产业观察：量子计算生态建设的德国模式

光子盒研究院出品

量子计算有望克服计算限制，为优化、模拟和机器学习问题提供更好、更快的解决方案。欧洲和德国正在成功建立研究和资助项目，旨在推进技术生态系统和产业化，从而确保数字主权、安全和竞争力。这种生态系统包括硬件/软件解决方案提供商、系统集成商以及来自研究机构、初创公司和行业的用户。

为了推进量子计算生态建设，2021年6月，十家领先的德国公司宣布联合成立量子技术和应用联盟(QUTAC)。成员包括巴斯夫、宝马、勃林格殷格翰、博世、英飞凌、默克、慕尼黑再保险公司、思爱普、西门子和大众，涵盖汽车制造、化学和制药生产、保险和技术行业。QUTAC的愿景是建立和推进量子计算生态系统，支持德国政府的宏伟目标和各项研究计划。

最近，QUTAC及其成员公司在EPJ Quantum Technology期刊上发表了一篇文章，名为《量子计算行业应用(Industry quantum computing applications)》。本文对上述行业以及航空航天领域的量子计算现状进行了调查，并确定了QUTAC对生态系统的贡献。QUTAC基于已证实的业务影响，提出了一种以应用为中心的技术产业化方法。本文确定了24个不同的用例。

通过将高价值用例正式地作为详细描述的参考问题和基准，QUTAC将引导技术进步并最终实现商业化。这将使所有生态系统参与者受益，包括供应商、系统集成商、软件开发商、用户、政策制定者、融资项目经理和投资者。

QUTAC表示，随着量子计算机在特定计算挑战方面超越了领先的超级计算机，以及实验室环境之外的含噪声中型量子(NISQ)计算机的可用性，我们已经进入了量子计算(QC)的产业化阶段。

量子生态系统和市场还处于起步阶段。随着技术的成熟，市场将会实现增长。BCG预计，未来十年市场规模将超过每年4500亿美元，一个关键的驱动因素是将在商业应用中实际使用该技术。量子计算有望解决所有行业优化、机器学习和模拟领域的高价值、经典方法难以解决的计算问题。

QUTAC认为，欧洲需要一个充满活力的生态系统来促进量子计算的发展，并在全球范围内展开竞争。德国拥有从事基础研究的国际知名研究机构和强大的行业用户，因此处于有利地位。然而欧洲的产业化传统上一直受到欧洲悖论的阻碍，即欧盟成员国拥有世界领先的科技研究，但无法将这些转化为全球产业和商业领先地位。

欧盟和各国正在制定各种计划，为量子技术培育有吸引力的生态系统和市场。虽然这些项目重点关注研究和硬件技术产业化(例如超导、离子阱、光子和固态量子比特)，但也强调整体生态系统的重要性。这些生态系统将协调整个价值链，包括硬件/软件解决方案提供商、投资者，尤其是行业用户，这对于推进可以促进商业化的高价值用例至关重要。

到目前为止，由于高风险和投资回报延迟，各行业一直没有做出承诺。量子应用与技术联盟(QUTAC)通过与十家行业公司的合作来解决这个问题，以推进德国的量子计算生态系统。主要的努力将潜在的应用和以商业为中心的视角贡献给德国和欧盟的新兴计划。 

QUTAC旨在将量子计算提升到大规模行业应用的水平，同时为成员迎接新的数字未来做好准备。他们汇集了各个行业的专业知识，以高效推动量子计算向现实世界的应用迈进，确保德国和欧洲的数字主权、国家安全和全球经济中的竞争力。

QUTAC将推动新兴的量子计算生态系统向前发展，支持德国政府雄心勃勃的目标。由来自四个行业的十家公司组成(见表1)，其使命是贡献行业视角，专注于德国和欧洲量子生态系统的发展。QUTAC主要专注于量子计算的应用。由于量子计算可能对业务和价值链的各个方面产生颠覆性影响，每个成员都需要采取行动。跨越公司边界的协作有望降低竞争前基础研究的风险。此外，量子计算可能允许一些成员探索量子价值链中的更多机会，例如作为组件或软件提供商。

