量子计算的好处（量子计算的缺点）

量子计算的必要性和挑战

说到量子计算，大多数人都觉得这项技术离我们还很遥远，至少距离能够运用到应用场景还需要很长的一段时间。也有少数反对者认为这与“永动机”没有什么区别。所谓量子霸权都是谎言。但事实上，量子计算已经应用于许多研究中。这些使用非传统芯片的量子计算系统使用量子比特作为执行运算的基本单位，而不是传统的二进制经典比特，它们的速度将远远快于传统计算机。

事实上，全球主要高性能计算中心已经规划了量子计算。去年11月，IQM和Atos两家公司对全球110个HPC中心进行了调查，得出的结论是，对于全球52%的HPC中心来说，确保竞争力是首要目标，27%的HPC中心拥有量子经验。根据计算经验，2023年49%的HPC中心将首次使用量子计算技术，这意味着到2023年，76%的HPC中心将使用量子计算技术。

为什么我们需要量子计算

按理说，量子计算目前可以完成的一些任务，例如气候变化预测、汽车碰撞模拟、药物开发和加密等，在当前的超级计算机和其他高性能计算系统中也可以完成。那么为什么我们还需要量子计算或者量子计算机的存在呢？这就不得不提到这些高性能计算遇到的重大挑战。

随着今年超级计算正式迈入百亿亿次级别，各大地区的高性能计算中心和国家实验室都已经做好了百亿亿次级别的规划，因为在他们看来，提高算力是保持竞争力的唯一途径。但让我们看看今天的超级计算系统。为了提高性能，它们往往需要数千个CPU和GPU、大型机房以及可怕的功耗。对于任何机构来说，无论是否有国家支持，这都是一笔巨大的设备和维护成本。我们总不能一边想着用超级计算来解决气候问题，一边增加能源消耗吧？

而且，传统硬件的性能瓶颈并没有因为近年来的创新而消失。这里不仅仅指算力，还包括存储、带宽、延迟等。虽然各种加速器、异构计算起到了一定的延缓作用，但随着大家开始追求Zettascale级别的算力，这些瓶颈的出现可可以说是必然的结果。

IQM 量子计算机/IQM

所以算力方面，我们需要的不是这种增量式的增长，而是指数级的增长。经典位只能存储0或1，而量子位可以同时叠加0和1的状态。随着位数的增加，这种状态的数量将会呈指数级增长，这就是为什么量子计算研究正在朝着更高的量子位数迈进的原因。从能源效率的角度来看，由于计算能力呈指数级增长，量子计算机所需的空间和能源消耗更少，即使增加到数千个量子比特，其功耗也不会发生太大变化。

各国已经在行动

尽管量子计算仍处于早期发展阶段，但许多研究机构已经开始取得突破并进行实验。以我国为例。去年，北京量子信息科学研究所发布了长寿命超导量子比特芯片，将量子比特相干时间提高到500微秒以上。这个参数决定了量子计算机的一系列核心性能问题，因为为了进行量子计算，必须在相干时间内完成，否则就会因为与环境的量子纠缠而退相干。只有这么长的相干时间量子芯片才能实现具有操作价值的量子算法。该芯片的研发团队目前也在研究该技术在多位制备方面的应用。

欧洲弗劳恩霍夫协会也使用了IBM的27量子位量子计算机，并将其用于一系列量子计算研究，例如复杂资本流的有效分析、可持续生产和物流的智能算法以及新的电池建模等。澳大利亚量子计算公司Silicon Quantum最近也宣布打造出首个原子大小的量子集成电路，这也证明了量子计算硬件的无限扩展潜力。

量子计算面临的挑战

然而，量子计算确实还没有实现场景。这是因为技术本身尚未成熟，仍面临诸多挑战。比如在编程方面，超级计算机已经有了非常完善的编程体系，各大软硬件厂商也在逐步提高超级计算机程序代码的可移植性。量子计算采用了完全不同的编程思想，因此开发者必须改变他们的框架并重新开发算法来解决现有的问题。

Eagle 127 量子位处理器/IBM

然后是能源消耗的问题。虽然我们前面提到量子计算机的能耗会明显低于传统超级计算机，但从系统整体功耗的角度来看却不一定如此，因为量子计算中最耗电的部分系统仍在冷却系统上。例如，如果要维持量子态，则必须在接近绝对零的极低温度下运行，例如使用无液氦稀释制冷机。这些冷却系统的功耗可以远远超过现代超级计算机冷却系统。幸运的是，这种冷却系统的功耗不会进一步增加。因此，随着规模的扩大，量子计算系统的功耗最终将低于传统超级计算机。因此，量子计算还是需要先降温。技术上的突破。

结论

当我们看待量子计算技术时，我们切不可相信过度炒作或夸大的时间跨度。正如不久前公开上市的量子计算公司IonQ被指责夸大其硬件一样，这些不实消息只能对量子计算有害。但我们也不能对这项技术束手无策，因为就像传统的计算硬件一样，一旦这项技术有了突破，很容易在短时间内拉开差距，而届时诞生的巨头很可能会继续主导未来十年。