“量子狂潮”来袭，如何看待真实的“量子世界”？
作为一名量子科学家，看到“量子世界”在最新的《蚁人》系列电影中的重要地位，我兴奋不已。通过这一很好的方式，我们可以打破障碍，了解这个将在未来几年影响人类生活的领域。
那么，我们应该如何理解“真正的量子世界”呢？让我带大家感受一场受“量子狂潮”启发的量子科学技术和可能性之旅。我更为关注的是，我们如何确保像黄蜂女这样的女性，以及更广泛的代表性不足的群体，能够在这段旅程中发挥突出的作用。
我们不会迷失在“量子世界”里
在早期的一部《蚁人》系列电影中，初代黄蜂女珍妮特•凡•戴恩迷失在量子世界里，但如今我们已经在利用量子技术在真实量子世界中找到解决办法。
从通往工作地点的最佳捷径到互联网治理体系，我们所依赖的全球定位系统（GPS）背后都有量子传感器技术的支持。传感器在测量时间方面的精准度使许多GPS卫星内的原子钟精确计时。
传感器的工作原理是：利用粒子在原子尺度上的量子特性来探测引力场、电场或磁场的细微运动或变化。这种水平的精度可以提供高度精确稳定的测量，对时钟来说，可以使“计时”超级可靠。
精准的GPS固然很好，但最新的量子传感器技术将让我们更进一步。基于量子技术的定位、导航和授时系统（PNT）可以推动在GPS不起作用的环境中的导航变革。比如，在航天或军事领域中，GPS可能是一个可利用的弱点。PNT系统还为监测环境变化、从太空观测地球、预测长期天气状况提供了新方法，所有这些都为保险、采矿等各个行业以及全球可持续发展行动提供了关键数据。这些技术进步已经被科学家用于气候变化观测，并为今天的政策变革提供支撑。
许多PNT系统将冷原子传感器用作“原子加速度计”。它们利用物质的波状性质探测重力和加速度的细微变化。另一种类型的量子传感器则利用了钻石中的杂质发光使磁场成像的原理。这种类型的量子传感器值得提倡，因为它对生命系统无毒，因此在医疗保健领域潜力巨大。例如，目前的研究包括检测被疟疾感染的红细胞，从而阻止这种破坏性疾病的发展。
量子计算机将成为进入全新的计算能力世界的入口
早在2019年，谷歌（Google）量子计算机仅用200秒就完成了一项理论任务，谷歌估计最快的“传统”超级计算机（我们称之为非量子计算机）需要1万年才能完成。
如果你想到计算机已经在很大程度上改变了我们的生活，想象一下这种超强的计算能力能把我们带多远。量子计算机可以帮助我们更快地研发新药和可持续材料，更有效地管理电网，更好地侦查金融犯罪等。
贯穿所有这些活动的主线是分析大量数据和可能的组合。科学是复杂的，但却以极大简化的形式呈现。利用亚原子粒子的量子特性，计算机可以在一次执行中将所有可能的组合考虑在内。而传统计算机必须依次考虑每种组合，所以速度要慢得多。
不出意料，创造出能大规模做到这一点的真实机器几乎和科学本身一样困难。问题越难，量子计算机规模就要越大。
不过，我们已经取得了一定进展，我仍然对它们的未来充满信心。自谷歌在2019年取得一大成就以来，我们已经抵达了业内许多人认为不可能的其他里程碑。因此，在这个十年创造出通用的量子计算机是可行的。凭借量子理论、高性能计算机和人工智能相结合的混合方法，我们将更快地感受到这种影响。通过利用量子优势（在生物技术和其他领域的应用已产生令人惊喜的效果），这种方法将助力典型问题的解决。
在真实的“量子世界”保持安全
量子计算的巨大威力既是威胁，也是机遇。它可以破解我们当前使用的网络安全加密算法。
如今我们使用加密系统来保证最敏感的数据和系统的安全，而基于数学问题的密码算法是这些加密系统的支柱。这些数学问题对传统计算机来说过于复杂，但对量子计算机来说却不然。如果这些密码算法被破解，将危及敏感金融和健康数据、数字消息传递系统、关键基础设施、防御体系等的私密性和完整性。
在产生恐慌之前，大家需要记住的是，威胁是巨大的，但并非迫在眉睫。出现强大到可破解密码加密的量子计算机还需要数年时间。现在正是企业和政府做好准备的理想时机——替换加密系统是一项大规模的基础设施变革，大型组织需要数年才能实现。了解到各方正在积极考虑这些变革并采取行动，我们都可以睡得更安稳。
随着各个组织在量子安全准备方面取得进展，旨在降低威胁的量子风险技术市场也在不断成长。最备受瞩目的解决方案包括后量子密码学（PQC）和量子密钥分发（QKD）。虽然这两项技术和其他新兴解决方案仍处于初始发展阶段，但我相信，随着量子跃迁的步伐加快，我们会看到更多相关技术的进展。
不要忘记“黄蜂女”
随着发展速度的加快，我们需要合适的人来完成量子使命。就像黄蜂女和蚁人的合作一样，人才的多样性对我们的成功极其重要。
我是所修博士课程中唯一的女学生，也经常是董事会里唯一的女性。量子领域的其他女性也曾清楚地讲述过类似经历。出于与其他科学技术（科学、技术、工程、数学）领域相同的原因，我们需要更多元化的观点。来自不同背景的团队可以提出更好的解决方案，更有可能降低输入偏见的风险，并鼓励其他代表性不足的群体进入该领域。