表1 QUTAC成员

图1显示了QUTAC的重点。其成员的价值链包括复杂的优化、机器学习和模拟挑战，这些挑战可能会受益于量子计算的进步，带来重大的商业影响。影响不同行业的各种问题将为软件和硬件开发提供指导。 

图1 QUTAC旨在从应用角度塑造量子计算生态系统，平衡商业影响和技术进步

QUTAC将通过与以下各方紧密合作，参与新兴的欧洲量子生态系统并为其做出贡献：

(1)硬件解决方案提供商

(2)组件制造商

(3)软件解决方案提供商

(4)研究机构(公共、私人)

(5)投资者

(6)最终用户

表2总结了QUTAC将如何为所有利益相关者提供价值。

表2 QUTAC利益相关者评估：为生态系统利益相关者提供一个行业和应用的视角。

QUTAC的指导原则是： 

● 促进在德国和欧洲建立一个经济繁荣、独立的量子计算生态系统。

● 提高对量子技术在各行各业可能提供的潜在影响和竞争优势的认识，激励早期投资和参与。

● 了解、开发和测试跨行业应用，以确定具有商业价值的解决方案，从而推动量子生态系统向前发展。

● 通过提供行业和应用角度的视角，为政府宏大的量子计划的成功做出贡献。

QUTAC通过工作组进行组织，旨在为具有高影响力的业务问题确定具有商业吸引力的解决方案。QUTAC首先成立了三个运营工作组，这些工作组主要为：“材料科学”、“工程”和“生产与物流”。成员们同样需要了解、开发和评估新兴量子硬件上的跨行业应用。此类跨行业问题包括优化、机器学习和模拟挑战。QUTAC成员在本文中提出了24个用例和常见挑战。

虽然量子计算将对各个行业产生重大影响，但仍然存在许多问题和挑战：(1)哪些具体问题可以解决？(2)哪些NISQ量子设备具有量子优势？(3)如何将这种优势转化为商业影响？

本文对具有高影响力的行业量子应用进行了分析。该分析基于多个研讨会、结构化调查(由来自5个行业的11家公司的17位专家回答)和访谈(9次双边访谈)。每个公司都分享了多达三个量子计算使用案例。

他们确定了以下几个层次：问题领域、问题类别、模型、算法和量子系统。为了确保跨行业应用讨论的一致性，建议使用下面定义的术语。

1.定义

● 问题领域：应用数学和计算机科学的问题领域，旨在解决计算问题的类似处理办法(如优化、仿真模拟、机器学习、密码学)。

● 问题类别：这些类别有相似的数学公式和计算复杂度。它可以通过常见的数学公式和业务问题公式来描述(例如，软件测试被视为三元可满足性问题)。

● 模型：模型被定义为描述一个系统的数学公式，这个系统捕捉了所有实际相关属性。模型是对现实的简化表示，支持理解其组件的交互和对结果属性的影响以及对未来行为的预测(例如，集合划分问题公式中的火车和驾驶员恢复问题)。

● 算法：量子算法是执行计算的量子计算机进行可执行指令的有限序列。它们通常用于寻找一类数学定义问题的解决方案或近似值。

● 量子系统：量子计算系统(简称量子系统)是一种直接利用量子力学现象(例如，叠加、纠缠)对数据进行运算的计算系统。

2.应用概述

不同行业的应用挑战通常具有共同的问题，特别是在优化、机器学习和模拟方面。下面本文将重点介绍价值链中的特定挑战。这些问题专注于价值创造的四个领域：(1)材料科学，(2)工程与设计，(3)生产与物流，以及(4)后量子安全。表3总结了相关用例。

表3 初始用例组合：德国产业价值链中存在各种各样的优化、模拟和机器学习问题。虽然未来5年的影响很小，但已经确定了几个具有高影响力的用例。

材料科学 

模拟和预测复杂的量子力学系统对于新设计(例如，新型电池或药物)至关重要。麦肯锡公司预测，量子化学将是量子计算的早期颠覆性应用。无需在实验室中通过实验合成材料，即可高精度地建模聚合物、固体、分子，从而能够识别满足高能量密度或刚度等理想特性的有效分子结构。

