2023量子科技十大用例 | 光子盒年度系列

随着量子科技的不断突破，量子计算、量子通信、量子测量等应用场景逐渐向纵深拓展，量子产业呈现出较好的发展势头。

量子计算的发展比以往任何时候都更加迅速，这提醒我们，这项看似‘高冷’的前沿科技，已悄然应用于不少领域。

在当前的科技界，量子计算适用于优化、机器学习和模拟等特定算法。随着量子工程中此类算法的出现，多个用例可应用于不同领域。从金融开始，欺诈检测、医疗保健、供应链管理、化工、石油和新材料研究都是可以产生主要影响的领域。

在此，光子盒（QUANTUMCHINA）根据本年度的应用领域、场景赋能、商业表现等指标综合评价，列出2023年表现较为突出的十大量子用例（在实际应用中的使用案例）。

为避免引发争议，本文仅总结了2023年相关量子用例的进展，而非引导舆论或夸大当前阶段量子技术的实际应用能力。这份列表并非详尽无遗，排名不分先后，量子科技的潜在应用远比本文所列更为广泛。如果您在阅读本文后了解到更多相关进展，欢迎在评论区分享更多见解！

2023年7月，美国国家可再生能源实验室（NREL）团队与RTDS Technologies Inc.和Atom Computing公司合作，在能源部能效和可再生能源办公室的资助下，成功实现了量子计算与电网的首次连接。

该研究团队在科罗拉多州博尔德附近使用RTDS实时电网模拟器堆栈和Atom Computing的原子阵列量子计算技术成功展示了他们的开源接口。

这一演示标志着量子计算技术首次被集成到动态电网研究平台中，为电网和硬件验证带来了新的可能性。

电力输送是一项庞大而复杂的任务，需要准确同步和协调庞大网络中的传感器、通信基础设施、数据管理系统和控制机制。

为了更快地完成这一任务，量子计算机成为一种有力的选择。

通过NREL的集成能源系统高级研究（ARIES），研究人员得以在现实电力系统中运行圈量子实验（quantum in-the-loop），将量子计算嵌入到电力系统中。

NREL的演示依赖于九台数字实时模拟器，通过ESnet网络与Atom Computing的量子仿真器进行通信，并最终与其原型系统Phoenix进行通信。

该演示展示了圈量子技术的独特能力，为电力系统的发展和优化提供了新的可能性。

通过这一成果，NREL团队指出，研究人员可以利用量子计算机开发和实现量子近似优化算法或变分量子优解算法，弥合经典计算机和量子计算机之间的计算差距。

ARIES将在未来扩展，到2024年将具备控制10,000台能源设备的能力，为评估量子算法和推动电力系统的进步提供了独特的真实性。

虽然量子计算仍处于黎明阶段，但美国能源部和NREL已经成功消除了将这一充满希望的技术引入能源系统的重要障碍。

从谷歌Chrome浏览器116版本（于2023年8月15日发布）起，支持开始X25519 Kyber768——这是一种混合密钥封装机制（KEM），其中Kyber-768是抗量子KEM，已在2022年获得NIST的抗量子加密技术认可。

为何要这么做呢？因为许多人相信，量子计算机总有一天至少能破解某些传统加密方案。

在这次公告中，Chrome浏览器的安全技术项目经理戴文·奥布莱恩（Devon O’Brien）解释了这一变动：“人们相信，能够破解现代经典密码学的量子计算机在5年、10年甚至50年内都不会出现，那么为什么今天就必须开始保护信息流呢？”

——答案是，密码学的某些用途很容易受到一种名为“现在收获，稍后解密”的攻击。即现在收集和存储数据，一旦密码分析能力提高，就可以稍后再进行解密。

此次部署的X25519 Kyber768混合机制有效应对了这一威胁：X25519 Kyber768结合了两种加密算法的输出，用于加密传输层安全(TLS)会话。

其中，X25519是一种椭圆曲线算法，目前用于建立安全TLS连接的密钥协议过程；Kyber-768是一种抗量子的KEM，在2022年获得了NIST对抗量子加密技术的认可，最终草案预计将于2024年完成。

在Chrome浏览器中部署这两种算法的混合版本，将便于这家网络巨头、其技术用户以及Cloudflare等其他网络提供商可以测试抗量子算法，同时保持现有的保护措施。

不仅如此，对该技术的早期部署对网络管理员也有实用价值，因为新的混合KEM方案在TLS ClientHello消息中增加了超过一千字节的额外数据。

当这家互联网巨头用CECPQ2进行类似实验时，一些TLS中间件将无法处理流量，因为它们对消息大小有硬编码限制。

总之，谷歌在帮助用户保护其通信方面迈出了精彩的一步。

奥布莱恩表示：“这意味着我们无法知道它何时会上线，但它很可能会在我们不知情的情况下发生，我们现在就必须部署这种防御技术，以免被人抓住把柄。”

