麦肯锡报告：在分析完100个量子计算用例后，我们发现……
光子盒研究院出品
本报告由麦肯锡于2020年3月发布，原标题《下一次技术革命：量子计算》（The next tech revolution: quantum computing）。
一种强大的新型计算技术将在未来五年内带来收益，我们该如何做好准备呢?
量子计算的计算方式与我们现在所依赖的笔记本电脑和智能手机完全不同。不是使用更小的晶体管，量子机器是遵循粒子物理学的原理，最擅长解决多变量的复杂统计问题。
量子计算将创造万亿美元价值
传统的计算机使用代表0和1的比特来解决各种问题。但如果有多个数据流时操作就会变得很复杂，因为目前的计算机只能处理输入一组数据，一次只能做一个计算。为量子计算机提供动力的量子比特本质上是不稳定而易变的，但更为重要的是，由于量子叠加原理，它们可以同时存储1和0的值。这种状态允许量子计算机同时解决多个计算，每个计算都有多个输入。
量子叠加非常重要，因为它能允许一组量子比特通过计算探索不同的路径。如果编程正确，错误答案的路径将被取消，正确答案会被留下或重点标记。
对于一些非常耗时的问题，量子计算机找到解决方案的所需的操作也要比传统计算机要少得多，这也是为什么它们看起来要快得多。
量子计算的计算能力足以解决当今一些非常棘手的商业问题，它具有变革性和颠覆性的潜力。
类似药物研发或化学合成这种难题，我们都能通过量子计算机建立原型来使其进程加快。量子模拟可以让科学家模拟复杂分子，并模拟药物在人体内的反应，或者在没有伤害和浪费的情况下对化学物质进行高级测试。在处理大量数据时，量子机器能缩小选择范围，使技术人员能使用经量子计算机测试分析后的最优选择，这将彻底改变多个领域的研发工作。
量子计算技术可以解决很多其他方面的商业问题：优化金融投资组合，设计高效的物流网络，训练人工智能用于自动驾驶车辆——这些是几个传统计算机难以轻松解决的问题，而对于一台强大的量子计算机来说，这只是一项很简单的工作。
量子计算还会改变网络安全问题，即使这种情况不太可能在2030年之前发生，但最终量子计算机能够强大到分解支撑当前数据安全系统的质数，这也意味着企业得完全重新考虑自己的加密系统。
专家们预计，到2025年，高新产业、全球能源及材料行业、金融、旅游及物流行业的先驱们可能会开始利用量子计算机产生巨大价值。随着量子计算能够通过云端使用或者单独使用，其他行业也会开始效仿。
然而，我们必须认识到这项技术目前还处于起步阶段。一些重要的技术挑战也依然存在着，无论是“噪声还是精度”，这是一个有待解决的大问题。量子计算机的计算误差是经典计算机的10-100倍(由于噪声和量子比特的相干)，而且不存在纠错。
等到技术人员能够连续连接数十万个量子比特时，我们将看到量子计算的大规模爆发。
+1万亿美元：到本世纪30年代中期，最具潜力的5个行业：金融、化工、制药、TMT、汽车
量子计算如何在商业领域创造价值?