典型的例子包括药物发现或哈伯-博施工艺：化学制品的工业生产，如哈伯-博世工艺中氨的催化固氮，大规模地消耗了世界能源生产的1%，并占二氧化碳排放量的1.4%，即使是相对较小的改进也会造成绝对的相关影响。

量子计算在材料科学中的全球相关性也反映在QUTAC的工作组中。有各种QUTAC材料科学的例子，包括化学工业中化学反应性的预测(巴斯夫)，药物发现的分子动力学(勃林格殷格翰、默克)和电池研究(大众)。

工程与设计

工程模拟正在被大量使用，特别是在制造业。通过减少对物理原型和实验室(例如，汽车和航空领域的风洞)的需求，这种模拟对于减少设计和测试工作至关重要。当前的计算机模型受到支持模型的复杂度和质量以及必要的计算时间的限制。

基于有限元方法(FEM)的数字模拟对于模拟复杂的过程至关重要，例如空气动力学、操作强度、结构动力学、碰撞、安全测试以及生产问题。例如，博世正在研究基于量子计算的电气传动模拟方法。

此外，空中客车正在探索使用量子或混合量子的经典方法进行计算流体动力学，以减少分析飞机周围气流行为所需的计算资源。其他诸多方法也在研究中，例如在数值模拟中使用基于代理机器学习的模型(空中客车)。另一个重要问题是设计优化。一个例子是飞机翼盒(空中客车)的设计。

解决方案需要同时评估各种因素，以确保结构的完整性。因此，如果当前处理该问题的流程效率低下，那么就需要大量的计算资源和较长的设计时间。越来越多的行业探索更先进、计算更密集的生成式设计方法，使这个问题变得更加严重。

生产与物流

优化和模拟问题在所有行业的生产和物流领域中无处不在，如制造业、化学和制药生产、保险和技术。常见问题包括路线、供应链、生产计划和保险风险评估。现实世界的问题通常包含大量的变量和约束条件。经典的算法(如模拟退火)往往只能找到局部最优，并提供一个非最优解。量子优化方法，如量子退火、绝热或混合算法(如量子近似优化算法(QAOA))，有望解决具有大参数空间的问题，提供更高质量的解决方案和更快的求解时间。

表4将用例映射到优化领域中的问题类别。目前重点是三个问题类别：针对路线的旅行商(TSP)问题、针对许多供应链优化问题的背包问题和可满足性问题(SAT)。必须指出的是，还存在其他重要的问题类别，例如图的着色和划分，而问题类别对量子可行模型的适应性也正在研究中。

表4 优化问题类别：在用例描述中出现的主要问题类别

旅行商问题(TSP)旨在确定一组节点之间的最短路径，这些节点与入站、工厂内和出站物流的多个模块相关。 

背包问题是一个包装问题，旨在确定项目的最优集合，使所有物品的重量最小化、价值最大化。它在供应链管理中有许多应用(例如，卡车装载、飞机装载和批量问题)。此外，它还适用于金融领域的用例，例如，为最优投资组合选择资产。

可满足性问题旨在为一组约束确定可能的解决方案，例如，确定一组车辆以生成给定的选项代码并遵循约束。

排序问题考虑所有作业的长度和可用资源，选择作业执行的最佳顺序。工业4.0的一个关键目标是提高生产的可定制性和灵活性(批尺寸为1)。矩阵生产指的是灵活的、产品无关的生产单元的使用，可以根据需要进行组合。然而，增加的灵活性也增加了为给定生产单元布局选择生产顺序的需求。

QUTAC成员预计大多数优化问题会对他们的业务产生中等影响。然而，行业中优化问题的数量是巨大的。因此，将质量和解决时间提高几个百分点的方法提供了显著的好处。

3.参考用例

虽然已经提出并探讨了量子计算的各种用例，但这些发现只能为硬件和软件解决方案提供商提供有限的见解。因此，硬件和算法的进步主要是为了驱动生态系统，而不是应用。因此，底层基准测试方法(例如随机门基准和指标，如量子体积)主要用于评估量子系统的性能。

