AI时代，“量子计算”或将成为计算领域下一站热潮？

AI时代，技术巨轮正滚动前进，基础设施变革也已经露出苗头。

今年初，工业和信息化部、教育部、科技部、交通运输部、文化和旅游部、国务院国资委、中国科学院等7部门联合印发的《关于推动未来产业创新发展的实施意见》中，量子计算机、量子信息技术等量子计算相关技术被多次提及。显然量子计算已经成为未来中国产业创新的关键发力点之一。

近年来，包括中国在内，全球各个科技强国都在积极布局量子计算领域。尤其是伴随着生成式AI的火爆，人工智能再一次来到了科技的风口，而量子计算被看做人工智能发展的重要技术之一，在人工智能领域，量子计算机可以帮助人工智能以类似人类的方式更有效地执行复杂的任务，比如使人形机器人能够在不可预知的情况下实时作出优化决策。

量子的叠加性，使得量子计算机与传统计算机相比，能够实现算力呈指数级规模拓展和爆发式增长。

传统计算机的基础原理是二极管和逻辑门，每一个信息单元叫做比特，只能代表0或者1中的任意一个数字，对二进制数字或字节组成的信息进行存储和处理；而量子态叠加原理使得每个量子比特同时处于比特0和比特1的状态，通过两种状态的叠加实现并行存储和计算。这样操纵1个量子比特的量子计算机可以同时操纵2个状态，当一个量子计算机同时操控n个量子比特的时候，它实际上能够同时操控2的N次方个状态。

量子计算“天生具备”的并行性，使得人们不再需要并行多台计算机、配置多个CPU，就可以实现并行计算。一台量子计算机可以同时对2的n次方的个数进行数学运算，相当于经典计算机重复实施2的n次方次操作。且随着量子比特数量的增加，量子计算机的运算速度优势将越来越明显，量子计算机与经典计算机相比，其运行速度，就好像如今的电脑与珠算相比。以破解RSA密码为例，用目前最强大的超级计算机来破解RSA密码系统，预计要用到60万年，而用量子计算机只需要3小时左右。

随着以ChatGPT为代表的大语言模型的崛起，以及包括计算化学、生物医疗、机器学习、智慧城市、自动驾驶等等需要高算力支持的应用的逐步落地，人们对算力的渴望愈发强烈，算力服务化已是必然趋势。

量子计算以其强大的并行计算能力，单位时间内不可匹敌的运算速度，在上述应用迅速发展的背景下，可以预见，在未来，随着需求的不断增加，量子计算机和量子云服务将成为下一次数据中心技术革新的突破口。

安全方面

一方面，量子计算的发展让传统保密技术被破解的风险将变得越来越高。例如，基于RSA或椭圆曲线加密方法的公钥密码体制等方法，都将在面对量子计算机的攻击时失去效力。

另一方面，量子计算也提供了新的安全和隐私保护手段，如基于量子纠缠和不可克隆性的量子密钥分发技术，以及基于量子随机性和不可兼容性的量子安全多方计算技术，可以实现无条件安全的通信和计算。量子技术将成为数据中心提升安全性的重要手段之一。

能耗方面

量子计算的计算时间相较于传统计算机有了质的飞跃，这意味着，量子计算机在某些问题上能够节省大量的计算时间，大幅提升了“算效”，从而降低能耗。另一方面，在量子计算中，我们可以通过一些如量子降温、量子误差校正等优化技术，有效减少制冷等硬件成本，从而降低量子计算机的能耗。

高性能方面

在诸如ChatGPT等生成式AI爆火的当下，对数据中心算力的要求越来越高，而量子计算的逐步成熟，将满足人们对于算力日益庞大的需求。

首先是环境要求

众所周知，计算机的运用会产生热量，且越精密的计算机对于周边运行环境越高。这点对于量子计算机而言亦是如此。量子计算机实现准确的运行需要实现“超导”。

“超导”温度在最早要求是“绝对零度”（等于摄氏温标零下273.15度【-273.15℃】）。经过众多科学家不懈的努力，如今利用液氮冷却，以及“高温”超导材料方面的技术突破，目前，中国超导临界温度已提高到-120℃左右，但这个温度实现的“成本”依旧很高。

其次是可靠性

实现大规模量子计算需要大量的量子比特，而实现大规模量子比特的技术还非常困难。这是因为量子比特非常脆弱，容易受到来自外部世界的“量子测量”和“量子干扰”的影响。要维持这种状态必须排除噪声的干扰，因为即便是最细微的干扰，都会破坏这种叠加态，导致它们失去“量子优势”，从而无法完成量子比特之间的复杂运算。

除此之外，量子计算机还需要一种快速读取量子比特状态的技术，这也是量子计算机技术上的重要难点之一。

硬件成本

以目前技术而言，量子计算机的研究和制造成本非常高，一方面，量子计算机需要的超导材料价格高昂，且制造工艺成本也十分高。

据统计，单个量子比特的成本可能高达10000美元左右。而随着量子比特的数量不断提升，这个数值可能会呈现几何倍数式的增长。