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《聚焦量子计算，解读科技热点》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： husisi
  • 发布时间：2023-01-03

  • 随着量子计算的加速发展，商界、政府和产业界对量子计算的关注和投资呈现出增长势头。新兴的量子计算用例也在商业领袖、技术爱好者乃至公众之间引起了广泛讨论。
    何为量子计算？
    当用户在手机、平板电脑或笔记本电脑上运行多个程序时，设备会发热，处理器的运行速度会变慢，电量也会迅速耗尽。数据量与运行计算程序所需的能源消耗之间存在着直接关联。
    量子计算机可以开辟出行之有效的新途径，解决极其复杂的计算难题。与常规计算机使用的非0即1的二进制码不同，量子比特可同时以0和1的叠加状态存在，这意味着量子比特能够存储大量的数据，而不会产生相应的能量损耗。每增加一个量子比特，量子计算的数据处理能力都会呈指数级增长，且不会增加能耗。
    当科研人员找到增加量子比特数量和构建稳健的量子计算机的方法时，量子计算的潜力也会持续跃升。目前，科研人员正在研究如何增加量子计算机可以使用的量子比特数量，这对创建可商用的量子计算机至关重要。
    量子计算机可否取代传统计算机
    与普遍流行的观点相反，量子计算机不会取代传统计算机。量子计算的真正价值在于，量子计算机执行计算的速度要比传统计算机快得多。
    另一方面，传统计算机仍然非常适合日常的计算机使用需求。量子计算机有可能同时执行多种复杂的计算，通过解决复杂的优化问题、分析庞大的数据集和仿真，增强传统计算机的功能。
    量子计算机擅长解决哪些问题？
    计算机能够推动创新、实现突破，而以前人们认为只有人类才有这种能力。与其他任何工具一样，量子计算机和传统计算机能够帮助人们更有效地解决问题。传统计算机拥有足够的处理能力，甚至能够在帮助人们处理日常工作的同时，运行极其先进的算法。但是，由于它们的内存空间有限，再加上时间相对有限，传统计算机无法解决一些特定类型的计算问题。
    量子计算系统将能够在短时间内处理大量的数据，用时要比传统计算系统短得多。得益于此，量子系统已蓄势待发，将赋能工业、政府和学术应用，加速创新。其用例包括：
    产品和技术开发
    量子计算具有独特而强大的数据处理能力，能够帮助开发者解决产品和技术开发挑战，而这些难题是依靠经典计算无法解决的。量子计算机将提高模拟和仿真能力，让产品开发者能够在更短的时间内创建精确、高保真的数字孪生，并面向更广泛的现实世界场景对其进行测试。这将推动更高品质的产品在更短的时间内快速进入市场，并大幅降低成本。
    医疗科学
    从开发药品到改进医疗诊断成像技术，量子计算机将以令人难以置信的速度分析分子和细胞的相互作用，让科研人员能够仿真人体系统，研究各种生物化学变化。这意味着科研人员有可能进行更加完整的临床试验，且用时比目前的临床试验少得多。
    数据安全
    传统计算机利用相关算法生成大素数，为数字安全程序奠定基础。但是，量子计算机可以破解该算法。这对采用标准加密工具的企业和机构而言是一个重大威胁。同时，量子计算机可以生成大量可靠的、无法破译的“真”随机数，也为网络安全向新的范式转变提供了可能，以大幅提高网络安全。
    科学研究
    超强的机器学习、人工智能和仿真能力将帮助科学家加快在粒子物理学和天文学等领域的探索发现。科研人员借助量子计算的仿真功能，可以增强气候建模能力，仿真深海、太空等人类目前很难涉足的环境，也可以对各种场景中的人体进行建模。
    供应链运营
    供应链物流对消费者、企业、产业和政府等社会的方方面面都有影响。利用量子计算机提供的仿真能力可以管理全球供应链物流中复杂的变化因素，并协调处理多个来源的数据。量子计算机将优化资源管理，改善物流规划，从而增强供应链运营的可持续性和价值。
    城市规划
    量子计算机驱动的人工智能和机器学习技术能够监测、预测和缓解整个大都市区的交通拥堵。这样不仅可以解决拥堵病，还能减少碳排放，降低维护成本，为人们带来裨益。此外，它能够帮助城市规划工作者做出更明智的决策，推动城市发展，改善城市环境，提升居民的生活质量。