本文建议通过使用具有高影响力的行业参考用例进行评估和基准活动，建立一个互补的、以应用为中心的评估流程。参考用例包括描述，包括业务价值评估、问题类别分析、数学公式、量子和经典参考解决方案、验证例程和评估指标。

这些参考用例可用于整个量子计算堆栈的性能评估，允许评估与应用相关的性能参数。

图2显示了行业参考用例是如何连接应用需求和量子解决方案的。参考问题为堆栈的不同部分的基准提供了基础，例如，用例所展示的某些门排序的微基准。

图2 参考用例标准：参考用例支持涉及整个堆栈的整体基准测试，即量子系统、算法

用例必须满足以下定义要求才能作为参考问题：

● 业务影响：定义为预期的量子诱导改进(例如，模型质量的提高、更好的解决方案和更短的解决时间)对流程、服务或产品的影响(例如，流程效率、已实现的产品和服务创新)。

● 通用性：描述解决方案对其他业务部门、公司和行业中相邻问题的适应性。

● 访问：通过统一术语的定义，确保问题公开可见、充分抽象、正式化和可理解。

● 技术可行性：确定可以对当前和未来技术的用例进行简明的正式化和评估，并且建立定义良好的指标(例如，所需的计算机规模、解决方案质量、最大可解决问题规模、解决时间)。

QUTAC用例组合将作为选择未来参考用例的基础。具体来说，他们旨在研究以下用例：(1)具有很高的业务影响，(2)受到经典优化、模拟和机器学习方法的约束，以及(3)具有量子解决方案的有前途的候选算法。

QUTAC的目标是为每个问题领域确定至少一个参考用例。例如，旅行商问题与所有行业都相关(车辆路线优化(大众)、机器人生产计划(宝马)、车队管理(巴斯夫)、运输保险(慕尼黑再保险公司))。

最初的用例组合将扩展到正式的用例描述(包括数据生成器、参考实现和验证例程)。QUTAC将把这些作为开源贡献提供给社区，鼓励人们积极参与解决这些问题。他们假设参考案例的跨行业基准将引导硬件和软件提供商走向行业用例。

4.讨论

量子计算将影响所有行业价值链的许多部分。图3说明了价值创造领域和量子解决方案适用的常见问题领域。最常见的问题领域是所有用例中>50%的优化问题。大多数优化用例都在生产和物流方面的挑战中。平均而言，业务影响为中等，成熟时间较长。

图3 应用驱动的用例前景

量子力学系统模拟的成熟时间被评估为中等。量子力学模拟是量子固有的问题，在多个行业部门的所有用例中占20%以上，尤其是化学和制药以及制造业。他们的潜在业务影响被评估为“高”，因为他们可能加速药物发现和材料发现，并开发新产品，特别是电池。而工程支持只有两个模拟用例(例如，博世的电气传动和空客的计算流体动力学)。这些用例的成熟时间估计很长。

人工智能和机器学习被广泛应用于各个行业。QUTAC用例是从空客和强化学习(西门子)中获得的CFD模拟的代理建模。人工智能广泛适用于价值链的几乎所有产品和部件。例如，宝马在其产品组合中列出了400多个人工智能用例。这意味着量子人工智能的进步将使许多用例受益。

虽然在技术层面上已经取得了令人印象深刻的量子优势成果，但在将这些成果转化为量子计算的大规模行业应用方面仍然存在各种挑战。

图4说明了三个重点领域的主要挑战：(1)行业用例，(2)协作，(3)市场培育。

图4 三个重点领域的重要性(由来自5个行业部门的11家公司的17名专家回答)

1.行业用例

目前还没有关于量子计算应用的价值证明。主要原因是技术发展的早期阶段需要基础研究突破，以在业务中实现切实可见的规模。

德国的应用专家确定了以下挑战：

● 业务影响：QUTAC成员公司通过量子计算确定了具有中到高影响的各种用例。然而，通常无法提供准确且经过验证的业务影响，因为这种业务影响主要取决于技术(例如量子比特数)和业务细节(例如与某些模型相关的值)。缺乏行之有效且一致的方法来评估业务影响阻碍了用例所有者和生态系统合作伙伴的长期投资。