这个问题非常复杂，所以当我看到关于欧洲STEM领域女性的统计数据时倍受鼓舞。2021年，欧洲7,400万STEM工作者中，女性占比达52%。更具体到量子领域，很高兴看到美国政府对量子领域劳动力发展做出的承诺。
每一步都很重要，但要吸引最优秀、最多元的人才，我们还有很长的路要走。
《蚁人与黄蜂女：量子狂潮》可能呈现的是一个虚构的量子世界，但我希望它能激励新一代投身量子领域，从而创造一个真实的量子世界。（财富中文网）
克莉丝汀M. 吉尔克斯博士是安永（EY）全球创新量子部门的主管。本文的观点仅为作者观点，未必反映安永全球组织或其成员所的观点。
译者：郝秀
审校：汪皓
2月16日，保罗•路德和伊万杰琳•莉莉在英国伦敦参加漫威电影《蚁人与黄蜂女：量子狂潮》（Ant-Man and the Wasp: Quantumania）的首映礼。摄影：GARETH CATTERMOLE——盖蒂图片社为迪士尼提供
作为一名量子科学家，看到“量子世界”在最新的《蚁人》系列电影中的重要地位，我兴奋不已。通过这一很好的方式，我们可以打破障碍，了解这个将在未来几年影响人类生活的领域。
那么，我们应该如何理解“真正的量子世界”呢？让我带大家感受一场受“量子狂潮”启发的量子科学技术和可能性之旅。我更为关注的是，我们如何确保像黄蜂女这样的女性，以及更广泛的代表性不足的群体，能够在这段旅程中发挥突出的作用。
我们不会迷失在“量子世界”里
在早期的一部《蚁人》系列电影中，初代黄蜂女珍妮特•凡•戴恩迷失在量子世界里，但如今我们已经在利用量子技术在真实量子世界中找到解决办法。
从通往工作地点的最佳捷径到互联网治理体系，我们所依赖的全球定位系统（GPS）背后都有量子传感器技术的支持。传感器在测量时间方面的精准度使许多GPS卫星内的原子钟精确计时。
传感器的工作原理是：利用粒子在原子尺度上的量子特性来探测引力场、电场或磁场的细微运动或变化。这种水平的精度可以提供高度精确稳定的测量，对时钟来说，可以使“计时”超级可靠。
精准的GPS固然很好，但最新的量子传感器技术将让我们更进一步。基于量子技术的定位、导航和授时系统（PNT）可以推动在GPS不起作用的环境中的导航变革。比如，在航天或军事领域中，GPS可能是一个可利用的弱点。PNT系统还为监测环境变化、从太空观测地球、预测长期天气状况提供了新方法，所有这些都为保险、采矿等各个行业以及全球可持续发展行动提供了关键数据。这些技术进步已经被科学家用于气候变化观测，并为今天的政策变革提供支撑。
许多PNT系统将冷原子传感器用作“原子加速度计”。它们利用物质的波状性质探测重力和加速度的细微变化。另一种类型的量子传感器则利用了钻石中的杂质发光使磁场成像的原理。这种类型的量子传感器值得提倡，因为它对生命系统无毒，因此在医疗保健领域潜力巨大。例如，目前的研究包括检测被疟疾感染的红细胞，从而阻止这种破坏性疾病的发展。
量子计算机将成为进入全新的计算能力世界的入口
早在2019年，谷歌（Google）量子计算机仅用200秒就完成了一项理论任务，谷歌估计最快的“传统”超级计算机（我们称之为非量子计算机）需要1万年才能完成。
如果你想到计算机已经在很大程度上改变了我们的生活，想象一下这种超强的计算能力能把我们带多远。量子计算机可以帮助我们更快地研发新药和可持续材料，更有效地管理电网，更好地侦查金融犯罪等。
贯穿所有这些活动的主线是分析大量数据和可能的组合。科学是复杂的，但却以极大简化的形式呈现。利用亚原子粒子的量子特性，计算机可以在一次执行中将所有可能的组合考虑在内。而传统计算机必须依次考虑每种组合，所以速度要慢得多。
不出意料，创造出能大规模做到这一点的真实机器几乎和科学本身一样困难。问题越难，量子计算机规模就要越大。
不过，我们已经取得了一定进展，我仍然对它们的未来充满信心。自谷歌在2019年取得一大成就以来，我们已经抵达了业内许多人认为不可能的其他里程碑。因此，在这个十年创造出通用的量子计算机是可行的。凭借量子理论、高性能计算机和人工智能相结合的混合方法，我们将更快地感受到这种影响。通过利用量子优势（在生物技术和其他领域的应用已产生令人惊喜的效果），这种方法将助力典型问题的解决。
在真实的“量子世界”保持安全
量子计算的巨大威力既是威胁，也是机遇。它可以破解我们当前使用的网络安全加密算法。
如今我们使用加密系统来保证最敏感的数据和系统的安全，而基于数学问题的密码算法是这些加密系统的支柱。这些数学问题对传统计算机来说过于复杂，但对量子计算机来说却不然。如果这些密码算法被破解，将危及敏感金融和健康数据、数字消息传递系统、关键基础设施、防御体系等的私密性和完整性。