    量子计算机离我们有多远？
    私营、公共和学术机构正在进行大量投资，以推动量子计算机的开发、稳定运行和商业化进程。包括IBM、谷歌在内的科技公司以及包括梅赛德斯-奔驰在内的汽车巨头纷纷加入了美国国家科学基金会（NSF）、欧洲核子研究中心（CERN）和中国科学技术大学的行列，投身于量子计算的开发和部署，以期将该技术集成到它们的产品和服务中。
    谷歌、IBM和英特尔等主要参与者开发了第一批量子计算机，可以运行几十甚至几百个量子比特。虽然这些系统功能强大，但是要超越传统超级计算机的能力，实现真正的量子计算性能，科研人员必须克服基础设施和规模化方面的挑战，才能让真正可商用的量子计算机广泛普及。
    为了推动量子系统开发而开展的相关研究，使得在传统计算机上仿真量子效应的量子启发式算法逐渐兴起。将这些算法用于解决现实问题，可为企业提供新的洞察力、降本增效的机会，并提高运营效率。
    这些混合系统可提供一定的商业优势，让企业通过一种低风险的途径，为迎接量子计算做好准备。在量子启发式系统上运行的相同算法和应用程序能够在更短的时间内解决复杂的优化问题。此外，这些量子启发式系统为企业提供了一种低风险的方式来做量子计算实验，同时在量子计算机商用之后还可以培训员工进行使用。
    是德科技的量子计算解决方案已经助力科研人员取得了突破性进展，在探索量子超能力之路上更进了一步。是德科技的量子控制系统是一种量子比特控制解决方案，这款完全数字化的量子控制系统集成了专用的量子控制硬件和全栈的软件功能，让用户能够迅速开始针对量子比特的探索实验。

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GPa压力下达到液氮温区的镍氧化物超导体。这是由我国科学家率先独立发现的全新高温超导体系，是人类目前发现的第二种液氮温区非常规超导材料，是基础研究领域的重要突破。 这一研究成果将有望推动破解高温超导机理，使设计和预测高温超导材料成为可能，使超导在信息技术、工业加工、电力、生物医学和交通运输等领域实现更广泛的应用。08FAST探测到纳赫兹引力波存在证据由中国科学院国家天文台等单位科研人员组成的中国脉冲星测时阵列研究团队，利用中国天眼FAST，探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据，表明我国纳赫兹引力波研究与国际同步达到领先水平。相关研究成果于北京时间6月29日在我国天文学术期刊《天文与天体物理研究》在线发表。12月14日，相关成果入选《科学》杂志2023年度十大科学突破。 当前，纳赫兹引力波研究已经成为物理和天文领域国际竞赛的焦点之一。然而，纳赫兹引力波频率极低、周期长达数年，其波长可达数光年，对它的探测极具挑战性。利用大型射电望远镜对一批自转极其规律的毫秒脉冲星进行长期测时观测，是目前已知唯一的纳赫兹引力波探测手段。 值得一提的是，欧洲脉冲星测时阵列—印度脉冲星测时阵列、北美纳赫兹引力波天文台和澳大利亚帕克斯脉冲星测时阵列等脉冲星测时阵列合作组也在同一时间宣布了相似的结果。据中国科学院国家天文台研究员、北京大学研究员李柯伽介绍，国际上4个团队分别独立获得纳赫兹引力波存在的关键证据，这使得研究结果可以相互印证，进一步提高了这一成果的准确性。09世界首个全链路全系统空间太阳能电站地面验证系统落成启用空间太阳能电站（SSPS）是解决能源危机、实现可持续发展的终极答案之一。工程院旗舰刊物《Engineering》于2023年11月30日系统报道了西安电子科技大学段宝岩院士团队完成的逐日工程——世界首个全链路、全系统SSPS地面验证系统，阐述了欧米伽SSPS创新设计方案、理论创新、技术突破、工程实现及实验结果。远距离高功率微波无线传能效率（距离55m，发射2081瓦，波束收集效率87.3%，DC-DC传输效率15.05%）与功质比等主要技术指标世界领先。 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    • 编译者：于彰淇
    • 发布时间：2023-12-28