● 基准：量子计算市场和生态系统高度多样化和动态化。现有的基准测试主要强调底层硬件性能(例如，门的保真度和相干时间)，并不能准确反映应用层的性能。由于缺乏社区驱动的以应用为中心的基准测试，用户无法轻易从提议的解决方案中推断他们预期的性能。通过实现量子解决方案之间的比较，基准可以推动量子计算堆栈所有层的改进。例如，ImageNet基准引领了人工智能的突破，并推动了专用硬件的开发。应用基准测试还有助于建立融合的应用和硬件路线图。

● 业务集成：将量子技术解决方案转移到业务中是复杂的，除了对量子技术有深刻的理解外，还需要相关领域和集成专业知识。例如，像数据驱动的用例一样，量子计算解决方案严重依赖于可用的数据和模型。然后，必须将量子解决方案的结果转化为业务成果，例如通过将它们集成到运营系统或业务决策中。除了量子硬件和算法，业务应用还需要整体考虑。

2.协作

要引导生态系统活动走向产业化和商业化、市场化，一个有利于创新的环境是关键。到目前为止，在复杂的利益相关者环境中，尤其在产业和研究机构之间，传统的、僵化的合作模式阻碍了生态系统的发展。高度交织在一起的技术堆栈和多层面的政府融资机制形成了一个复杂的机构和倡议生态系统，其中存在许多相互依赖和管理开销。目前的状况使得合作伙伴的签约/采购过程复杂而漫长。

资助：

几十年来，全球各地的机构一直在资助量子计算的基础研究。在欧洲，作为量子技术旗舰计划的一部分，有20多个项目获得资助。德国大大扩展了其量子计划，支持硬件和软件的基础研究和产业化，五年内预算20亿欧元。量子中心将专注于不同的特定量子比特技术(例如离子阱或超导量子比特)。例如，通过能力网络支持应用研究。此外，德国出现了国家级的倡议，包括慕尼黑量子谷和下萨克森州量子谷。

由此产生的投资环境是复杂的、零散的，存在部分竞争和重叠的目标。因此，大规模产业化项目的建立将具有挑战性。因此，本文预计会有大量小型计划，存在冗余和缺乏重点的风险。在这种环境下，避免以应用为中心的产业化与基础研究的脱钩有助于在这一早期成熟水平上推进技术。

横向协作：

调查受访者指出，有效的跨行业合作以推进量子计算是排名最高的挑战之一。跨行业协作是(1)为生态系统创造共享的行业声音，(2)建立加速产业化的高影响力应用，(3)与新兴生态系统共同促进的活动，(4)降低长期投资风险的关键推动因素。

为了应对这些挑战，已经成立了几个国际级的联盟，例如美国量子经济发展联盟(QED-C)和欧洲量子产业联盟(QUIC)。德国缺少一个联盟，在不断增长的德国量子计算项目中倡导行业需求。此外，还需要一个应对协作挑战的框架，包括(1)缺乏统一的术语和标准(例如用例、基准和访问协议)，(2)共享专有数据和信息的困难，以及(3)缺乏平衡开放性和公司利益的有效策略。

纵向协作：

行业和量子解决方案提供商的协作对于通过优化整个堆栈的集成(硬件和软件协同设计)来协调推进应用和硬件至关重要。这需要将行业知识与硬件、软件和算法知识相结合。建立纵向协作，特别是与国际合作伙伴的协作，可能具有挑战性，需要仔细考虑知识产权保护、数据安全和隐私。

3.市场培育

虽然政府、研究机构和云提供商开始采购量子设备，但商业市场仍处于初级阶段。已经证明具有业务影响的行业应用有助于建立这样的市场，创造一个需求和供给的良性循环。与会专家强调了三大挑战：

硬件访问：

现在可以通过云服务提供商访问不同的量子系统。然而可用性、规模和成本限制了研究和产业化活动。在许多情况下，需要仔细考虑国际法和数据保护法以及特定于供应商的合同。此外，访问往往受到限制，妨碍了开展底层实验。高端、最先进的硬件通常不可用。随着技术的进步，预计这种情况会加剧。另一个挑战是从公共项目中获得的研究试验台有限。

