量子计算一直是热门话题，人們对其既充滿期待又抱持疑問。 它不僅是一個令人興奮的新興領域，更被視為能徹底改變各行各業解決複雜問題方式的關鍵技術。 這些說法並非誇大，因為量子計算確實代表了一種全新的資訊處理模式。
全球各地的機構紛紛投入大量資源於量子計算技術的開發，因為這種技術有潛力同時探索多種可能性，並為複雜的難題提供創新解決方案。
什麼是量子計算？
量子計算是一個以量子物理學原理為基礎的計算機科學領域。 量子物理學研究的是原子粒子的存在方式及其相互作用的機制。 它可以解釋物質和能量在原子和次原子層級的行為模式。
量子計算機使用量子位元 (qubit)，它可以同時存在於多種狀態。 這種特性使得量子計算機能夠解決傳統計算機需要耗費極長時間或難以負荷的計算資源才能處理的問題。
量子計算如何運作？
量子計算利用量子位元來開發量子系統，這些系統包含光子和電子等量子粒子。 量子計算機通常被用來執行傳統計算機難以應付的複雜計算。 此外，量子計算還會運用量子邏輯閘來操作量子位元，進而執行計算。
量子閘類似於傳統計算機中使用的邏輯閘，但它作用於量子位元。 研究人員利用量子閘來創造和操控疊加態，並糾纏量子位元。
量子計算旨在提高計算能力，並解決傳統計算機由於其二進制方法和兩種狀態（0 和 1）的限制而無法解決的複雜問題。 量子計算能夠同時呈現多種狀態，這突破了傳統計算的瓶頸。
量子計算與傳統計算的區別
量子計算與傳統計算的根本區別在於它們的計算能力和運作方式。 量子計算的基礎是量子理論，而傳統計算則不然。
傳統計算基於二進制數字或位元，其值只能是 0 或 1。量子計算機則使用量子位元作為其數據單位。 量子位元可以同時取兩個值 (0 和 1) – 這種行為稱為疊加。 疊加的特性使得量子計算機可以同時呈現多種狀態。
在效能方面，傳統計算的計算能力低於量子計算。傳統計算的能力增長是基於可用電晶體數量呈線性增長。 而量子計算的效能增長則與量子位元的數量呈指數級增長。
傳統計算可以使用Java、SQL、PHP、C#、C++和Python等程式語言來編寫程式碼。 而量子計算則結合了程式碼、數學、物理和演算法，以達到其特定目的。
由於其複雜的架構、脆弱性以及高昂的開發和實施成本，量子計算並非設計為供大眾使用的通用機器。 它們的設計目的是為了滿足特定的應用和使用案例。 另一方面，傳統計算機則應用廣泛且易於取得。
量子計算機的錯誤率高於傳統計算，因此需要特別小心地操作，例如將其放置在超低溫的環境中以調節熱量。 相比之下，傳統計算機可以在室溫下運行。
在適用性方面，量子計算適用於模擬、最佳化、機器學習和其他資源密集型操作等複雜任務。 傳統計算則適用於文字處理、電子表格計算和其他非資源密集型任務。
量子計算的優勢
如果使用得當，量子計算的優勢是巨大的。 我們分析了以下主要優點。
- 速度: 量子計算機處理數據的速度比傳統計算機快數千倍。
- 安全性: 量子計算的演算法可用於增強數位加密並保護組織的 IT 基礎設施。
- 解決複雜問題的能力: 2019 年，Google 宣稱其 Sycamore (一種 54 量子位元處理器) 執行的計算，需要當今世界最快的超級計算機耗費 10,000 年才能在 200 秒內完成。
- 改進詐欺偵測: 金融機構可以利用量子計算來創建更好的交易模擬器，設計高效的投資組合，並改進詐欺偵測。
- 研究: 量子計算幫助科學家開發更好的模型和方法，以解決各行各業的問題，例如醫療保健中的藥物研究和製造業中的化學發現。
量子計算的特性
以下是量子計算的主要特性。
疊加
量子系統同時存在於多種狀態的能力被稱為疊加。 傳統計算機一次只能存在於一種狀態 (0 或 1)，這表示它們缺乏疊加的能力。
糾纏
當兩個量子位元連接在一起時，就會發生糾纏。 一個粒子的狀態會影響另一個粒子，即使它們相隔數英里。 糾纏通常用於創建量子網路，使量子計算機可以共享資訊。
干涉是量子系統中疊加的副產物。 這是一種波動現象，發生於次原子粒子相互作用並產生影響時。
干涉可以是建設性的 (當波浪相互加強或放大正確答案時) 或破壞性的 (當它們相互抵消時)。
退相干
量子系統非常脆弱且對周圍環境敏感。 來自環境的干擾會導致量子位元的量子行為衰減，進而使它們失去量子能力。
例如，雜訊會導致量子位元脫離疊加狀態。 不僅如此，即使是溫度變化也會影響其效能。 因此，需要將它們保持在高度監管和控制的環境中。
量子計算的局限性和挑戰
雖然量子計算提供了許多優點，但它也有一些值得一提的缺點。
- 退相干: 與傳統計算機不同，量子計算機對雜訊非常敏感。 干擾會導致它在完成任務之前脫離疊加狀態。
- 需要專家: 由於其複雜性，量子計算需要各種不同的量子專家。
- 量子糾錯: 在計算操作過程中很可能會發生錯誤，從而導致產生有問題的輸出。 需要一個容錯的量子系統來承受來自周圍環境的干擾。
量子計算的實際應用和用途
#1。 財務建模
金融市場動盪且高度不可預測。 借助量子計算，金融機構可以模擬金融系統，並使用該技術根據預期回報對投資進行建模。
