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凯捷咨询报告:如何现在就为量子优势做好准备

光子盒研究院 光子盒 2022-07-04

光子盒研究院出品



3月底,凯捷研究院(Capgemini Research Institute)在收集了857家机构组织意见、调查了200名正在计划或已经采用量子技术的高管、与30多位行业专家的深入访谈后,发布了《量子技术:如何让你的组织现在为量子优势做好准备》的研究报告。

 

凯捷咨询是欧洲最大的咨询公司。作为全球最著名的管理咨询、技术和外包服务的供应商之一,目前凯捷在全球40个国家拥有逾112,000名员工。凯捷总部设在巴黎,区域业务运营包括北美,北欧以及亚太和中东。

 

 


时间紧张的读者可以只看这部分。

 

1.量子技术仍处于早期阶段

 

量子技术可以操纵电子、光子和原子来解决以前认为无法解决的问题,并开辟新机会。


量子甚至使我们能够使用一些反直觉的原理:如叠加(一个粒子同时处于两个或多个状态的能力)和纠缠(改变一个粒子的状态可以影响距离很远的另一个粒子)。

 

与目前使用的经典系统相比,量子技术有望以指数级的速度提高现有最好的超级计算机的算力、实现防窃听通信以及超精确和快速的测量,这种现象通常被称为“量子优势”(quantum advantage)。这种技术可以为企业解决优化、机械模拟和机器学习的问题带来巨大转变。在风险管理、网络安全、物流、调度操作、发现轻质材料或新药以及应对气候变化等领域,量子可以带来比现有技术更高的效率。

 

量子技术仍处于早期阶段:各组织仍在探索原理和概念的证明。使用目前的量子计算机可以解决的大多数问题,也可以用经典计算机更快、更经济地解决。经典的解决方案将在可预见的未来继续下去,而量子技术将大部分被用来作为补充。然而近年来,研究进展加快,量子技术已开始走出实验室环境并逐渐投入使用。

 

各机构正在创建生态系统并在其中进行合作和实验,以增强他们对量子技术的理解。例如,空中客车公司已经探索量子技术的应用至少五年了,通过确定飞机制造过程中的复杂问题,为航空航天平台开发安全通信,或致力于天基重力计。2018年,它成立了一个量子技术应用中心,致力于解决该领域的一系列问题。它与世界各地的专家合作,在2019年的量子挑战赛中通过量子计算解决围绕飞行物理学的五个问题;2021年,它购入了量子传感初创公司Q-Ctrl的股份。

 

同样,一些大型组织已经进入了特定领域的量子技术用例的开发:

 

1)摩根大通使用经典-量子混合方法来确定金融资产的最佳组合,声称可以扩展到任何规模的组合;

 

2)大众汽车集团展示了首个基于量子计算的实时交通路线系统,以尽量减少等待和旅行时间;

 

3)制药巨头葛兰素史克(GSK)正在探索量子优化方法在未来药物开发领域的潜在规模;

 

4)韩国天然气公司正在测试一个基于量子传感的气体安全系统。与广泛使用的红外系统相比,它有望从更远的地方检测到泄漏,并识别出气体浓度较低的泄漏。

 

尽管围绕量子技术有很大的炒作空间,但最近的突破表明,它将会在未来几年内达到一个新的高度。一些量子技术已经在测试/试点中,研究的目的是回答以下问题:

 

1)企业现在应该投资于量子技术吗?

2)在量子计算、通信和传感方面有哪些机会?

3)企业如何识别潜在的量子优势?

 

2.报告核心要点

 

1)少数组织已经达到早期实施阶段。总体而言,23%的组织表示他们正在使用或计划使用量子技术。然而,许多组织还没有达到测试/试运行阶段。这一领域的投资正在上升,43%从事量子技术工作的组织希望它们在未来3-5年内可用于一个主要的商业应用。

 

2)进行实验的组织的目标是巨大的回报,即变革性的影响。早期进入量子领域的公司将从以下方面受益:更高的流程效率和更强的安全性。调查中,十分之七的组织表示,由于需要将漫长的产品开发周期,他们现在就需要将量子技术整融入他们的流程,避免错失良机。早期领先的行业包括能源、化工、汽车、航空航天、生命科学和银行业。对于年收入超过10亿美元的大型企业来说,在量子技术领域所需的投资金额相对较小。

 

3)量子计算距离商业应用只需5-10年时间。已经成功进行概念验证(PoC)的组织对实现量子优势更加乐观:对于量子计算,20%的组织认为这一目标距离实现不到五年,而总体而言,这一比例为13%。在投资者兴趣、不断扩展的用例和技术前沿突破的推动下,开发速度加快。量子硬件、算法和技术的改进可以提供比经典技术模式更高的速度。

 

4)量子安全的信息解决方案已经面世。量子通信提供了牢不可破的加密技术。量子安全信息解决方案已经在有限规模的市场上实现了商业化。基础设施和软件供应商、初创企业、政府机构、标准制定组织和最终用户组织正齐聚一堂,形成一个蓬勃发展的量子通信生态系统。除此之外,58%的组织正在等待标准的出现,然后再优先考虑量子安全的问题。然而,组织可以从使用已演示的量子加密技术来保护敏感和关键信息开始。

 

5)量子传感具有新的应用,对某些行业具有革命性的意义。最近,许多量子传感器正在从实验室环境向工业应用中出现。尽管量子传感是小众的,但量子传感器可以在以下方面发挥变革性作用:采矿、建筑、电信、国防领域的土地或水的勘探或测量;航空航天、汽车和国防领域的无GPS导航;生物医学成像;以及工业过程控制和安全。

 

3.组织如何为量子优势做准备?

