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La comercialización de la computación cuántica aún necesita superar barreras técnicas y dilemas de escala

Desde que el físico Richard Feynman propuso por primera vez cómo utilizar las propiedades de la mecánica cuántica para revolucionar la informática en 1982, la computación cuántica se ha convertido en una de las tecnologías más prometedoras. Las computadoras cuánticas, que tienen decenas o incluso cientos de veces la potencia de computación de las computadoras comunes, son un foco de investigación que ha atraído a innumerables empresas de tecnología, grandes grupos académicos y gobiernos de todo el mundo. Empresas e incluso países se están centrando en las ventajas que tienen los sistemas de computación cuántica sobre los sistemas informáticos "clásicos" actuales, logrando la llamada "superioridad cuántica".

Sin embargo, aunque Google afirmó haber alcanzado este hito hace dos años, el logro de la superioridad cuántica no resolvió un problema práctico que es imposible de resolver para las computadoras clásicas, e IBM y otras compañías pronto lo demostraron. Algunas de las supuestas ventajas del sistema de computación cuántica de Google podrían compensarse mediante ajustes en las computadoras clásicas.

La mecánica cuántica es una rama de la física que estudia el comportamiento de las partículas subatómicas. La computación cuántica utilizando una misteriosa mecánica cuántica trasciende las características de los límites de la física newtoniana clásica y es fundamental para lograr un poder de computación exponencial. un sueño de larga data en el mundo de la tecnología.

Las computadoras clásicas utilizan bits como unidad de información almacenada. Los bits son binarios y un bit representa "0" o "1". Sin embargo, en una computadora cuántica la situación es completamente diferente. Las computadoras cuánticas utilizan bits cuánticos (qubits) como unidad de información. Los qubits pueden representar "0", "1" y también pueden ser "1 y 0". Esto significa que una computadora cuántica puede superponer todas las combinaciones posibles de "0" y "1" de modo que los estados de "1" y "0" existan al mismo tiempo.

En otras palabras, el registro de 2 bits en una computadora clásica solo puede almacenar un número binario a la vez, mientras que el registro qubit de 2 bits en una computadora cuántica puede mantener la superposición de los 4 estados en al mismo tiempo. Cuando el número de qubits es n, un procesador cuántico que realiza una operación en n qubits equivale a realizar 2n operaciones en bits clásicos, lo que aumenta considerablemente la velocidad de procesamiento de las computadoras cuánticas. En comparación con las computadoras tradicionales, las computadoras cuánticas pueden lograr una expansión exponencial y un crecimiento explosivo en la potencia informática, formando una "superioridad cuántica".

Además de mejorar la potencia informática, otra ventaja fundamental de la computación cuántica es la reducción del consumo de energía. Es bien sabido que el consumo de energía es un problema técnico importante en las computadoras clásicas. El procesador realiza una operación XOR en dos cadenas de datos de entrada y el resultado de salida es solo un conjunto de datos. Después del cálculo, la cantidad de datos disminuirá naturalmente. De acuerdo con la ley de conservación de la energía, la señal de datos desaparecerá inevitablemente. generar calor.

Por tanto, cuanto más integrada está la informática clásica, más difícil resulta disipar el calor. A medida que la Ley de Moore se acerca a su límite asintótico, las mejoras futuras en la potencia informática sólo pueden depender de apilar más chips informáticos, lo que conducirá a un mayor consumo de energía.

Pero en la computación cuántica, no importa cuántos conjuntos de datos se ingresen, la salida seguirá siendo el mismo conjunto de datos. La cantidad de datos no cambia durante el proceso de cálculo y no hay energía. consumo en el proceso de cálculo. Esto significa que el consumo de energía se produce sólo en la última medición. La informática clásica consumirá energía durante el cálculo de cada bit.

Con las ventajas principales de aumentar la potencia informática y reducir el consumo de energía, la computación cuántica seguramente será una nueva tecnología que rompa con el camino tecnológico de desarrollo actual de la industria informática y subvierta el futuro.

Actualmente, para algunas industrias tradicionales, ha surgido la presión informática que enfrentan una gran cantidad de enlaces de I + D, especialmente aquellas industrias que realizan I + D en el campo molecular con el poder informático de la tecnología humana existente, el tiempo. consumidos y con costos enormes, como los productos biofarmacéuticos, químicos, energéticos, etc., también hay otras industrias tecnológicas que tienen altos requisitos de potencia informática, que también son áreas donde la computación cuántica se puede utilizar para aplicaciones comerciales, como la búsqueda y la seguridad digital; , inteligencia artificial, aprendizaje automático y el metaverso actualmente popular, etc.

