量子应用与未来市场：浅谈一下未来的发展方向

量子信息科学领域探索的是如何在量子系统中国将信息编码&＃xff0c;包括量子力学的相关统计、存在的局限性和独特的可解释性&＃xff0c;量子信息科学领域是量子计算、量子通信、量子传感的基础。量子通信的研发重点是在对信息进行量子编码之后&＃xff0c;将量子态进行安全的传输和交换并精确的观测以达到安全通信的目的。
此外&＃xff0c;如果要将多个量子比特子系统连接为更大的系统&＃xff0c;可以使用量子通信信道。在子系统中制备一个特定激发态的离子&＃xff0c;使其发射出一个光子&＃xff0c;光子的量子态&＃xff08;如偏振和频率&＃xff09;与离子量子比特发生纠缠。量两个子系统中采用相同的设置&＃xff0c;每个离子生成一个光子&＃xff0c;这两个光子在50/50分束器上发生干涉&＃xff0c;且能在分束器的输出端检测到干涉。当两个输出端同时记录检测到光子时&＃xff0c;系统发出信号&＃xff0c;表示用于生成光子的两个离子已经制备完成&＃xff0c;且处于最大的纠缠态。该协议能使一对离子量子比特在两个芯片上发生纠缠&＃xff0c;而且不需要量子比特之间的直接相互作用。这个协议可以在不同芯片上执行双量子门比特门&＃xff0c;在后续计算任务中应用前景好。

智能城市中的应用场景是多样的&＃xff0c;量子计算凭借它的并行计算性提供了指数级的计算速率加速。 不仅如此&＃xff0c;基于量子力学的物理特性&＃xff0c;量子计算还能提供诸多应用环境。在本章&＃xff0c;我们将对智能城市中的量子计算应用进行整理。

智能电网

智能电网依靠大量的嵌入式智能设备对系统状态进行实时监测和控制。 基于开放体系并高度集成的通信系统是智能电网的基础。它需保证交互操作能力&＃xff0c;并且可以兼容新的通信媒介。智能电网的实施将使电力公司获得大量的数据&＃xff0c;如何管理和利用这些数据是实现效益的关键&＃xff0c;因此必须找到适合于海量数据管理的方法并开发基于这些数据的高级应用软件&＃xff0c;以服务于系统的优化运行。量子电路相较于经典电路是并行操作&＃xff0c;对海量数据进行并行管理是量子计算的天然优势。此外&＃xff0c;开放、兼容和互联必然伴随着信息安全的风险。智能电网必须确保网络安全以确保信息的保密性、完整性和可用性。而QKD已经被证明是一种良好的通信安全方法&＃xff0c;不仅是QKD&＃xff0c;其他量子加密或者量子安全方法论都有望在智能电网系统中得到广泛应用。

智能家居

智能家居是以用户住宅为平台&＃xff0c;利用各种新技术&＃xff0c;如通信技术、自动控制技术等&＃xff0c;把生活息息相关的各种家电、安防等设施集成&＃xff0c;组成住宅设施管理系统&＃xff0c;造就一个安全、便利、舒适、环保的家居生活环境。目前智能家居正朝着具备无线远程和近程控制相结合、多媒体&＃xff0c;游戏娱乐功能于一身、快速便利的家电控制等功能的方向发展&＃xff0c;其核心技术为扩展性强的智能家居控制器和满足信息传输快而准需要的家庭网络。由于智能家居对传感器的需求是毋庸置疑的&＃xff0c; 在量子技术中&＃xff0c;量子传感器利用量子力学的特性&＃xff0c;例如量子纠缠、量子干涉和量子态压缩&＃xff0c;这些特性优化了传感器技术的精度并突破了电流限制。量子测量在诸多技术应用中都可以击败经典策略的性能&＃xff0c;不仅如此&＃xff0c;量子计算提供了更高效的计算方式&＃xff0c;对智能家居中的大量数据处理有着指数级的效率提升。

