麦肯锡最新报告：量子计算用例越来越接近现实

光子盒研究院出品

量子计算的加速发展有力地提醒人们，这项技术正在迅速走向商业可行性。例如，在过去的几个月里，日本的一个研究中心宣布了纠缠量子比特的突破，这可以改善量子系统中的纠错，并有可能使大规模量子计算机成为可能[1]。澳大利亚的一家公司已经开发了一种软件，该软件在实验中已被证明可以提高任何量子计算硬件的性能[2]。

随着突破的加速，投资资金源源不断涌入，量子计算初创公司激增[3]。主要科技公司也在继续发展其量子能力：阿里巴巴、亚马逊、IBM、谷歌和微软等公司已经推出了商业量子计算云服务。

当然，所有这些活动并不一定转化为商业成果。虽然量子计算有望帮助企业解决超出传统高性能计算机能力和速度的问题[4]，但目前处在早期阶段，用例主要是实验性和假设性的。事实上，专家们仍在讨论该领域最基本的话题。

尽管如此，这些活动表明，一直关注量子计算新闻的首席信息官和其他领导者不能再仅仅是旁观者。领导者应该开始制定他们的量子计算战略，特别是在制药等行业，这些行业可能会从商业量子计算中获得早期获益。变化最早可能在2030年到来，因为几家公司预测他们将在那个时候推出可用的量子系统。

为了帮助领导者开始规划，麦肯锡进行了广泛的研究，并就以下话题采访了全球47位专家：

量子硬件、软件和应用；新兴量子计算生态系统；可能的商业用例；以及量子计算市场最重要的驱动因素。

在《量子计算：新兴生态系统和行业用例》报告中，麦肯锡讨论了量子计算行业的演变，并深入研究了该技术在制药、化工、汽车和金融领域可能的商业用途，这些领域可能在短期内从量子计算中获得重大价值。然后，报告概述了一条前进的道路，以及行业决策者如何开始他们在量子计算方面的努力。

一个能够支撑量子计算产业的生态系统已经开始展现[5]。报告研究表明，量子计算参与者的价值将近800亿美元(不要与量子计算用例可能产生的价值混淆)。

1.资金

由于量子计算仍然是一个新兴领域，因此该领域基础研究的大部分资金仍然来自公共部门(图1)。

图1 中国和欧盟在量子计算的公共资金方面遥遥领先。

然而，私人资金正在迅速增加。仅在2021年，公开的量子计算初创企业融资就超过17亿美元，是2020年融资总额的两倍多(图2)。报告预计，随着量子计算商业化的普及，私人资金将继续大幅增加。

图2 自2015年以来，量子计算领域的创业活动和投资猛增。

2.硬件

硬件是生态系统中的一个重要瓶颈。挑战既有技术上的，也有结构上的。首先，需要扩展量子计算机中的量子比特数量，同时达到足够水平的量子比特质量。其次，硬件的进入门槛也很高，因为它需要资本、实验和理论量子物理经验以及深厚的知识(尤其是实施相关选项的领域知识)的罕见组合。

多个量子计算硬件平台正在开发中。最重要的里程碑将是实现完全纠错、容错的量子计算，否则量子计算机就无法提供精确的结果(图3)。

图3 成熟的量子计算硬件将使更多的用例变得可行。

对于量子计算机在完全容错之前是否可以创造重要的商业价值，专家们意见不一。然而，许多人表示，不完美的容错并不一定会使量子计算系统无法使用。

我们什么时候可以达到容错？大多数硬件公司都不愿透露他们的开发路线图，但也有一些公司公开分享了他们的计划。已有五家制造商宣布计划到2030年拥有容错量子计算硬件。如果这个时间表成立，到那时，行业可能会为许多用例建立明显的量子优势。

3.软件

专注于软件的初创企业数量的增长速度超过了量子计算价值链的任何其他环节。在软件领域，行业参与者目前提供定制服务，目标是在行业更加成熟时开发交钥匙服务。随着量子计算软件的不断发展，组织将能够升级其软件工具，并最终完全使用量子工具。与此同时，量子计算需要一种新的编程范式和软件堆栈。为了围绕他们的产品建立开发人员社区，较大的行业参与者通常免费提供他们的软件开发工具包。

4.基于云的服务

最终，基于云的量子计算服务可能成为生态系统中最有价值的部分，并且可以为运营它们的人创造巨大的回报。大多数云计算服务提供商现在都提供对其平台上的量子计算机的访问，这允许潜在用户尝试该技术。

由于个人或移动量子计算不太可能在这十年中出现，因此在更大的生态系统成熟之前，云可能是早期用户体验该技术的主要方式。

大多数已知的用例可分为四种原型：量子模拟、用于AI和机器学习的量子线性代数、量子优化和搜索以及量子因式分解。报告详细描述了这些用例，并概述了领导者在评估潜在用例时应考虑的问题。

本报告关注研究表明可以从该技术中获得最大短期利益的几个行业的潜在用例：制药、化工、汽车和金融。总的来说(并且保守地说)，这些行业的风险价值可能在3000亿美元到7000亿美元之间(图4)。