2023年3月28日，抗量子网络安全领域的头部公司QuSecure宣布与埃森哲合作，完成了首个使用抗量子安全技术(PQC)保护的多轨道数据通信测试。

QuSecure和埃森哲合作提供了一个独特的从地球到低地球轨道(LEO)卫星的加密量子弹性通道，用其解决之前多轨道卫星数据可以被收集，并有可能被经典破解方法和量子计算机破解的问题，同时可以通过切换到地球同步卫星(GEO)，并再次传回地球，以模拟在单个轨道中卫星受到威胁、故障或遭受攻击时的冗余备份方案。

这一结果是通过埃森哲协助的LEO数据传输实现的。整个传输使用传统网络安全和QuSecure的QuProtect TM平台的量子弹性网络安全进行保护，所有这些都没有在卫星上安装软件，这表明QuProtect能够通过软件层升级现有硬件上的安全通信。

现在，QuSecure和埃森哲可以帮助组织通过太空中的多个轨道进行实时、更安全（从经典和量子安全的角度来看）的通信和数据传输。

3月20日，克利夫兰诊所和IBM宣布在美国部署了医用量子计算机，标志着全球医学界迈入了量子计算时代。

这台由IBM提供的Quantum System One将成为世界上首个专为医疗保健研究而设计的量子计算机，旨在助力克利夫兰诊所加速生物医学发现。

克利夫兰诊所首席执行官Tom Mihaljevic博士表示，这是克利夫兰诊所与IBM创新伙伴合作伙伴关系的重要里程碑，将探索将量子计算应用于医疗保健的新途径。

他认为量子计算、人工智能和其他下一代技术的结合，将推动医学领域探索新的治疗方法，为癌症、阿尔茨海默氏症和糖尿病等疾病的治疗提供创新解决方案。

IBM的董事长兼首席执行官阿文德·克里希纳（Arvind Krishna）则表示，通过整合量子计算、人工智能和其他先进技术，希望与克利夫兰诊所携手开创医疗保健和生命科学领域的新纪元。

“通过将量子计算、人工智能和其他下一代技术的力量与克利夫兰诊所在医疗保健和生命科学领域世界闻名的领导地位相结合，我们希望点燃一个新时代。”

医学领域一直在不断吸收新思想和技术，而量子计算作为一种年轻但强大的计算模型，具有指数级的计算速度，有望成为医学领域最强大的工具之一。

此次，部署医用量子计算机标志着医疗保健和医学领域进入了一个全新的时代，为解决以往难以解决的问题提供了希望。

2023年3月，英伟达（Nvidia）和Quantum Machines推出了一项引人注目的创新，将CPU和GPU与量子技术相结合的新架构。

该新系统整合了英伟达的Grace Hopper超级芯片和Quantum Machines的OPX平台，为科学研究人员和尖端开发人员提供了构建可在经典和量子系统中运行的应用程序的全新途径。

英伟达和Quantum Machines宣称，这一创新的DGX Quantum系统是首款GPU加速的量子服务器。

该系统不仅赋予开发人员能力，构建更为强大的应用程序，可在经典和量子技术之间灵活运行，还提供了一系列功能，包括改进的校准、控制系统、量子纠错和混合算法等。

DGX Quantum系统的推出标志着在量子计算领域取得的重要进展，为未来的科学和技术创新打开了新的大门。

2023年12月，Multiverse Computing公司携手穆迪分析公司（Moody’s Analytics），共同推出了软件即服务（SaaS）平台QFStudioTM。

这一平台的推出旨在为那些在量子计算领域经验有限的用户提供便利，QFStudioTM平台具备Excel插件和Python界面等用户友好的界面设计。

QFStudioTM旨在通过SaaS产品缩小金融领域的从业者之间的差距。

该产品允许用户比较经典算法性能和量子算法性能，以便在解决特定问题时选择最佳方案。这一平台专为机器学习、优化和金融模拟等应用提供了量子计算解决方案。

用户可以通过网络界面或应用程序接口（API）连接到该服务，从而获得对量子算法和量子计算模型的访问，而无需承担硬件维护的成本。

此次合作充分利用了穆迪在金融领域的网络和经验，以及Multiverse的量子计算资源，包括其奇点软件（构成了QFStudioTM平台的核心）和行业关系。

此外，QCentroid还参与了平台的用户界面设计，着重提升了量子算法的易用性。

这一面向客户的量子SaaS应用战略代表了量子计算可能从根本上改变金融领域问题解决方式的潜力：从市场预测到复杂金融建模。

2023年12月21日，美国陆军与Rydberg Technologies这家初创企业携手，在世界首次成功利用原子量子接收器实现了远距离无线电通信。

这一重大突破将极大助力新一代防干扰和防黑客通信技术的发展。

Rydberg Technologies公司作为里德堡量子技术在全球射频（RF）量子传感领域的领导者，在美国陆军作战能力发展司令部（DEVCOM）C5ISR中心网络现代化实验2023（NetModX23）活动中发布了低尺寸、低重量、低功耗（SWaP）原子接收器，并成功演示了世界首例运用原子量子传感器进行远距离无线电通信的技术应用。