    • 12月26日，“2023年度十大科技名词”在京发布。“大语言模型、生成式人工智能、量子计算、脑机接口、数据要素、智慧城市、碳足迹、柔性制造、再生稻、可控核聚变”入选。十个最具影响力和代表性的科技名词，为公众描绘出一幅科技发展的生动画卷。“2023年度十大科技名词”由全国科学技术名词审定委员会事务中心联合国家语言资源监测与研究平面媒体中心、蜜度微热点研究院、万方数据、百度百科、百度指数、《中国科技术语》杂志社等多家机构联合发起，并于今年9月启动。经过数据收集与备选词筛选、聚类分析与候选词筛选、专家评审与公众投票、综合评选与公布解读四个阶段，以确保选出的科技名词不仅具有时代意义，还反映广泛的社会共识和科技进步的真实脉络。 十大科技名词的具体解读如下：大语言模型（large language model，LLM）大语言模型是基于海量文本数据训练的深度学习模型。它不仅能够生成自然语言文本，还能够深入理解文本含义，处理各种自然语言任务，如文本摘要、问答、翻译等。2023年，大语言模型及其在人工智能领域的应用已成为全球科技研究的热点，其在规模上的增长尤为引人注目，参数量已从最初的十几亿跃升到如今的一万亿。参数量的提升使得模型能够更加精细地捕捉人类语言微妙之处，更加深入地理解人类语言的复杂性。在过去的一年里，大语言模型在吸纳新知识、分解复杂任务以及图文对齐等多方面都有显著提升。随着技术的不断成熟，它将不断拓展其应用范围，为人类提供更加智能化和个性化的服务，进一步改善人们的生活和生产方式。生成式人工智能（generative artificial Intelligence,generative AI）生成式人工智能是利用复杂的算法、模型和规则，从大规模数据集中学习，以创造新的原创内容的人工智能技术。这项技术能够创造文本、图片、声音、视频和代码等多种类型的内容，全面超越了传统软件的数据处理和分析能力。2022年末，OpenAI推出的ChatGPT标志着这一技术在文本生成领域取得了显著进展，2023年被称为生成式人工智能的突破之年。这项技术从单一的语言生成逐步向多模态、具身化快速发展。在图像生成方面，生成系统在解释提示和生成逼真输出方面取得了显著的进步。同时，视频和音频的生成技术也在迅速发展，这为虚拟现实和元宇宙的实现提供了新的途径。生成式人工智能技术在各行业、各领域都具有广泛的应用前景。量子计算（quantum computing）与经典计算不同，量子计算遵循量子力学规律，它是能突破经典算力瓶颈的新型计算模式。量子计算机，作为执行量子计算任务的设备，以量子比特（qubit）为基本运算单元。在量子计算中，基于量子叠加原理，量子比特的不同状态可被同时存储和处理。量子计算为解决某些经典计算机难以处理的复杂问题提供了新的可能性，有望在密码破译、材料设计以及人工智能等方面得到广泛应用。研制量子计算机是实现量子计算的关键，量子计算机包括离子、中性原子、光子等天然量子比特路线，以及超导约瑟夫森结、量子点等人工量子比特路线。在过去的几年中，这些系统都取了巨大的进展，且已在某些特定的采样问题上实现了量子优越性的展示。我国对量子计算机的所有路线均有布局，2023年，光学系统（“九章号”）和超导系统（“祖冲之号”）均取得了显著的进展。脑机接口（brain-computer interface， BCI）脑机接口技术是一种变革性的人机交互技术。其作用机制是绕过外周神经和肌肉，直接在大脑与外部设备之间建立全新的通信与控制通道。它通过捕捉大脑信号并将其转换为电信号，实现信息的传输和控制。2023年，科学家们开发了可以将神经信号转化为接近正常对话速度的语句的脑机接口。全球首例非人灵长类动物介入式脑机接口试验在北京获得成功，促进了介入式脑机接口从实验室前瞻性研究向临床应用迈进。随着脑科学、人工智能和材料学的发展，脑机接口技术的不断进步，它将在提高患者生活质量、促进个性化和精准化医疗方面发挥重要的作用。数据要素（data elements）数据作为新型生产要素，是数字化、网络化、智能化的基础，已快速融入生产、分配、流通、消费和社会服务管理等各环节，深刻改变着生产方式、生活方式和社会治理方式。数据要素是指那些以电子形式存在的、通过计算的方式参与到生产经营活动并发挥重要价值的数据资源。在数字经济中，数据要素的角色可与传统的生产要素（如劳动力、资本和土地）相提并论。