量子計算還可用於投資組合最佳化、風險降低和管理以及選擇權定價等方面。 那些執行大量交易的人可以利用量子計算來預測市場和分析全球金融經濟。
#2。 物流最佳化
量子計算機在收集即時數據以最佳化供應鏈物流、庫存和運輸方面表現出色。 組織需要不斷計算和重新計算交通管理、機隊運營、空中交通管制、貨運和配送的最佳路線，而這些都可以通過傳統計算實現。
但是，對於供應鏈需求複雜的大型組織而言，這個過程可能會耗費大量資源，而量子計算可以解決此問題。
#3。 更好的電池
隨著電動汽車 (EV) 在我們的社會中變得司空見慣，製造商正在使用量子計算能力來模擬分子和材料的行為，並了解鋰化合物和電池化學，以最佳化電池的使用壽命。
除了電動汽車，量子計算還應用於可再生能源儲存和行動裝置。
#4。 製造業
量子計算被廣泛應用於改進製造業的許多方面。 IBM 商業價值研究院發布的專家見解將製造業中的量子計算應用案例分為四類。
發現
- 化學
- 材料科學
- 凝聚態物理學
設計
- 有限差分分析
- 結構分析水力/空氣動力學
控制
- 最佳化
- 機器學習
- 分類
供應
- 供應鏈
- 最佳化
- 風險建模
那些在這些關鍵領域採用量子計算的人將獲得決定性的優勢，因為這將有助於降低製造成本並提高生產速度。
#5。 氣候模型開發
量子計算可以幫助解決氣候變遷等持續存在的可持續性問題。 根據政府間氣候變遷專門委員會 (IPCC) 的報告，必須在 2025 年之前大幅減少溫室氣體排放，以避免發生重大氣候災難。 量子計算可用於減少氣候影響。
氨製造佔全球二氧化碳排放量的 1% 到 2% – 量子計算可以幫助開發替代清潔能源，例如更好的電動汽車電池、太陽能等，以促進地球脫碳過程。 量子計算還可以促進氣候和天氣預報以及電網管理方面的模型改進。
#6。 汽車產業
汽車產業正在迅速採用量子計算技術，這在量子計算公司與汽車製造商（包括 D-Wave Systems 和大眾汽車）之間的合作夥伴關係中顯而易見； Zapata Computing 和博世； 甚至 IBM Quantum 和梅賽德斯-賓士。
原始設備製造商 (OEM) 正在尋求利用量子計算來最佳化路線並增強材料的耐用性。
#7。 飛機研發
航空航天公司可以在許多流程中利用量子計算，從飛行計畫最佳化到飛機建模和數位化。 Airbus 是一家設計、製造和銷售商用飛機的航空航天公司，它投資了 IonQ、Q-CTRL 和 QC Ware，以利用量子技術開發複雜的飛機模型。
#8。 藥物研發
傳統計算機目前用於運行數億個分子模擬，但它們可以計算的分子大小是有限的。 量子計算允許研究和開發模擬大而複雜的分子，以改進電腦輔助藥物發現 (CADD)。
麥肯錫公司在 2021 年報告稱，製藥公司將其銷售額的 15% 左右用於研發，占全球所有產業研發總支出的 20% 以上。
這項投資在一定程度上幫助製藥業找到開發小分子和大分子以幫助治癒疾病的有效方法。 借助量子計算，研究人員可以快速失敗並加速藥物開發，從而提高成功率。
#9。 機器學習
量子計算機處理大量複雜數據的能力使其成為機器學習的良好候選者。 量子機器學習是一個將量子演算法與機器學習程式相結合的研究領域。
量子演算法可以具有多項式或超多項式（指數）加速，從而提高計算速度。 借助量子機器學習，數據從業者可以開發更快、更高級的演算法，解決複雜的數據模式，並推動電腦視覺應用和強化學習的發展。
學習資源：量子計算
為了進一步學習，我們推薦以下資源。
#1。 與量子位元共舞
本書由 Robert S. Sutor 撰寫，解釋了量子計算的工作原理並將其應用於科學計算和人工智慧。 《與量子位元共舞》涵蓋了傳統計算和量子計算之間的差異，並描述了它在各行各業中的應用案例。
讀者還將學習疊加、糾纏和干涉等概念，以及電路和演算法。 此資源將向您介紹量子計算的基礎知識和要點。
#2。 量子計算：一種應用方法
由量子技術公司 SandboxAQ (Jack D. Hidary) 的 CEO 撰寫，此書結合了量子計算的理論和實務，包括動手程式碼。
本書分為三個部分：第一部分涵蓋量子計算和量子電路基礎知識，第二部分解釋量子計算演算法並提供當前量子計算方法的程式碼，第三部分涵蓋量子計算的數學方面。
#3。 人人可用的量子計算
尋找包羅萬象資料的初學者會發現這個資源很有用。 它涵蓋了量子計算的基礎知識，並解釋了其關鍵元件，例如量子位元、糾纏和量子隱形傳輸。
本書作者 Chris Bernhardt 簡化了量子計算背後的數學原理，並解釋了量子計算機是如何建構的，使那些剛接觸量子計算機的人可以輕鬆理解開發系統的過程。
結論
Google、IBM 和 Microsoft 等公司正在引領量子計算解決方案的創新，大學也不甘落後。 量子計算專家的短缺導致其進展緩慢，再加上建構量子計算機的成本很高，而且沒有多少組織擁有創建量子計算機所需的資源。
雖然量子計算有很多希望，但它尚未實現。 需要數年時間才能充分發揮其潛力並像傳統計算機一樣普及。
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