在这篇文章中，我将介绍量子计算的一些近期用例，但首先我想介绍一下“量子”，或者特别是量子计算力量背后的量子力学，已经在我们的日常生活中使用，一些近期应用，其中量子效应正在提供强大的新功能，最后，量子计算的力量可能会产生最大的影响。

日常生活中的量子力学

任何试图学习量子计算或量子力学的人都可能对如何以一种相关的方式在你的脑海中描绘它感到困惑。因为量子力学的规模如此之小，而且物理学完全陌生，所以它是一个令人生畏的领域，很难想象。然而，我们每天都在使用量子力学并从中受益，而无需了解基础物理学。以下是一些示例（Choudhury，2019）：

1. 电子电器：如果您注意到烤面包机中的加热元件，您正在目睹电能的量子力学应用，红色辉光就是证明，电能被转化为热能。
2. 计算机（晶体管和微芯片）：每台计算机（以及许多其他现代产品中使用的芯片）中的核心晶体管通过半导体工作，其中电子的行为像波，这是量子物理学的核心原理。
3. LED：与晶体管一样，LED 由两层半导体制成，它们相遇并释放由电源施加的能量，这也是一种量子物理作用。
4. 激光器：激光器通过一种基于光子受激发射的光学放大形式产生单色光，这是另一种量子物理过程。
5. MRI：磁共振成像通过翻转氢原子核中的自旋来工作。
6. GPS：无处不在的全球定位系统，其中互连的卫星使用原子钟，使用量子理论和相对论的原理来测量时间和距离。
7. 白炽灯泡：就像上面提到的烤面包机一样，电流通过细灯丝并使其变热，使其发光，从而产生可见光——所有量子力学过程。
8. 传感器：几乎我们所有人都有数码相机或使用手机中的相机。这些相机使用镜头收集和传输光子，传感器（一种半导体形式）将光子转换为数字图像。

希望这些例子能让您有信心了解量子物理学会影响您的日常生活，而无需了解基础物理学。现在让我们使用该基线来探索量子物理学在量子传感、量子通信以及最后是量子计算中的应用。

量子传感

量子传感具有广泛的用例，包括增强成像、雷达和 GPS 不可用的导航。这些用途都不需要纠缠，因此它们比强大的量子计算机更接近实际使用。

对时间、加速度和磁场、电场或重力场的变化进行高精度测量的探测器可以提供精确的运动跟踪。在这种情况下，如果起点已知，则未来的确切位置也已知，不需要外部 GPS 信号，也没有对手干扰或干扰信号的能力，因此这对军队。

量子传感的另一个应用涉及鬼成像和量子照明。鬼成像使用量子特性来检测远处的物体，使用非常微弱的照明光束，目标难以检测到，并且可以穿透烟雾和云层（Shapiro，2008）。量子照明类似，可用于量子雷达。

这些量子传感应用的桌面原型已经得到证明，并具有最近的商业潜力（Palmer，2017）。

量子通信

量子力学在通信中的主要近期应用涉及量子密钥分发（QKD）。QKD 是在两个通信方之间使用的一种加密形式（下面将详细介绍加密），这些通信方将其信息编码为传输的光子。由于光子的量子特性，任何窃听者截获使用 QKD 编码的消息都会留下一个迹象，表明数据流已被读取，因为查看光子的行为会改变它（量子动力学的基本原理）。因此，量子安全通信被称为“不可破解”。这一原理已经通过光纤和视距塔（两者都有距离限制）进行了展示，最近中国通过卫星进行了展示。中国推出墨子号2018 年的卫星，并在中国和奥地利之间传输了一条完全安全的 QKD 加密消息（Liao 等人，2018 年）。上个月，由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和滑铁卢大学合作开发的量子通信卫星 CAPSat 被国际空间站送入轨道，旨在测试无法破解的量子通信。因此，远程量子通信已经成为现实（Schwink，2021）。

量子计算

到目前为止，在这篇文章中，我已经向您展示了量子物理学如何影响您的日常生活以及一些已经在使用或通过原型显示成功的新应用，因此将在短期内使用。量子物理学中商业开发最少但最有益的特性涉及量子计算中量子比特的叠加和纠缠[在上一篇文章中有详细介绍]。

我想明确指出，“量子计算机”并不是能够取代现有二进制计算机的全能超级计算机。量子计算的一个基本特征在于，当你增加纠缠量子比特的数量时，它的计算能力呈指数级增长，这在某些类型的计算或问题上与数字计算区分开来。这种指数加速很有价值的最基本领域适用于称为组合学的领域。让我举一个例子来为这次讨论奠定基础。

