如果能够克服当前的局限，量子计算就有可能解决与人类最紧迫问题相关的计算难题。
利用光子的光量子计算，绕开了与基于电子的量子计算技术相关的能源挑战。
光量子计算有望在2030年前实现百万量子比特级的计算机，并可在多个领域提供解决方案，包括可持续人工智能。
面对日益复杂的社会挑战，从气候紧急状况到粮食短缺，再到健康差距，技术——尤其是人工智能——带来了希望。然而，社会对人工智能的日益深度融合也带来了前所未有的巨大能源需求。要构建一个能够应对全球最紧迫问题、并以负责任和可持续的方式运用人工智能的未来，我们必须超越传统计算，寻找能够以显著更低的能耗提供更强性能的技术。
答案是量子计算与光子学。量子计算有望以惊人的速度进行运算，这意味着它能即时解决传统超级计算机需要10万年才能完成的问题。由于它以全新而不同的方式运作，超越了传统计算机的计算极限，因此有望应对长期以来被认为不可能解决的挑战。
量子计算预计将在2030年前后开始带来切实的现实效益——应对社会挑战、释放人工智能的潜力，并通过推动个性化医疗、可再生能源和安全粮食供应等领域的发展，促进人类进步。而最新的进展——基于光子学的光量子计算——目前正在推进之中。它有望以更高的可扩展性、更高的精确度和更佳的能效实现上述所有目标——并以光速运行。
为何量子计算如此具有挑战性
即便经过35年的发展，量子计算仍面临重大障碍。
首先，量子计算难以轻松或高效地实现规模化。量子比特（即量子位，qubit）是量子计算机中信息的基本构成单元。随着量子比特数量增加，量子计算机的物理尺寸随之增大，并需要更多冷却系统，这将消耗大量额外能源。
第二大挑战是纠错：随着计算日趋复杂，“量子噪声”不断累积，使得精确计算变得困难。这种噪声可能来自电磁辐射、温度波动或不完善的控制信号等干扰，所有这些都可能影响量子比特的状态。
应对这些挑战的关键因素，是将光子学（或光学技术）纳入其中。这种被称为光量子计算的技术目前正在研发之中，并将深刻改变世界。
光学技术将如何推动量子计算发展
光量子计算将以光子学为基础。简而言之，这意味着它将依靠光粒子来传输信息。这相较于当今基于电子学的技术是一次巨大飞跃：电子在传输和处理数据时需要消耗能量，并会产生热量，而散热又需要消耗更多能源。光子以光速传播，所需能量极少，几乎不产生热量。
基于电子的量子计算机面临能源挑战，因为其性能提升的同时，功耗也随之上升。它们还需要冷却至接近绝对零度，因此只能依靠消耗大量能源的大规模制冷系统运行。
另一方面，光量子计算将能够在室温和常压下运行，无需专门的冷却或真空系统，因此功耗要低得多。
量子计算的工作原理
无论是否基于光学，量子计算的基本原理都是相同的。设想一座迷宫。在传统计算机上解决问题，就像逐条路径探索迷宫：沿着通道前行，直至走到死胡同，然后退回最近的岔路口，再尝试下一条路径。如此反复，直到最终找到出口。随着迷宫愈发复杂，需要检验的路径数量会显著增加。
量子计算则像是同时探索迷宫中的所有路径，最终只保留通往出口的那一条。由于它能够同时检验多种可能性，量子计算可以解决远比传统计算机复杂得多的问题。它正是通过量子比特实现这一点的，量子比特本质上相当于标准计算机比特的量子对应物。
要使量子计算机能够广泛用于具有重大社会影响的应用，需要达到100万至1亿个量子比特。我们距离实现1亿个量子比特还有很长的路要走，但我们正迅速而协作地开发能够处理100万个量子比特的计算机——这是我们力争在本十年末实现的目标。
光量子计算机通过多路复用助力这一进程。多路复用基本上是指将多个独立的数据流或信号合并，并通过单根光纤电缆同时发送。这大大加快了量子比特数量的扩展，使我们更快达到100万个量子比特的目标，甚至1亿个量子比特的目标。
为何量子计算对人类至关重要
由于传统计算机的局限，当今有一些现实问题我们无法解决。量子计算机有望使解决此类问题成为可能。光量子计算机将通过以更低能耗实现大规模模拟和优化，进一步推动这一进程。
以下是量子计算所能提供的部分帮助：
气候行动：通过设计高能效材料并优化可再生能源系统，帮助世界减少碳排放。
气候紧急状况：通过帮助专家预测台风或飓风等重大气候事件的条件与发展过程，减轻与天气相关的紧急状况和灾害；并通过识别人工智能单独容易遗漏的低概率模式，实现对罕见的局部极端事件作出更准确的预测。
粮食安全：通过推动低能耗固氮工艺在化肥生产中的创新，为建立更加稳定的全球粮食供应做出贡献。
医疗保健与福祉：加快药物研发，推动个性化医疗的进步，从而支持大流行病防范，并助力减少健康差距。
金融稳定：支持大规模风险分析与最优投资策略的实时执行，增强全球金融市场的稳定性。
量子技术同样有潜力推动各行业转型。例如，在制造业中，它可以优化供应链和碳中和产品设计，从而助力向可持续工业结构转型。在信息与通信技术行业，量子计算可以优化全球规模的通信网络，使其具备应对灾害和故障的韧性，其程度是传统计算机无法企及的。此外，在能源领域，量子技术带来的发电、储能和智能电网优化方面的创新，有望推动脱碳进程。
通往未来的光子之路
光量子技术可以为人类可持续的未来奠定基础。它可以通过高效合成化肥帮助我们解决粮食问题，优化大城市的交通和物流，为每个人量身设计最优药物分子结构，并设计有望成为新能源来源的聚变反应堆。
虽然传统计算机可以为此类挑战提供近似解，但其精确度有限。量子计算能够以显著更高的精确度解决高度复杂的问题，而光量子计算机将带来更大的优势：以更低能耗实现高速处理。借助光学技术快速扩展量子比特容量的能力，我们预计将在2030年前后实现具备容错能力的100万量子比特系统。这将改变世界。
光量子计算将使我们更接近解决一些最重大的全球性挑战，推动负责任、可持续的人工智能发展，并在商业、健康、科学等领域带来长期的社会效益。这是一项为人类带来希望的技术，其方式曾经是难以想象的。