量子计算机和今天的传统计算机相比有4个基本的区别:
1. 量子模拟，即计算机能够模拟复杂的分子
2. 加速优化多变量问题
3. 量子AI技术，更好的算法改变跨行业机器学习
4. 质因数分解，可以彻底改变密码学
探索量子计算商业潜力的最佳途径是测试这些能力将如何处理一系列用例。麦肯锡分析了100多个用例，发现它们涉及的问题和领域非常广泛。
下面，我们将阐述四个潜力应用领域：
1. 通过模拟，减少化学品和药品的开发时间
传统计算很难处理分子模拟问题，这迫使科学家进入实验室，进行化学合成实验，这增加了药物开发的成本和时间，但量子计算机从本质上就非常适合解决这类问题。毕竟，分子中原子相互作用是一个量子系统。专家们相信，量子机器将能够模拟出我们体内最复杂的分子。在此过程中，每一步都将产生新的见解，推动产品开发，甚至可能发现革命性的新型治疗方法。
2. 以前所未有的速度解决优化问题
很多商业问题都有多个变量。我应该把机器人放在工厂哪里？我们的送货卡车最短的路线是什么？我怎样才能在风险最小化的情况下优化金融投资组合？用传统计算方法来回答这些问题是很费力的，而且会产生不确定结果。而量子计算机可以缩小选择范围，当然，传统计算机也可以比较结果并选择最佳答案，但综合起来，量子技术能所需时间要更短。
3. 用量子AI加速自动驾驶汽车应用
随着量子计算的加入，自动驾驶汽车可能很快成为现实。目前，汽车制造商正在将数小时的视频、数千幅图像和太字节(TB)的激光雷达数据输入复杂的网络中，以训练AI做出重要的驾驶决策，比如如何转弯、在哪里加速或减速。由于量子计算机可以同时执行多个复杂计算，因此可以大大加快对汽车自动驾驶AI系统的训练。现在来看，AI和量子计算的结合不太可能在未来五年内发生，但从长远来看是很有前途的。
4. 量子计算或将改变网络安全
现今的数据安全系统助力了现代商业发展，但量子计算将彻底改变安全的概念。传统加密是基于对大质数的处理，这种处理在今天的计算机中很难被破解，但随着量子计算能够快速解析复杂数据，新一代的量子加密将成为保护商界安全、避免被侵害的必要手段。幸运的是，现在没有量子计算机能够操作数十万到数百万的量子比特，成为可以破坏当前安全的因素。但从现在开始的10年到20年，这种情况可能会被改变，科学家和有远见的政策制定者已经在研究量子密码学，争取占据领先地位。
量子时代何时到来?
量子计算是一项非常复杂而昂贵的技术，所以我们不能期望它能很快被大规模应用。只有少数技术先进的公司可能会率先推出这项服务，谷歌和IBM希望他们的原型机每年的量子比特能够翻倍。由于这项技术尚处于萌芽阶段，它的进展可能会比较缓慢。我们估计到2030年，全球可能会有2000到5000台量子计算机。由于需要很多硬件和软件来解决商业问题，我们预计这些计算机可能要到2035年或稍早的时候才能到位。
尽管如此，量子计算很可能会开始通过云服务为企业提供商业价值。亚马逊网络服务(Amazon Web Services)和微软Azure等机构已经宣布提供量子服务。
我们预计，在2022年至2026年间，许多企业将开始使用量子及混合策略来解决优化问题。在同样时间跨度内，我们期望量子机器能够为化学、原料和制药公司提供具有意义的模拟。量子Al离我们更遥远，我们认为最早直到本世纪20年代后期，量子机器还无法分解有效质数(数百或数千位长；在今天的加密中使用的排序)。
正如下图所示，到本世纪30年代中期，我们期望更多行业能有望在量子计算中创造重大价值。
2019年量子计算用例贡献排名，金融行业以28例位列第一
企业高管们如何为量子计算做好准备？
即使这可能是数年之后的事，高管们也应该为量子计算的到来做好准备。因为量子计算机能将目前所有的隐性知识释放出来，这或将对那些没有准备的人造成破坏。
毫无疑问，量子计算机将从根本上改变产业和劳动力。例如，目前在实验室中由合成化学家进行的各种研究可能会被量子模拟取代，因此，制药公司只需要更少的合成化学家。金融、保险、交通等行业的员工也是如此。任何现在可以用于解决难题的专业知识及判断，在未来都将面临量子计算的威胁。
这就是为什么我们建议商业领袖们从今天开始就为量子计算制定策略。建立这一战略的第一步是研究第一波产业，如金融、旅游、物流、全球能源和材料以及高新产业。这些公司将提供使用量子技术进行重组、优化和从新技术中获得其他价值的例子。一些公司可能想开始雇佣量子开发人员来建立一个内部团队，从而创建适用于自己的商业算法。
但不是每个公司都能找到并雇佣量子人才，所以他们可能希望与目前正在开发量子系统的技术公司合作。这种合作关系也能使公司在开发技术和工具方面具有一定发言权。
开启量子策略的另一个关键要素就是保护长期存在的数据资产。任何商业或商业机密都有可能因为量子计算而面临风险，所以现在就应该制定一个从当下密码学到量子密码学的迁移计划。
量子计算不是一种迭代技术，它具有变革性和颠覆性的潜力。这类技术可能以难以预料的速度出现，造成不可预测的影响。现在就是采取行动的最好时间。当量子计算机到来的时候，希望你们能做好准备。