假设您管理一个网络组，并且您正在计划本月会议的座位表，其中八名成员将参加。您想安排座位，以便通过让某些成员坐在门前等方式帮助优化社交机会并尊重资历（原因并不重要，假设座位表有很多细微差别）。您可能认为这是一个简单的练习——例如，将 Alice 和 Bob 放在一起，但不要放在 Charlie 旁边，因为他们已经互相认识了。将 Sam 放在离门最近的位置等。然而，事实证明，只有 8 人，就有超过 40,000 种不同的座位安排（对于那些试图破译数学的人来说，它是 8！或 8 阶乘，这意味着将 8 位与会者中的任何一个放在第一个座位上，然后将其余 7 个与会者中的任何一个放在下一个座位上，等等，或 8 x 7 x 6 x 5 x 4 x 3 x 2 x 1 = 40,320 种不同的座位组合）。这可能看起来比您预期的要复杂，但直觉上您可能会觉得如果必须的话，您可以解决它。

但是，想象一下在下个月的会议上，您有 16 名成员参加，并希望在座位安排上同样勤奋。对于这次会议，现在有 20,922,789,888,000 个不同的座位安排可能，或超过 20 万亿！只有 16 人 (16x15x14x….)。这违背了逻辑，但却是简单的阶乘数学。现在，我并不是建议我们需要 Quantum Computers 来帮助制作座位表，但座位表代表了一个典型的“优化”挑战。在某些情况下，随着输入数量的增加，潜在的组合很快就会变得难以管理，因此引用了组合学。

量子计算机将在哪里提供近期结果？

量子比特的叠加和纠缠使量子计算机能够同时考虑许多组合，而不是线性地考虑，因此处理速度大大加快。现在让我们深入研究量子计算机可以使用这些加速特性在处理当前难以管理的组合问题的能力方面提供“量子优势”的两个领域，即模拟/优化和密码学。

模拟与优化

对于优化，您可以将我们的网络座位问题想象成类似于药物开发或材料科学等事物的分子建模。

在这些情况下，当您调整正在研究的原子、分子或蛋白质时，不同排列或配置的数量会迅速增加，如座位表示例所示。强大的量子计算机可以同时模拟和评估许多潜在的配置，并可以显着加速这些领域的进展。以下是量子计算机可以加速计算问题的一些示例：

• 模拟：模拟自然界中发生的过程，用经典计算机难以或不可能表征和理解，这有可能加速药物发现、电池设计、肥料设计、流体动力学、天气预报和衍生品定价等方面的进步。
• 优化：使用量子算法在一组可行选项中确定最佳解决方案，例如供应链物流、投资组合优化、能源网络管理或交通控制。

下表突出显示了量子计算加速将体现的其他领域示例：

以下是关于其中一些应用程序以及一些已经部署早期量子计算程序的公司的示例：

• 今天，大多数新药都是通过反复试验来配制的，从发现新药分子到进入临床的平均时间为 13 年，成本高达 20 亿美元。如果我们可以使用量子计算机在计算机上模拟各种药物，而不是通过实验室实验的反复试验，我们可以缩短这个时间线并降低总体成本。最近，医疗保健巨头罗氏宣布与剑桥量子计算公司建立合作伙伴关系，以支持解决阿尔茨海默病的研究工作。合成生物学公司Menton AI与量子退火公司D-Wave合作，探索量子算法如何帮助设计具有治疗应用的新蛋白质。
• 肥料对于养活世界不断增长的人口至关重要，因为它们可以让粮食作物长得更强壮、更大、更快。世界上一半以上的食品生产依赖于由 Haber-Bosch 工艺生产的合成氨肥料，该工艺将氢和氮转化为氨。然而，这个过程具有巨大的碳足迹，包括执行转换所需的能源（有人估计这占全球所有能源生产的 2%-5%）以及它排放的大量二氧化碳副产品。科学家们相信，使用量子计算机，他们可以绘制出某些细菌所使用的化学成分，这些细菌自然会产生肥料，并发现一种替代目前由 Haber-Bosch 工艺产生的合成肥料的替代品。事实上微软已经展示了量子计算机如何创造更好的肥料产量，并创建了一个量子化学图书馆来促进此类研究。
• 在向绿色经济转型的过程中，全球都在推动扩大电池驱动的汽车，但现有的汽车电池容量/续航里程有限，充电时间长。寻找具有更好性能的材料是量子计算机可以更好地处理的另一个分子模拟问题。这就是为什么德国汽车制造商戴姆勒与IBM合作评估量子计算机如何帮助模拟硫分子在不同环境中的行为，最终目标是制造更持久、性能更好且更便宜的锂硫电池比现有的锂离子电池。
• “旅行推销员问题”通常描述了优化业务路线的挑战，这是另一个领域，随着输入的增加，组合学使问题难以解决。例如，一个由 50,000 多艘商船组成的船队，每艘载有 200,000 个集装箱，总价值达 14 万亿美元，每天都在积极运转。能源巨头埃克森美孚 与IBM合作，研究量子计算机是否可以更好地优化这些路线和相关物流。

