量子计算技术正在进步，并可能在未来十年内改变许多行业。人们非常关注新兴技术在金融、网络安全、材料科学、制药和高能物理领域的用例。然而，工业自动化是许多其他有望转型的领域之一。

关于量子革命何时发生的最大不确定性在于增加基于门的量子计算机中量子比特的数量的挑战。问题的关键是基于门的量子计算机目前非常容易出错，尽管增加它们使用的量子位的数量可以提高它们的处理能力，但这也加剧了错误问题。

在量子物理学家和工程师竞相开发更好的纠错技术的同时，企业早期采用者越来越多地利用可通过公共云访问的量子计算机来推动优化问题、统计和模拟方面的性能提升，同时耐心地解决错误。其他人则采用量子退火器，这些设备与基于容错门的量子计算机的圣杯不在同一个联盟中，但由于它们不易出错，因此显示出更直接的实用性。与通用数字量子机器相比，量子模拟模拟器也有望显示出更快的进步。

预计在 2022 年至 2028 年间，越来越多的早期采用者将推动全球量子计算市场扩张497%。宝马(BMW)、丰田(Toyota)、现代(Hyundai)、空客(Airbus)、富士胶片(Fujifilm)等公司已经从量子计算机中获得了实用价值，尽管该行业尚未达到量子优势的里程碑。尽管对于何时突破门槛存在广泛的不确定性，但 IBM 是正在加大努力的几家参与者之一，目标是到2026年通过量子纠错 (QEC) 技术实现量子优势。

Hyperion Research 的一项研究发现，在接受调查的 300 家组织中， 其中80%计划在未来两到三年内增加对量子计算的投资，以提高业务效率并增加收入。受访者包括广泛的用例，但最主要的是机器学习应用程序、财务优化、物流/供应链管理和建模/模拟。

推动人们对量子投资兴趣的部分原因是，一些技术专家认为，经典机器正在接近摩尔定律的极限，这将减缓未来处理能力的增长。对于工业自动化领域来说，量子加速将意味着未来制造业务的规模和复杂性可能会继续增长。由于量子计算机可以同时进行计算，而不是传统机器的顺序计算，因此它们可以使工厂机器人以更高的效率和精度移动，为更复杂的任务提供更好的吞吐量。

量子计算可以通过多种方式影响制造业。由于物理世界基于量子力学，因此量子计算机非常适合模拟分子及其相互作用，这将推动用于半导体、工业生产催化剂、电子元件、可持续燃料、药物和消费品的新材料的创造。

例如，通过生产具有更好强度重量比的材料和具有更高能量密度的电池，这可能对汽车、航空航天和电子制造特别有帮助。

汽车行业已经在实施量子计算来解决制造和设计方面的挑战，大众汽车于 2016 年成立了一个量子计算研究团队。5 月，宝马和总部位于法国巴黎附近的量子初创公司 Pasqal 开始合作使用量子计算算法进行金属成型应用程序建模，扩大之前的合作伙伴关系，使用受量子启发的计算化学方法来改进 EV 电池研发。量子模拟在碰撞测试、零件设计和碳减排方面也有应用。

据报道，使用 Pasqal 的中性原子量子处理器的量子方法使用量子算法的数模实现，可产生更大的计算能力，以更高的精度实现更复杂的汽车零件的数字孪生模拟。

4 月，Pasqal 与 Siemens Digital Industries Software 开展了一项为期多年的研究合作，以推进量子模拟，以帮助西门子的客户进行产品设计和测试，这些客户包括强生、LG、空中客车、宝马集团、EDF、Thales、MBDA、 Credit Agricole CIB 和汽车、电子、能源和航空航天领域的其他机构。

Pasqal首席执行官兼创始人george - olivier Reymond表示:“我们与西门子的合作将探索量子计算如何使西门子的客户受益，这些客户正在寻找更精确的‘数字双胞胎’原型，这可以减少汽车、电子、能源和航空航天等领域对昂贵和耗时的物理原型的需求。”

此外，西班牙圣塞巴斯蒂安的量子软件开发商 Multiverse Computing与马德里的博世汽车电子工厂合作，利用量子计算创建工厂的数字孪生。Multiverse 基于量子的优化算法将评估设备和生产过程的性能，以提高效率、能源和​​废物管理。