智能停车

城市停车设施难于应对交通需求的快速增长&＃xff0c;停车难问题日益加剧。智能停车是一个巨大且多样的应用场景&＃xff0c;停车诱导信息系统(Parking Guidance Information System&＃xff0c;PGIS)的出现很大程度上缓解了停车难的问题.PGIS通过分析和预测区域停车场泊位利用情况&＃xff0c;将泊位信息提供给驾驶员&＃xff0c;并结合路网交通现状为驾驶员提供路径诱导&＃xff0c;这种传统诱导工作模式是一种以发布诱导信息为基础的“被动式”停车诱导。然而&＃xff0c;“被动式”停车诱导并没有充分考虑到出行者的主动性和切身利益&＃xff0c;诱导系统各模块之间缺乏有效协调&＃xff0c;未能实现停车资源充分利用&＃xff0c;使得诱导系统效率低下。而考虑所有的变量对于当前物联网与存在算力瓶颈的信息处理技术是一项挑战&＃xff0c;量子计算的指数型加速与高效信息处理方式允许系统对数据进行并行处理&＃xff0c;因此量子计算在智能停车系统中是有极大使用潜力的。

智能交通

随着自动控制技术、信息技术和计算机等技术的进步而提出的智能交通系统是对传统交通系统的一次革命。在现有路况条件下&＃xff0c;智能交通系统把人、车、路综合起来考虑&＃xff0c;使个体交通行为更加合理&＃xff0c;其可以提高交通管理部门的决策能力、减少驾驶人员的操作失误、提高交通运输系统的运行效率和服务水平、增强交通系统的安全可靠性、甚至可以将降低交通带来的环境污染作为考虑因素之一。智能交通(ITS)系统中包括交通动态信息监测 、交通执法 、交通控制、需求管理、交通事件管理、交通环境状况监测与控制、勤务管理、停车管理、非机动车和行人通行管理等大量数据进行同时处理&＃xff0c;数据处理的体量是巨大的。量子计算的高效计算能力和新颖的安全机制显然非常适合这个领域。

智能健康管理

目前便携式智能健康监测设备虽可简单、便捷地监测重要健康指标&＃xff0c;但此类型设备并非专业医疗监测设备&＃xff0c;所监测数据准确性未能达到医疗级别&＃xff0c;不能用于医疗诊断&＃xff0c;无法实现与医疗机构间的数据互联互通。 目前尚未形成可整体反映个体健康状态的健康指标集&＃xff0c;部分可以反映健康状态的数据未能得以充分监测&＃xff0c;无法实现对个人身体情况的全面了解。特别是慢性病患者、孕妇等需要长期监测和管理大量数据指标的项目&＃xff0c;由于智能设备医疗传感器采集数据资源有限&＃xff0c;且计算资源短缺无法完全满足其医疗需求。量子传感技术与量子通信技术将是极其有潜力的解决方案&＃xff0c;不仅可以保持通信中的隐私还可以实现高效的数据采集。

智能制造

在制造资源/能力共享上&＃xff0c;由企业内、企业间、跨区域企业间共享协作向全球化共享协作发展。随着产品性能和结构的不断复杂化&＃xff0c;仅由单个企业完成整个产品的设计、制造和服务等所有的研制与生产活动已不可能&＃xff0c;制造协作成为了不可避免的趋势。 在产品生产上&＃xff0c;由机械的自动化生产走向了数据驱动的智能化生产。 智能制造关注数据的实时采集、汇总、处理和知识共享&＃xff0c;以产生智能操作。 制造系统具备了数据泛在感知、智能分析、决策优化、人机协同和精准执行的能力&＃xff0c;因此对数据处理的效率需求更高。量子计算技术将以它特有的高效性为该领域注入活力。使得智能制造产业更加高效&＃xff0c;同时多方协作之间更加安全。

