们(感觉说是搞材料的更贴切)——量子计算机将帮助他们改进电池或者电子产品。到目前为止,研究人员对于量子计算机的新算法已经有了非常详细的开发计划,而配备了新算法的小型量子计算机将非常适合用来进行物质分子和化学反应的模拟。

量子计算机用微观量子力学效应来表示数据,因此能够进行传统计算机不能胜任的运算。近期,微软、英特尔、谷歌和 IBM 等公司都投入巨资,用以发展量子计算机的最新硬件。

Scott Crowder 是 IBM 的部门首席技术官,他所在的部门目前负责销售包括超级计算机在内的相关硬件,在未来几年里,他们希望能将负责云计算的量子计算主机添加到产品目录中。

Crowder 表示,就目前来看,已经从理论上证明化学将是量子计算机发挥作用的第一个领域。Crowder 非常有信心,能为化学家们造出更小的量子计算系统。

研究人员长期以来一直模拟物质分子和化学反应,进而推动新材料、药物或工业催化剂的相关研究。使用量子计算机可以让所有的实验少走弯路,并且分担掉世界各地超级计算机的相当一部分工作。

哈佛大学化学系教授 Alán Aspuru-Guzik 表示,当前的模拟实验之所以收益有限,是因为 即使是最强大的超级计算机也不能完全重建原子和电子在小尺度系统中复杂的量子行为。他期待量子计算机模拟能在未来帮助他的研究团队更快地找到能应用于显示器的新型发光分子,以及适合电网规模能量存储的电池。

Aspuru-Guzik 教授是最早提出在量子计算机上进行物质分子模拟的一批科学家。他认为:“现在我们必须不断地利用实验数据进行校准。如果我们有一台量子计算机,有些问题就会随之消失。”

物质分子结构和化学反应很大程度决定于相关的量子效应,而对量子计算机来说,模拟量子效应却是再自然不过的事——因为量子计算机的数据编码本身就是通过不同的量子态来实现的。量子位是组成量子计算机的基本单位,它们能通过量子力学的特性,为模拟计算提供传统计算机无法获取的优势。

实际上,加拿大公司 D-Wave 已经发布了一款可用以工业和学术研究,并具有量子特性的芯片,但是目前还不清楚该芯片是否能达到人们对量子计算的预期。

微软看好一种相较于 IBM 和谷歌更加早期的量子硬件。这种硬件的最大优点是能够提供实用的量子算法,化学和材料科学是其关注的两个重点领域。相关研究小组最近正试图展示一项技术——用常规计算机和小型量子计算机组成的“混合系统”来进行化学模拟。

微软量子算法研究组的负责人 Krysta Svore 说:“这种混合系统是分子研究的明日之星。寻找新的实用超导材料是这种系统的应用之一。有了这样的系统,就不再需要大型量子计算机,而常规计算机对于复现超导态下电子的量子行为,是非常吃力的。”

一旦量子计算机在化学领域取得成功,则将预示着它更美好的未来。分子研究只是计算机科学家口中的“优化问题”的其中一种。优化问题,就是从许多备选方案中找到最优解,比如原子中电子的最稳定状态,或者城市中最有效的递送路线。

马里兰大学教授、量子计算初创企业 IonQ 的联合创始人 Chris Monroe 表示,目前来说,研究人员能够想到的量子计算机在解决优化问题中的最佳用武之地,便是化学模拟。但是,我们在优化问题(例如机器学习)上也取得了进展,而未来还会有更多。

微软的 Svore 认为,机器学习的应用可能会相对较快实现,而用来破解加密却可能需要很长的时间才能实现,因为相关的算法需要非常巨大的量子处理器。

Monroe 将当前的量子计算比作早期的晶体管。而晶体管的第一次应用便是在助听器方上面。

“他们并没有想到现在的芯片可以排满500亿晶体管,并且能完成各种各样的任务。”他说道,“我们现在就仿佛处于类似助听器的那个阶段。当前,我们已了解到有一些非常具体的应用,需要在未来据此进行持续探索。”

来自:中科院物理所

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