创造需求：

需求和供给的良性循环对于建立新市场至关重要。除了政府推动的市场外，行业应用还可以作为开启这种循环的重要市场。特别是，在行业中有用的NISQ应用可以推动需求。市场创造是众所周知的高科技生态系统的挑战，但由于其长期性，在量子计算中尤为突出。

人才与教育：

量子计算需要高度专业化和跨学科的技能，以连接不同的研究领域，包括工程、产业化和商业。培养具有理论和应用计算机科学(如复杂性理论、运筹学)和量子计算(如量子计算操作和控制基础、错误缓解、量子算法、量子软件开发工具包、应用相关硬件功能评估)方面的知识，并结合商业敏锐度(如识别客户需求、生产和运营流程知识及其业务和技术限制)，是至关重要的。随着首批应用达到商业可行性，这种情况将加剧。 

为了将量子计算推向产业规模的应用水平，需要立即行动。正如在其他领域(如人工智能)所观察到的，早期投资对于确保在快节奏的数字经济中的竞争优势至关重要。

QUTAC成员在重点领域确定了三个行动领域：行业用例、协作和市场培育，以及两个促成因素——人才&教育和标准(图5)。

A1：行业用例：为了在近期设备上建立有用的量子计算应用，行业必须：(1)优先考虑、开发和交流行业参考问题，并将其转化为社区基准，从而引导量子解决方案走向商业可用性，(2)关注端到端应用，包括业务流程中的集成，以演示业务影响，以及(3)交流量子影响的演示。

A2：合作：欧洲和德国的投资必须保持一致，以避免冗余。必须明确传达行业合作伙伴的要求和指导。行业用户必须以明确的价值主张和贡献积极参与联盟。此外，德国以外的国际合作至关重要(例如，QuIC)。

A3：市场培育：商业上有用的量子应用对于创造对量子技术的新需求至关重要，从而开启供需的良性循环。量子计算机的产业化必须是长期目标，为所有价值链参与者(包括初创企业、组件供应商等)提供有利可图的商业模式。

图5 每个重点领域的行动

以下促成因素有助于三个重点领域的所有行动项目，并且是其成功的先决条件：

E1：人才与教育：随着技术的成熟，对量子计算的需求将会增长。产业界和学术界都必须发展物理学、工程学、计算机科学和商业交叉领域的关键技能，面向本科生、毕业生、研究生和专业人士。一个特别的重点必须是连接这些领域的跨学科技能，并将基础量子知识与行业的专业知识相结合。

E2：标准：必须通过开发适当的高级接口和标准(例如术语、访问基础设施的应用编程接口(API))来降低进入壁垒。标准也有助于最大限度地减少供应商锁定。

QUTAC应用工作组旨在推进量子计算(A1)的产业规模应用。本文进行了量子计算的跨行业应用的初步总结，为建立行业参考问题提供了基础。基于这些参考用例，将建立基准，他们希望以此激发横向和纵向协作(A2)。我们积极评估与QuIC和其他产业联盟的合作模式(A2)。通过在社区标准上的合作，例如术语表、访问接口、高级业务抽象，将降低进入壁垒(E2)。

QUTAC努力加强与德国和欧洲投资机构的交流(A2)。他们特别设想合作灯塔项目，增加跨生态系统的合作，并将其引导至高价值的行业挑战(A1、A2)。通过提供领域专业知识，QUTAC贡献关键知识，同时受益于量子解决方案的进步。与此同时，这将产生对行业量子解决方案的需求——打破用户和平台提供商之间的僵局。

他们假设QUTAC的参与和产业前景将为量子计算技术的早期市场提供支持(A3)。这些合作伙伴致力于为新兴生态系统贡献应用、数据、技术和业务知识(A2)。这将使所有生态系统参与者受益，例如供应商、系统集成商、软件开发人员、用户、政策制定者、融资项目经理和投资者。QUTAC相信量子计算的长期商业影响。他们不期望立即产生价值，但他们相信现在是时候获取和分享不同技术的经验，并促进德国业务基础设施的发展，以加快采用基于量子的方法。

文章连接：

https://epjquantumtechnology.springeropen.com/articles/10.1140/epjqt/s40507-021-00114-x

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