其他科学领域的深度研究与开发

电子结构问题因其在化学和材料科学领域的中心地位而备受关注。该问题需要求解的是电子在外电场中相互作用的基态能量和波函数&＃xff0c;电子结构决定了化学性质以及化学反应的速率和产物。虽然求解该问题的经典算法相当有效&＃xff08;如密度泛函理论&＃xff09;&＃xff0c;但是这些方法通常无法达到预测化学反应速率或者区分相关材料的不同所需的精确度。

由于量子计算截止到目前为止仍然是一个非常新颖且具有无限潜力的技术&＃xff0c;虽然量子化学、量子优化以及密码破译是理想量子计算机最致命的潜在应用&＃xff0c;但该领域仍处于早期阶段。因此除了密码学之外&＃xff0c;我们认为预测量子计算对各个领域的影响是不准确的&＃xff0c;量子计算是如此年轻以至于很多变化甚至都没有出现。我们给出了现存的开放性问题。但是目前的研究表明了一些问题&＃xff0c;我们非常乐意在这进行一个简单的说明。此外&＃xff0c;未来的研究方向是明确的&＃xff0c;因此在本章我们将对未来的研究趋势与方向进行重点的说明。

误码率的矫正一直是量子信息领域的关键挑战之一&＃xff0c;研究人员正继续进行新的量子纠错码和新的量子容错方案研发&＃xff0c;目标是大幅降低实现容错量子计算需要的资源开销。这项工作大部分都集中在表面码及其变体的研究上&＃xff0c;如一种称为拓扑码的纠错码。
根据[量子计算&＃xff1a;未来与发展]中的报告指出&＃xff0c;D-Wave的量子计算机工作时的温度相对较高&＃xff0c;设备中存在某些模拟误码&＃xff0c;这说明量子退火计算机可能存在其他未被发现的基本限制。即使是一台大型纠错量子计算机也不一定总是优于经典计算机&＃xff0c;任何量子计算的物理实现都需要在受控环境中对其所谓知的量子比特进行大量复杂的门运算或者能量处理&＃xff0c;这时将可能与经典计算结合使用以达到更高的效率。此外&＃xff0c;对于所有的量子比特技术而言&＃xff0c;首要的挑战在于如何降低大型系统中的量子比特误码率的同时交替进行测量与量子比特运算。显然&＃xff0c;对于逻辑量子比特、甚至物理量子比特的量子计算机来说&＃xff0c;在失去相干性之前&＃xff0c;可以用物理量子比特进行大量的量子比特运算。因此&＃xff0c;通过制造和控制的改进来提高物理量子比特的保真度是至关重要的。

我认为量子计算的未来方向至少有下面三个方向&＃xff1a;

1. 在经典计算机算法无法改进的应用领域寻找量子算法&＃xff0c;且该算法的问题规模适中&＃xff0c;门深度适中&＃xff0c;能够实现量子加速求解的可行方案。这类算法在NISQ时代是经典&量子混合技术的代表&＃xff0c;有望实现困难问题的显著加速求解。这将是量子计算接下来的一个重点研究方向之一。
2. 寻找问题领域&＃xff0c;当经典计算的最佳算法收到经典计算的自然规模限制&＃xff0c;且在这些领域上&＃xff0c;问题规模的适度增加会对问题的求解造成显著影响。不仅局限于现存问题&＃xff0c;寻找量子计算可以应用的新兴领域也是量子计算能够持续成长的重要研究方向之一。
3. 量子计算机的一个明显的指标是系统中运行的物理量子比特数量&＃xff0c;要制造能够实现Shor算法的可扩展量子计算机&＃xff0c;需要在量子误码率和物理量子比特数两方面进行改进。这将需要量子硬件与软件领域的通力合作&＃xff0c;物理硬件能够直接提升物理量子比特的数量&＃xff0c;而合适的软件方法也可以构造更多的逻辑量子比特进而实现多量子位的编程。而这些技术的发展离不开材料工程、环境工程、数学、物理等诸多领域的协同工作。