量子计算已经在加强供应链管理。量子退火炉的计算能力可以提供最佳运输路线，提高机队效率并改善空中交通管制。据报道，量子计算在更有效地将食品运往北美杂货店方面也发挥了作用。根据德勤的一份报告，加拿大一家杂货连锁店使用量子计算将优化计算时间从25小时缩短到几秒。此外，新兴的量子传感领域有望取代传统的现场传感器，为工厂环境中的工业监测或现场环境监测提供更高的准确性。

量子计算用例的广度仍然存在很大的不确定性。它们的计算能力在某些问题上具有强大的潜力，但研究人员预计，即使在获得量子优势之后，经典计算机更擅长的其他问题也会继续存在。然而，机器学习是工业自动化不可或缺的一部分，它可以实现计算机视觉、获得有关制造技术的数据驱动洞察力、创建数字孪生模拟等应用程序，而量子计算机有望加速机器学习模型的训练和运行。

人工智能、高性能计算和量子计算领域的进步融合，可以为广泛的应用增强统计计算能力，这对工业自动化和其他领域来说是个好兆头。但要实现这一点，量子系统和经典系统需要集成，尤其是在充满经典物联网设备的工厂车间等环境中。Quantum Machines 是一家位于以色列特拉维夫的公司，该公司正在开发量子计算平台，专注于开发量子控制层，其中包括经典机器与量子硬件通信所需的所有硬件和软件。据Quantum Machines首席技术官Yonatan Cohen介绍，该公司的量子控制层产品与目前全球200多家客户部署的几乎任何类型的量子硬件兼容。

“量子硬件不是我们想要的——它仍处于研发阶段，”据Cohen说。“为了实现实际应用，你必须真正挤压量子硬件的每一点性能。最好的方法之一是尽可能多地从量子硬件卸载到经典硬件，并且只将量子处理器用于它可以做得很好的非常具体的事情。人们正在想出更有创意的算法和协议来做到这一点，但我们需要在硬件和底层软件中进行正确的集成。”

量子计算机显示出最实际优势的一个领域是网络安全，这对工业自动化也有影响。量子计算公司正在提供一些可用的最强大的加密方法，例如 Quantinuum 的可证明、无模式或非确定性熵，它正在为客户插入加密密钥。随着2021年全球网络攻击增加125%，制造业和能源等工业运营必须投资于领先的网络安全框架，以保持领先于威胁。

然而，量子的安全规定可能会迅速演变成威胁源。这是因为随着技术的进步，人们预计最终会出现一台强大到足以运行Shor 算法的量子计算机，并在被称为Y2Q的全球灾难中打破经典加密。但根据 Zapata Computing 首席执行官Christopher Savoie的说法，量子对经典加密的威胁可能会在能够运行 Shor 算法的计算机出现之前很久就到来，他解释说，他的团队能够在一个周末的时间内开发出一种启发式算法，称为变分量子因数分解(VQF)，可以在近期内破坏使用噪声的中规模量子(NISQ)设备的一些RSA加密实例。通过推断他们的结果，该团队估计，只需6000多个NISQ量子比特，VQF就可以在几个小时内分解出2048位的RSA数字。

Savoie说:“如果你是一家银行、能源公司或政府，这是一个不可接受的风险。”他建议美国国家标准与技术研究所将这一问题作为其后量子加密战略的一部分进行研究，并建议企业采用更灵活的加密方法。

该漏洞在工业自动化领域可能很重要，物联网设备连接工厂网络，这些工厂容易受到量子驱动的 DDoS 攻击，导致运营离线。这些攻击还可能暴露敏感的企业知识产权数据。

根据 Sandbox AQ 产品副总裁 Nadia Carlsten 的说法，工厂机器人和其他物联网设备等网络物理网络的安全性可能更具挑战性，因为较长或需要更高级别处理的算法或密钥可能会产生有害的性能问题。尽管加密敏捷方法可以在短期内解决这些问题，但从长远来看，量子计算机可能对工业自动化既有利也有弊，因为该行业正在经历量子生产力的提高，同时 Y2Q 威胁也在逼近。

原文链接：https://www.engineering.com/story/quantum-computing-poised-to-boost-industrial-automation

---煤油灯科技victorlamp.com翻译整理---