Sin lugar a dudas, sin tecnología de supercomputación como la tecnología cuántica, sería difícil para estas industrias y campos depender de los chips y la tecnología informática actuales para procesar enormes cantidades de datos y lograr distancias ultralargas. y procesamiento de datos de ultra alta velocidad. Transmisión, informática y aplicaciones ultraseguras y de alta velocidad.

Tomando como ejemplo la química computacional, simular una molécula relativamente básica como la cafeína requeriría un ordenador convencional de 10^48 bits, lo que equivale al 10% del número de átomos de la Tierra. Simular la penicilina requeriría 10^86 bits, un número mayor que el número de átomos en el universo observable. Una computadora convencional nunca sería capaz de realizar una tarea así, pero en el ámbito cuántico, tales cálculos son posibles.

Actualmente, la computación cuántica está recibiendo cada vez más atención. Como tecnología emergente que rompe la Ley de Moore y logra un crecimiento exponencial en la potencia informática de las computadoras, ha atraído a innumerables empresas de tecnología y grandes grupos académicos a invertir en ella.

De hecho, aunque las predicciones sobre el futuro de la industria de la computación cuántica varían, casi todas las opiniones creen que su escala será enorme. Como dijo Doug Finke, operador del sitio web de seguimiento de información cuántica Quantum Computing Report: "Creo que el mercado de la computación cuántica alcanzará los mil millones de dólares alrededor de 2025, y puede llegar a los 50 mil millones de dólares en 2030. -10 mil millones de dólares". % -20% del mercado actual de informática de alto rendimiento. Según estimaciones de Honeywell, la computación cuántica podría valer 1 billón de dólares en los próximos 30 años.

Teniendo en cuenta las amplias perspectivas del mercado de la computación cuántica, no es difícil entender por qué la comercialización de la computación cuántica puede atraer una gran cantidad de inversión pública y privada. El capital de riesgo convencional y las grandes corporaciones ya están apostando por empresas privadas de computación cuántica. Empresas del tamaño de Google, IBM y Honeywell están invirtiendo fuertemente en computación cuántica, incluida la autoinvestigación, la inversión de capital privado y la cooperación. Un informe reciente afirmó que solo en 2021 habrá más de mil millones de dólares en inversiones privadas en investigación de computación cuántica.

Entre ellos, la mayoría de los proyectos y empresas se encuentran en etapas iniciales, en su mayoría en ronda semilla, ronda A o incluso en estado de incubación/aceleración. Vale la pena señalar que el tema de la inversión en computación cuántica es muy especial debido al superpoder de computación de la computación cuántica y al cifrado de la red de comunicación compuesta por criptografía cuántica, la "inversión en equipo nacional" juega en él una fuerza impulsora indispensable. .

De hecho, además de la participación de las principales instituciones de inversión y grandes empresas, el papel de los "equipos nacionales" como el DOE de EE. UU., la CIA, la NASA, el STDC canadiense y Telstra Telecom han desempeñado un papel importante. papel en su promoción. Promueven la investigación científica y la comercialización de la computación cuántica en forma de donaciones, inversiones e incubaciones. Uno de los proyectos de computación cuántica de Google, por ejemplo, implica trabajar con la NASA para aplicar las capacidades de optimización de la tecnología a los viajes espaciales.

Además, el gobierno de Estados Unidos se está preparando para invertir aproximadamente 1.200 millones de dólares en el proyecto de la Iniciativa Cuántica Nacional (NQI). El proyecto se lanzó oficialmente a finales de 2018 para proporcionar un marco general para la investigación y el desarrollo de la ciencia de la información cuántica en el mundo académico y el sector privado. El Plan Nacional de Tecnología Cuántica (NQTP) del Reino Unido se lanzó en 2013 con un compromiso de mil millones de libras esterlinas durante 10 años. El plan ha entrado ahora en su segunda fase.

Para nuestro país, aunque las empresas de tecnología de nuestro país ingresaron al campo de la computación cuántica más tarde que Estados Unidos, en los últimos años, las empresas líderes de la industria y los institutos de investigación científica también han comenzado a hacer arreglos en el campo de la computación cuántica. computación. Durante las "Dos Sesiones" de 2021, la tecnología de la información cuántica se mencionó por primera vez y se ha convertido en una de las tecnologías centrales de China para superar el "14º Plan Quinquenal". seguridad y desarrollo integral".

En términos de gigantes tecnológicos, Tencent ingresó al campo de la computación cuántica en 2017 y propuso el uso del diseño tecnológico "ABC2.0", que utiliza inteligencia artificial, robots y computación cuántica para construir infraestructura orientada al futuro. . Huawei se dedica a la investigación de la computación cuántica desde 2012. La computación cuántica es un campo de investigación importante del Laboratorio del Centro de Datos del Instituto Central de Investigación de Huawei. Las áreas de investigación incluyen software de computación cuántica, algoritmos y aplicaciones cuánticos, etc. Alibaba lleva a cabo investigación y desarrollo completos con hardware como núcleo mediante el establecimiento de laboratorios. Por otro lado, construye un ecosistema y explora e implementa aplicaciones con socios en las fases anterior, media y posterior de la cadena industrial.