加密

量子计算机将产生深远影响的另一个领域是加密。几乎每次您在计算机上登录网站、执行在线银行交易或政府在实体之间发送机密通信时，此类活动都是“在网络上”，意味着其他人可以访问。它受到 Ron Rivest、Adi Shamir 和 Leonard Adleman 于 1977 年开发的加密协议的保护，称为RSA 公钥加密。

简而言之，RSA 加密的基础在于它使用两个非常大的素数来创建“因式分解问题”。这是一个过于简单的解释：

1. 发件人使用一个非常大的数字（两个大质数的乘积）来加密或加密消息。这称为公钥。
2. 与公钥一起编码的消息通过 Internet 发送（理论上，任何人都可以看到/阅读这些）。
3. 发送者和接收者以安全的方式传递私钥。此私钥是用于创建公钥的两个主要因素。
4. 接收方使用其私钥解密或解密消息。

如果不知道这个“私钥”，就无法解码编码的消息。换句话说，找到一个非常大的数的两个素数是非常困难的，所以如果 RSA Encipher 密钥是基于一个足够大的数（即 2048 位，超过 600 位长），在当前的情况下几乎是不可能的。计算机找出两个质因数。然而，在 1994 年，数学家 Peter Shor 提出了一种算法，可以在更短的多项式时间内将大数分解为素数。事实上，他创建的算法是开源的，任何人都可以在 Internet 上下载。[对于那些有兴趣查看实际代码的人，您可以访问这里：[ Shor 算法的 GitHub 实现，用 Python 编写，量子部分调用 Q#]。现有的量子计算机只能分解相当小的数字，但任何人都可以轻松获得代码，只要创建足够强大的量子计算机就可以使用它来破解现有的 RSA 加密。

加密货币挖矿和钱包也是容易受到量子计算机攻击的领域。比特币和其他加密货币由计算机“挖掘”，这些计算机处理越来越复杂的算法，从而产生新的比特币（这就是比特币消耗越来越多电力的原因）。随着加密货币级别的破译，揭开下一轮硬币的代码变得更加复杂。据估计，目前的比特币协议还需要 120 年才能开采剩余的硬币，因此一旦量子计算机足够强大，它们就可以更快地开采剩余的硬币。此外，大多数人用来保存其加密货币的钱包具有与上述加密相关的类似漏洞。

我希望这篇文章可以帮助您了解量子力学如何影响您的日常生活，并开始了解量子计算机将产生深远影响的领域。请继续关注该主题的更深入研究。

参考：

1. Jean-Francois Bobier、Matt Langione、Edward Tao 和 Antoine Gourevitch，“量子计算中‘如果’变成‘何时’会发生什么”，波士顿咨询集团，2021 年 7 月。
2. Bodur, Hüseyin 和 Kara, Resul，“在 Android 消息应用程序上使用 RSA 加密算法进行安全 SMS 加密。”，2015 年。
3. Bova, Francesco, Goldfarb, Avi & Melko, Roger G.，“量子计算的商业应用”，EPJ 量子技术，2021 年。
4. Cavicchioli, Marco，“量子计算机开采比特币的速度有多快？” 密码学家，2020 年 5 月 12 日。
5. Choudhury，Ambika，8 种你不知道量子技术在日常生活中的应用方式 (analyticsindiamag.com)，2019 年 10 月 7 日。
6. Leprince-Ringuet, Daphne，“量子计算机：量子计算改变世界的八种方式”，ZDNet，2021 年 11 月 1 日。
7. Liao、Sheng-Kai、Cai、Wen-Qi、Pan、Jian-Wei，“星对地量子密钥分发”，《自然》 ，2017 年 8 月 9 日。
8. 杰森·帕尔默（Palmer），“无处不在：量子技术开始崭露头角”，《经济学人》，2017 年。
9. Parker, Edward，“量子技术的商业和军事应用及时间表”，兰德公司，2020 年 7 月。
10. Schwink, Siv，“自退火光子探测器让全球量子互联网更接近可行性”，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟格兰杰工程学院，2021 年 10 月 13 日。