计算：为实现量子跃迁做准备---标准专家已在探索量子计算向加速数字化转型的潜力

世界各地的工程师和科学家都在争相开发能够实现量子至上的量子计算设备，广义地讲，量子至上就是解决当今计算机无法解决的问题。量子设备最终将会具有超过当代超级计算机的处理能力。预计他们将带来巨大的好处，例如加速医学研究，在人工智能方面取得进步，甚至可能找到应对气候变化的方法。

但是，在该技术成为主流技术之前，还有一段路要走。IEC和ISO建立的信息技术联合技术委员会(JTC 1)的李承胤博士说：“量子计算距离实现大概还得10到15年，但现在值得我们去关注。”

“可以理解业界对这种计算机硬件新范例的兴奋，因为有了全新的多维功能，就有望有更强的计算能力。”

1、什么是量子计算？

今天我们的计算机用的是二进制，有两种状态——打开或关闭—表示为1或0。量子计算将这些二进制位替换为具有不断变化的更多状态的量子位。量子位可以同时打开、关闭或介于开关之间。这种为叠加原理，使基于量子位的计算机能够更快地执行更多的计算。当量子位挤在一起时，它们共享各个量子位量子状态的所有可能的组合，从而极大地提高了该过程的计算能力。

就目前的可能性而言，科学家将量子计算与机器学习相结合，用于图像处理和概率计算。 肖尔的量子计算算法已经对网络安全和传统加密方法产生了重大影响。在其他方面，量子模拟器正在促进难以在实验室里做的量子系统的研究，如量子化学或量子场论。这只是三个例子。

但为实现量子至上，研究人员需要找到将当下最大的量子计算机中约20个超导量子位增加到至少50个的方法。量子系统极度脆弱是研究者要面对的挑战。量子计算机特别容易出错，因为量子位对外部噪音干扰特别敏感。当量子位封闭在装有真空泵的密封盒中并且冷却到比绝对零值高出千分之一度时，它们只能“连续地”工作。这可以保护它们免受辐射、光线、声音、振动和磁场的不稳定影响。

2、让猫从箱子里出来

好消息是科学家可能已经找到了解决量子计算出错的途径。今年早些时候，耶鲁大学的研究者宣布，他们找到了一种方法来拯救薛定谔的猫，意义及影响巨大。

在著名的思维实验中，奥地利物理学家欧文•薛定谔（Erwin Schrödinger）将他的假想猫与一瓶毒药和一定量的放射性物质一起放在密封的盒子里。辐射泄漏的单个原子足以破坏烧瓶并毒害猫。量子叠加理论表明，除非有人看着盒子内部，否则猫是既死了又活着的状态，但是一打开盒子就可以立即把猫的量子状态变为要么活着，要么死了。这种变化被认为是瞬时且不可预测的，称为量子跃迁，有时也称为跃变。

直到现在，还在假设亚原子粒子的特性变化是突然发生的，而不是在状态之间流动。比如，有假想是，注入更多能量时，处于低能状态的电子会迅速断裂，而不是转变为更高的能量状态。当您不看时，叠加会同时出现两种状态以及介于两种状态之间。您看一眼便立马定格成一种状态，就像薛定谔的悖论一样。

耶鲁大学的研究人员似乎已经证明，尽管量子跃迁非常快，但它们既不是突变也不是随机的。 这意味着也许可以检测出并预测即将发生的跃变。在犯错前发现问题可以防患于未然。

3、两种量子计算机

研究的出发点是有希望的，但在找到解决方案之前，量子计算机能解决的问题是有限的，这导致了量子计算方法迥异设备的开发。

古典计算机用叫做门的晶体管来控制通过电路的电流。就像电源开关一样，开或关，一或零。在量子模型中，量子位取代了晶体管。当某人最终实现量子至上时，将使用基于门的量子计算机。

同时，科学家开发了量子退火装置来解决范围更窄的问题。与基于量子门的计算机不同，量子退火器创建的环境仅限本地连接。量子位的量子态更脆弱，其操纵也不那么精确。但针对正确的问题时，与经典计算相比，量子退火器极大地提高了处理速度。

量子退火器已被用来解决金融和航空航天等领域的优化问题，潜在用户仅受到量子退火装置上千万美元成本的限制。但是，把基于门的量子计算机和量子退火器看做对立技术是不对的。它们对解决不同的问题非常有用。

4、量子密码学的威力

但是，随着计算机变得越来越强大，并且面对技术资源构成更为严重威胁的流氓国家，密码学家逐渐抛弃数学，转而寻求量子力学定律来提高安全性。和量子计算的相关领域中一样，密码学基于量子粒子小于分子的特性。例如，称为量子密钥分发（QKD）的加密系统使用光粒子的属性对消息进行编码。

黑客解锁密钥的唯一途径是测量粒子，但是测量本身会改变粒子的特性，导致错误，从而触发安全警报。这样的话，系统就会曝光黑客窃取数据的事实。

这么大的威胁，使得科学家敦促组织着手研究并采用量子加密系统。量子计算机可能用不了十年，但是量子密码学已经接触了好几年。

5、标准化工作

IEC和ISO在其联合技术委员会中建立了一个研究小组，以确定量子计算的标准化需求。 在完成了对关键概念的初步研究并描述了相关术语之后，这个由国际专家组成的小组正在研究社会、市场和技术对未来标准化的要求，并密切关注量子计算的发展。量子密码术是几个IEC专家组感兴趣的领域。