Se puede observar que tanto las empresas de tecnología como las empresas de nueva creación tienen grandes esperanzas y entusiasmo por la computación cuántica.

El carácter subversivo de la computación cuántica es previsible, pero todavía queda un largo camino por recorrer antes de que la computación cuántica pueda realmente ponerse en producción y vida útil. Debido a que la tecnología aún se encuentra en la etapa de desarrollo, cuando la tecnología cuántica está en proceso de pasar de la implementación académica a la comercialización corporativa, la industria aún enfrenta el dilema práctico de los avances tecnológicos y la producción en masa a gran escala.

Actualmente, la comercialización de la computación cuántica aún se encuentra en etapa de exploración tecnológica. Aunque en la actualidad la computación cuántica ha logrado algunos avances importantes a nivel teórico y experimental, algunos países, incluidos Estados Unidos, Europa y China, han logrado diferentes avances y logros a nivel de tecnología cuántica, y también han tenido algunos avances comerciales correspondientes. aplicaciones. Pero en la actualidad, estas aplicaciones comerciales aún se encuentran en sus primeras etapas, o en la etapa de exploración y aplicación de tecnología.

Por ejemplo, los qubits requieren coherencia cuántica para formar entrelazamiento cuántico, lo que equivale a la necesidad de transistores de ganancia en las computadoras clásicas. Pero cómo lograr coherencia y gran escala es el mayor desafío al que se enfrentan los sistemas informáticos cuánticos. Estos problemas son difíciles de resolver incluso en teoría porque la información cuántica no se puede copiar y los subsistemas de las computadoras cuánticas están entrelazados entre sí, lo que hace que todos los diseños se piensen desde una perspectiva global.

Además, los ordenadores cuánticos, que aún no son perfectos, todavía necesitan más mejoras. Los circuitos cuánticos poco profundos requieren una mayor fidelidad de puerta y más estabilidad para limitar la decoherencia. Las máquinas de recocido cuántico requieren mejoras en la conectividad, la precisión del control y el tiempo de coherencia.

Desde una perspectiva de comercialización, actualmente pocas empresas en el ámbito de la tecnología cuántica han logrado beneficios acumulados. Debido a las elevadas barreras técnicas, las empresas suelen invertir miles de millones en I+D, pero los productos aún están en proceso de prueba y error, lo que dificulta el desarrollo de la comercialización. Tomemos como ejemplo a IonQ, como empresa unicornio centrada en la computación cuántica, según los datos financieros publicados por la empresa, en 2019 y 2020, la empresa obtuvo unos ingresos de 200.000 dólares estadounidenses y 0 dólares estadounidenses, mientras que su pérdida neta fue de 8,926 millones de dólares estadounidenses, respectivamente. , 15.424 millones de dólares estadounidenses, con un grado de comercialización muy bajo, y la mayor parte de los fondos de inversión son gastos de investigación y desarrollo.

Después de rastrear más de 200 empresas emergentes de tecnología cuántica, Doug Fink predice que la gran mayoría dejarán de existir dentro de 10 años, al menos no en su forma actual. Dijo: "Puede que haya algunos ganadores, pero también habrá muchos perdedores, algunos cerrarán, otros serán adquiridos, otros se fusionarán.

Aunque puedes ver el drama". La tecnología de computación cuántica actual ha logrado una serie de avances y está en proceso de avances continuos. Los gobiernos de todo el mundo también le han otorgado gran importancia e invertido muchos recursos financieros y humanos. camino a seguir antes de una verdadera comercialización a gran escala. La comercialización a gran escala requiere estabilidad técnica, que es esencialmente diferente de las aplicaciones experimentales y de pequeña escala.

El problema central que enfrenta la tecnología de computación cuántica en la actualidad sigue siendo el problema en la etapa de física empírica. La etapa de física teórica ha sido básicamente madura, pero al ingresar a la etapa de física empírica, lo que necesitamos es hacer. Este entrelazamiento cuántico estable, esquivo y extremadamente impredecible, puede convertirse en una tecnología de "estabilidad" dominable.

En general, el futuro de la computación cuántica es optimista y todo lo relacionado con la comercialización de la computación cuántica apenas ha comenzado. Puede que hasta ahora solo hayamos descubierto la punta del iceberg de la computación cuántica, independientemente de de qué empresa tecnológica provenga la primera aplicación práctica de la computación cuántica, o de otras empresas de servicios de datos, bancos, compañías farmacéuticas o fabricantes que intentan aplicar la tecnología. tecnología, esta carrera por la computación cuántica ya ha comenzado.