——这一活动被认为是下一代通信和情报技术的试验场。

这标志着五角大楼对未来军事安全的关键问题有所关注，因为未来的对手将拥有更加高效的电磁战能力。

量子传感器使得军队能够探测到原本难以发现的无人机、携带高科技通信设备的士兵，甚至是加密设备——尽管它并非解密通信内容。

此次Rydberg Technologies在原子接收器开发中获得了国防创新部下属的国家安全创新资本（NSIC）资助计划的支持，凸显了在国家安全和商业领域推进量子技术的战略重要性。

这一支持显示了对于量子技术在未来军事应用中的关键作用的认可和重视。

2023年8月，空中客车公司、宝马集团和Quantinuum公司宣布共同推进一项量子-经典混合工作流程的研发，以加速未来利用量子计算机进行模拟量子系统的研究，特别聚焦燃料电池中催化剂的化学反应。

这一合作团队充分利用Quantinuum的H系列量子计算机，成功报告了铂基催化剂表面氧还原反应（ORR）的精确建模情况。

该研究展示了量子计算在工业工作流程中的适用性，极大增强了我们对关键化学反应的理解。

氧还原反应是燃料电池中将氢和氧转化为水和电的关键过程，其反应速率较慢且需要大量的铂催化剂。

因此，对该反应内在机理的深入了解对于提高燃料电池性能、降低生产成本至关重要。

由于涉及的化学机制具有量子特性，经典计算机很难准确模拟ORR等化学反应。

也正因如此，这项研究将量子计算置于模拟这类复杂化学反应的前沿，有望为未来实现“量子优势”提供有力支持。

在研究的实验论文中，团队强调了这项研究对于电催化模型的深入研究的重要性，并突显了量子计算在燃料电池建模方面的早期实际应用潜力。

2023年12月19日，宝马集团在发布的量子机器学习应用导向基准测试文献中，生动展示了英伟达cuQuantum SDK在加速量子电路模拟方面的卓越表现。

当前，宝马集团正在深入研究量子计算如何增强生成模型中的算法，他们惊讶地发现cuQuantum的模拟性能提高了300倍，每次迭代从8小时缩短至几分钟。

在这次实验中，QUARK不仅能够评估宝马集团量子计算算法的效率，还可对比量子模拟器和量子硬件的性能。QUARK作为一个标准化和可扩展的平台，专注于适应不同领域的量子计算应用，包括量子机器学习、优化和数值模拟。

QUARK架构

宝马集团的科学家们仅需轻微修改代码库，即可释放cuQuantum SDK的强大功能，实现对多达30个量子比特的模拟。

最终，通过使用英伟达A100 Tensor Core 40 GB GPU进行量子机器学习工作负载的量子电路模拟，与采用双AMD EPYC 7742的CPU实现相比，速度提高了300倍。

这次由宝马集团展示并由英伟达（NVIDIA®）加速的研究成果，突显了一个用于量子应用基准测试的高性能框架的价值。借助英伟达（NVIDIA®）cuQuantum，宝马集团有效利用QUARK显著改善了量子生成模型的训练时间和基准测试，为消除计算瓶颈，提供了引人注目的解决方案。

2023年10月5日，波音公司和IBM量子公司的研究人员合作，在《自然》杂志的《npj量子信息》（npj Quantum Information）上发表了一篇新论文，为探索新型抗腐蚀材料迈出了早期一步。

通过将波音的腐蚀工程专业技术与IBM的量子计算能力相结合，研究人员成功开发了两种新技术，用于量子模拟腐蚀过程中的关键步骤，即水还原反应。

由于量子计算在量子尺度系统建模方面的特殊优势，研究人员能够比主要的经典方法更准确地计算水还原反应中涉及的能量。

此外，研究人员创造性设计了一种具有潜在价值的新方法，用于精确而自动地简化量子电路，从而大幅减少运行模拟所需的量子资源。

最后，研究人员表示，波音公司和IBM量子公司将继续合作，深入研究量子计算如何揭示材料在不同环境中与之相互作用导致降解的化学反应。

波音公司和IBM Quantum已在寻求波音公司如何从量子计算中获益的新方法上取得初步成果，其中一个感兴趣的领域是开发先进的耐腐蚀化学品，用于涂覆飞机。

随着波音公司建立量子劳动力队伍并推动量子计算的不断改进和规模化，预计该公司将通过量子问题解决来迎接更多航空航天方面的挑战。

以上是我们对2023年引起关注的十大量子计算应用的总结。

展望2024年，我们预计将看到更多概念验证用例的发布，以及量子计算在各个行业的更广泛应用。

这需要最终用户和量子专家之间的合作，以确定用例并开发利用量子计算独特功能的解决方案。

总的来说，虽然这些领域的进展需要时间，但量子计算的潜在好处使其成为未来几年令人兴奋且充满希望的领域。

参考链接：

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/ZEbxtDdbsaDHoq71UZftpg

[2]https://www.mobileappdaily.com/knowledge-hub/quantum-computing-use-cases

[3]https://www.techtarget.com/searchdatacenter/news/365533073/Nvidia-DGX-Quantum-system-blends-CPUs-GPUs-with-CUDA

[4]https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/tech-forward/quantum-technology-use-cases-as-fuel-for-value-in-finance