在产生恐慌之前，大家需要记住的是，威胁是巨大的，但并非迫在眉睫。出现强大到可破解密码加密的量子计算机还需要数年时间。现在正是企业和政府做好准备的理想时机——替换加密系统是一项大规模的基础设施变革，大型组织需要数年才能实现。了解到各方正在积极考虑这些变革并采取行动，我们都可以睡得更安稳。
随着各个组织在量子安全准备方面取得进展，旨在降低威胁的量子风险技术市场也在不断成长。最备受瞩目的解决方案包括后量子密码学（PQC）和量子密钥分发（QKD）。虽然这两项技术和其他新兴解决方案仍处于初始发展阶段，但我相信，随着量子跃迁的步伐加快，我们会看到更多相关技术的进展。
不要忘记“黄蜂女”
随着发展速度的加快，我们需要合适的人来完成量子使命。就像黄蜂女和蚁人的合作一样，人才的多样性对我们的成功极其重要。
我是所修博士课程中唯一的女学生，也经常是董事会里唯一的女性。量子领域的其他女性也曾清楚地讲述过类似经历。出于与其他科学技术（科学、技术、工程、数学）领域相同的原因，我们需要更多元化的观点。来自不同背景的团队可以提出更好的解决方案，更有可能降低输入偏见的风险，并鼓励其他代表性不足的群体进入该领域。
这个问题非常复杂，所以当我看到关于欧洲STEM领域女性的统计数据时倍受鼓舞。2021年，欧洲7,400万STEM工作者中，女性占比达52%。更具体到量子领域，很高兴看到美国政府对量子领域劳动力发展做出的承诺。
每一步都很重要，但要吸引最优秀、最多元的人才，我们还有很长的路要走。
《蚁人与黄蜂女：量子狂潮》可能呈现的是一个虚构的量子世界，但我希望它能激励新一代投身量子领域，从而创造一个真实的量子世界。（财富中文网）
克莉丝汀M. 吉尔克斯博士是安永（EY）全球创新量子部门的主管。本文的观点仅为作者观点，未必反映安永全球组织或其成员所的观点。
译者：郝秀
审校：汪皓
As a quantum scientist, I’m excited by how central the “Quantum Realm” is to the latest Ant-Man movie. It’s a great way to break down the barriers to a field that will impact our lives in the coming years.
So, how does the “real quantum realm” stack up? Let me take you on a Quantumania-inspired tour of the technologies and possibilities of quantum science. And even closer to my heart, how we make sure that women like Wasp, and under-represented groups more widely, can play a prominent part in the journey.
We won’t get lost in the ‘quantum realm’
In an earlier Ant-Man movie, the first Wasp, Janet van Dyne, got lost in the quantum realm¬–but quantum technology is already helping us find our way in the real one.
Quantum sensor technology is behind the GPS systems that we rely on for everything from the best shortcut to work to internet governance systems. The sensors’ accuracy at measuring time makes atomic clocks inside many GPS satellites tick–literally.
The sensors work by using the quantum properties of how particles behave at atomic scale to detect tiny movements or changes in gravitational, electric, or magnetic fields. This level of accuracy can provide a highly precise and stable measurement. Or for a clock: a super-reliable “tick”.