图4 保守估计制药、化工、汽车和金融用例的价值可能高达近7000亿美元。

1.制药

量子计算有可能彻底改变生物制药行业分子结构的研发，并在生产中提供价值，并进一步向价值链下游提供价值。例如，在研发方面，新药在发现后平均需要20亿美元和十多年才能进入市场[6]。而量子计算可以使目标识别、药物设计和毒性试验减少对反复试验的依赖，因此效率更高，从而使研发更快、更有针对性和更精确[7]。更快的研发时间表可以更快、更有效地将产品提供给合适的患者——简而言之，它将改善更多患者的生活质量。制药行业的生产、物流和供应链也可以从量子计算中受益。虽然很难估计这些进步可以带来多少收入或对患者有多大影响，但在一个1.5万亿美元的行业中(预测2021年制药行业价值1.5万亿美元)，平均息税前利润(EBIT)率为16%(根据麦肯锡计算)，即使收入增加1%至5%，也会带来150亿至750亿美元的额外收入以及20亿至120亿美元的EBIT。

2.化工

量子计算可以改善化学品的研发、生产和供应链优化[8]。考虑到量子计算可以在生产中用于改进催化剂设计。例如，新的和改进的催化剂可以节省现有生产过程的能源——单个催化剂可以产生高达15%的效率提升——创新的催化剂可以用更可持续的原料替代石化产品，或者将碳分解为二氧化碳。化学工业每年在生产上花费8000亿美元(其中一半依赖于催化作用)，在这种背景下，5%到10%的实际效率提高意味着价值增加200亿到400亿美元。

3.汽车

汽车行业可以从量子计算的研发、产品设计、供应链管理、生产以及出行和交通管理中获益[9]。例如，该技术可以通过优化复杂的多机器人过程(机器人完成任务的路径)中的路径规划等要素(包括焊接、胶合和喷漆)来降低制造过程相关成本并缩短周期时间。即使生产率提高2%至5%——在一个每年花费5000亿美元制造成本的行业背景下——每年也能创造100亿至250亿美元的价值。

4.金融

金融领域的量子计算用例在未来会更进一步，可能的近期用途的优势是推测性的。本报告认为量子计算在金融领域最有前途的用例是投资组合和风险管理[10]。例如，专注于抵押品的高效量子优化贷款组合可以使贷方改善其产品，可能会降低利率并释放资金。评估量子计算提高抵押品管理的价值潜力还为时过早，也很复杂，但截至2021年，全球贷款市场规模为6.9万亿美元，这表明量子优化具有重大的潜在影响[11]。

与此同时，每个行业的商业领袖都应该为量子计算的成熟做好准备。

到2030年左右，麦肯锡相信量子计算用例将会有一个混合运行模式，介于量子和传统高性能计算之间。例如，传统高性能计算机可能会受益于量子算法[12]。

到2030年以后，私营公司和公共机构正在进行的大量研究对于改进量子硬件和实现更多、更复杂的用例仍然至关重要。六个关键因素将决定该技术的商业化之路：资金、可访问性、标准化、行业联盟、人才和数字基础设施。

量子计算行业以外的领导者可以采取五个具体步骤为量子计算的成熟做好准备：

跟踪行业发展，与内部量子计算专家团队或与行业实体合作，加入量子计算联盟，积极筛选量子计算用例。

了解其行业中最重要的风险、中断和机遇。

考虑是否与量子计算公司(主要是软件)合作或参与投资，以促进对知识和人才的获取。

考虑招聘内部量子计算人才。即使是一个由三名专家组成的小团队，也可能足以帮助组织探索可能的用例，并筛选量子计算的潜在战略投资。

通过构建能够满足量子计算基本操作需求的数字基础设施进行准备；在数字数据库中提供相关数据，并设置常规计算工作流，以便在更强大的量子硬件可用时做好量子准备。

每个行业的领导者都有一个不寻常的机会，可以对定义这个时代的技术保持警惕。战略洞察力和飙升的商业价值可能是奖励。

报告原文下载：

https://www.mckinsey.com/business-functions/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-use-cases-are-getting-real-what-you-need-to-know

参考和注释：

[1]Mayank Sharma, “There’s been another huge quantum computing breakthrough,” TechRadar, September 9, 2021, techradar.com.

[2]Brad Bergan, “A new quantum computing method is 2,500 percent more efficient,” Interesting Engineering, November 5, 2021, interestingengineering.com.

[3]https://www.mckinsey.com/~/media/mckinsey/featured%20insights/the%20rise%20of%20quantum%20computing/quantum%20technology%20monitor/2021/mckinsey-quantum-technology-monitor-202109.pdf

[4]https://www.mckinsey.com/business-functions/mckinsey-digital/our-insights/a-game-plan-for-quantum-computing

[5]https://www.mckinsey.com/~/media/mckinsey/featured%20insights/the%20rise%20of%20quantum%20computing/quantum%20technology%20monitor/2020/mckinsey-quantum-technology-monitor-202012.pdf

[6]https://www.mckinsey.com/industries/life-sciences/our-insights/recalculating-the-future-of-drug-development-with-quantum-computing

[7]https://www.mckinsey.com/industries/life-sciences/our-insights/pharmas-digital-rx-quantum-computing-in-drug-research-and-development

[8]https://www.mckinsey.com/industries/chemicals/our-insights/the-next-big-thing-quantum-computings-potential-impact-on-chemicals

[9]https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/will-quantum-computing-drive-the-automotive-future

[10]https://www.mckinsey.com/industries/financial-services/our-insights/how-quantum-computing-could-change-financial-services

[11]根据Research and Markets的数据，截至2021年，全球贷款市场总额为6.9万亿美元。关于违约率的全球数据尚不清楚，但保守估计为5%，并假设违约损失(违约时损失的资产价值)为贷款初始价值的50%。

[12]Juan Miguel Arrazola et al., “Quantum-inspired algorithms in practice,” Quantum, August 2020, Volume 4, pp. 307–31, quantum-journal.org.

—End—

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