数据要素是推动数字经济发展的核心引擎，是赋能行业数字化转型和智能化升级的重要支撑，也是国家基础性战略资源。2023年正式成立的国家数据局，负责协调推进数据基础制度建设，统筹数据资源整合共享和开发利用，统筹推进数字中国、数字经济、数字社会规划和建设等，不仅体现了对数据资源的战略性管理和规范化利用的需求，也体现了国家层面对数字经济发展和数据治理的重视。智慧城市（smart city）智慧城市是以发展更科学、管理更高效、生活更美好为目标，以信息技术和通信技术为支撑，通过透明、充分的信息获取，广泛、安全的信息传递和有效、科学的信息处理，提高城市运行效率，改善公共服务水平，形成低碳城市生态圈而构建的新形态城市。随着科技的飞速发展和信息化社会的到来，智慧城市已成为今后城市规划的新方向。2023年，我国智慧城市建设方面的投资持续增加，技术不断革新，主要发展领域包括智慧政务、智慧应急和智慧交通等。智慧城市不仅能够提高城市治理的效率和质量，而且在应对环境变化、提升居民生活质量方面发挥着重要作用。展望未来，以人为本，城市数智化转型、绿色低碳发展和技术创新多元化发展，包括数字孪生、元宇宙等新兴技术的深入应用，将使城市服务更加智能化和人性化。碳足迹（carbon footprint）碳足迹是用来衡量个体、组织、产品或国家在一定时间内直接或间接导致的二氧化碳排放量的指标。碳足迹的计算涵盖了产品或服务从生产、运输、最终使用到废弃处理的整个生命周期的排放。这种全面的评估方法使我们能更准确地了解和评价人类活动对环境的影响。碳足迹概念的推出，旨在提醒人们要意识到应对气候变化的紧迫性。通过计算和了解个人或组织的碳足迹，可以帮助人们识别和实施减少温室气体排放的策略，进而对抗全球变暖。2023年，我国陆续出台了一系列政策，加快提升国内重点产品的碳足迹管理水平，促进相关行业的绿色低碳转型，助力实现碳达峰和碳中和目标。随着对气候变化影响的深入理解，以及碳捕集、利用与封存技术的不断进步，人类正在采取更多的减排和碳中和措施。这些措施正深刻地影响我们的生活、工作方式，或将重塑整个社会经济结构。柔性制造（flexible manufacturing）柔性制造是指一种应对大规模定制需求而产生的新型生产模式。它能够快速适应市场需求的变化、产品设计的更新以及制造过程中的变动。柔性制造强调在生产过程中的适应性和灵活性，其核心优势包括高度定制化和出色的适应能力，这使得它能够有效应对大规模定制需求。随着工业4.0的兴起，柔性制造正成为制造业发展的一个重要趋势。工业互联网、机器人技术、人工智能改变了传统工业的生产与管理方式，让“个性定制”“一件起订”的柔性化生产模式变为现实。在面临消费者不断变化的需求和全球竞争环境的背景下,柔性制造将在定制化、响应速度和资源效率方面发挥重要作用。再生稻（ratooning rice）再生稻是一季水稻收割后，利用稻桩上休眠的腋芽重新萌发成穗，再收一季的水稻。我国种植这种水稻的历史悠久，可以追溯到1700年前的晋代。2023年，我国在中国空间站成功进行了再生稻实验，“太空水稻”获得了再生稻的种子，研究取得了重大进展。我国科学家成功克隆了全球首个水稻再生力基因，揭示了其参与调控水稻再生力的分子机理。再生稻通过提高收获指数来增加粮食产量，对确保粮食安全、促进农民增收具有重要意义。可控核聚变（controlled nuclear fusion）可控核聚变是可控的，能够持续进行的核聚变反应。在地球上建造的像太阳那样进行可控核反应的装置，称为“人造太阳”。可控核聚变的目标是实现安全、持续、平稳的能量输出，其潜在优势使其成为最理想的终极能源形式之一。与核裂变相比，可控核聚变释放能量大，原料来源丰富，产生的放射性废物少，且具有更高的安全性。2023年，我国在该领域取得了显著进展：全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）已经在多个实验中取得了重要成果；核聚变大科学装置“中国环流三号”面向全球开放，邀请世界各国科学家来中国集智攻关。目前可控核聚变的商业化应用仍然面临许多技术上和工程上的挑战，而一旦实现突破，它将为人类提供用之不竭的清洁能源。
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