Accurate GPS is great, but the latest quantum sensor technologies will take us much further. Quantum-enabled Positioning, Navigation, and Timing systems (PNT) could transform navigation in environments where GPS doesn’t work–in space, for instance, or military environments where GPS could be an exploitable weakness. They’re also creating new ways to monitor environmental changes, make Earth observations from space, and forecast long-range weather–all of which provide data vital to industries from insurance to mining, as well as to global sustainability efforts. These advances are already helping scientists measure climate change and support policy change today.
Many PNT systems use cold-trapped atom sensors as “atomic accelorometers.” These use the wave-like nature of matter to detect tiny changes in gravity and acceleration. Another type of quantum sensor uses the way imperfections in diamonds emit light to image magnetic fields. It’s worth calling out because it’s non-toxic to living systems, so the healthcare potential is huge. For instance, current research includes detecting malaria-infected red blood cells to help stop this destructive disease in its tracks.
Quantum computers will be the portal to a whole new world of computing power
Back in 2019, a Google quantum computer took just 200 seconds to complete a theoretical task that Google estimated could take the fastest “classical” supercomputer (as we call non-quantum computers) 10,000 years.
If you think of how much computers have transformed our lives already, imagine how far this kind of supercharged calculating ability can take us. Quantum computers could help us develop new drugs and sustainable materials faster, manage power grids more efficiently, do better at detecting financial crime and much more.
The common thread is that all these activities involve analyzing a mind-blowing quantity of data and possible combinations. The science is complex, but in hugely simplified form, when computers harness the quantum properties of subatomic particles, they can consider all possible combinations in one execution. A classical computer has to consider each combination in turn–so way, way slower.
Unsurprisingly, creating practical machines that can do this at scale is almost as hard as the science itself. And the problem gets harder the bigger you make your quantum computer.
I’m still confident in their future, though, because of the progress we’ve made. Since Google’s 2019 achievement, we’ve reached other milestones many in the industry thought impossible. As a result, achieving generally useful quantum computers this decade is a viable possibility. We will feel the impact even sooner, thanks to a hybrid approach combining quantum theory, High Processing Computers, and artificial intelligence. Such an approach will supercharge classical problem-solving by tapping into quantum benefits, with exciting applications in biotech and other sectors.
Staying safe in the real ‘quantum realm’
The immense power of quantum computing is a threat as well as an opportunity. It could break current cybersecurity encryption methods.
Cryptographic algorithms are the backbone to the encryption systems we use today to keep our most sensitive data and systems secure. These algorithms are based on math problems that are too complex for classical computers but not for quantum computers. Cracking them would compromise the privacy and integrity of sensitive financial and health data, digital messaging systems, critical infrastructure, defense, and more.
Before anyone panics, it’s worth remembering that the threat is significant but not imminent. Quantum computers powerful enough to crack cryptographic encryption are still years away. Now is the ideal time for businesses and governments to prepare–replacing encryption systems is a sizeable infrastructure change that takes years for large organizations to implement. We can all sleep easier knowing that such changes are being considered and actioned proactively.
As organizations progress their quantum security preparations, the market for quantum risk technologies that aim to mitigate the threat is growing. The highest profile solutions include post-quantum cryptography (PQC) and quantum key distribution (QKD). It’s still early days for both of these technologies, and for other emerging solutions, but I’m certain we’ll hear more as the quantum transition gathers pace.
Don’t forget Wasp
As the pace increases, we need the right people on the quantum mission. Just like Wasp and Ant-Man’s partnership, a diversity of talent is central to our success.
I was the only female in my Ph.D. curriculum. I am still often the only female in the boardroom. Other women in quantum have written eloquently of similar experiences. We need to bring more diverse perspectives to the table for the same reasons as other science and technology (STEM) fields. Teams from diverse backgrounds create better solutions, are more likely to mitigate the risks of input bias and will encourage other under-represented groups into the field.
It’s a complex issue to tackle so I’ve been heartened by stats on women in STEM in Europe, where 52% of 74 million STEM workers in 2021 identified as female. More specifically to quantum, it’s good to see the U.S. government making commitments to quantum workforce development.
Every step counts–but there’s still a long way to go to attract the best and most diverse talent we can.
Ant-Man and the Wasp: Quantumania might present a fictional quantum realm, but I hope it inspires a new generation to get into field and help create the real one.
Kristin M. Gilkes, Ph.D., is EY’s global innovation quantum leader. The views reflected in this article are the views of the author and do not necessarily reflect the views of the global EY organization or its member firms.