 

组织如何为量子优势做准备?报告建议采取五步法,在量子优势到来时立即加以利用。

 

1)评估投资量子技术是否对企业有意义。例如,量子计算对特定类别的问题是有优势的,只有当这些问题是企业业务挑战的一部分时,才会谨慎地探索它们;

 

2)建立一个由专家组成的小团队。理想情况下,这个团队是集中组织的,由一名首席研究员向组织的研发或创新主管报告;

 

3)将最有力的用例转化为小规模的量子实验。这将有助于评估是否有潜在的量子优势可以获得,以及测试你的团队的能力;

 

4)与技术供应商建立长期合作关系,以渡过技术障碍。大约三分之一的组织倾向于与在该领域有专长的IT服务/软件/硬件公司合作建立创新中心;

 

5)制定长期战略,扩大人才和技能基础。随着更大范围和规模的量子计划开始实施,计划发展适当的内部技能。

 


1.量子技术的定义

 

该研究报告集中于三大量子技术:量子计算、量子通信安全和量子传感。“传统”或“经典”计算指的是目前使用的、不利用量子特性的计算系统。






2.为什么投资量子?
 
组织和企业必须投资量子的原因主要有两个:
 
1)尽管该技术刚刚起步,但其影响可能是变革性的。许多关键的量子技术仍然处于起步阶段。一些项目已经达到了概念验证阶段,但与现有技术相比,有形的、现实世界的优势仍然难以实现。然而,量子的影响可能是广泛和变革性的。各行业的使用案例很多,从优化到机器学习、模拟、精确感应和安全。对于企业来说,这意味着更高的速度、即时的结果、更精确的测量,以及更安全的通信。因此,在这一变革性技术中站稳脚跟,对于实现超越同行的竞争优势非常重要。相反,在投资之前等待技术的出现是没有回报的。正在采取措施的组织表示,在确定要解决的正确问题、学习如何使用技术来解决这些问题,以及建立实施技术的人才基础方面,至少需要两年的准备时间。大多数组织已经在努力成为“量子预备队”:拥有到位的资源和流程,以测试和调整量子技术在其独特环境中的使用。此外,他们正在投入更多的资源。调查显示,20%的组织和85%的正在使用或计划使用量子技术的组织预计将在未来一年增加对该技术的投资。QuTech首席应用电磁科学家Nadia Haider表示,现在我们能够更好地控制量子系统,可以使用纠缠或叠加。真正利用这项技术工作的能力成倍增加,这不仅对基础研究有用,而且我们可以把它带到实际应用中去。
 
2)量子技术的进展正在加速,预计未来五年内会有早期应用,量子技术已经获得了主流行业的关注。在中国,世界上第一个综合量子通信网络于2021年建立,将地面光纤与两个地面-卫星链路结合起来,在4600公里范围内实现量子密钥分发(QKD),为银行、市政电网和电子政务网站服务;高盛公司2021年的一项预测指出,量子计算可以在未来五年内开始在实际金融应用中产生量子优势。
 
美国和中国在与量子技术相关的出版物方面处于领先地位:推进量子技术的竞赛正在升温。美国、中国和欧洲国家已经宣布为这些技术提供大量公共资金。它们在该领域的出版物数量上也处于领先地位。在有关量子技术的出版物(2010-2020)的前五个国家中,美国和中国领先,而英国和德国紧随其后。
 
2010-2020年期间,美国在量子技术的研究论文发表方面处于领先地位。来源:哈佛大学肯尼迪学院贝尔弗科学与国际事务中心《技术大比拼:美国的量子技术》,相关数字已被四舍五入。各国的重点也不同,美国在量子计算方面很强,而中国在量子通信方面领先,英国的量子技术项目主要集中在量子传感技术上。
 
量子技术的可能演变/关键用例,来源:《凯捷研究院量子技术调查》
 
达到实施阶段的组织已经研究了量子技术两年多的时间。总体而言,23%的组织正在从事或计划从事量子技术的研究。其中,许多还没有达到测试/试点阶段。
 
资料来源:《凯捷研究院量子技术调查》,N=857个组织,2021年11-12月
 
中国和荷兰从事或计划从事量子技术的公司所占比例最大,远超德国和英国。来源:《凯捷研究院量子技术调查》
 
各部门的量子技术采用者比例。来源:《凯捷研究院量子技术调查》
 
如下图所示,6%的组织(在23%的计划或正在研究量子技术的组织中)已经达到初步实施阶段。这些组织中的72%已经研究这项技术两年或更长时间。这意味着,即使要达到实施,公司也需要投入时间来建立基础:学习技能、确定问题/用例、实验室实验、达成合作关系,一旦技术足够成熟,很可能会出现对技能或资源的强烈竞争。
 
具备这些条件的公司有可能获得比同行更多的优势。正如丹麦一家跨国制药公司的首席数据科学家Gopal Karemore所建议的,“一些企业认为,现在的技术还不成熟,所以为什么我们要投资?但是,如果这项技术在未来是成功的,而你的所有竞争对手早在你之前就开始了这一历程,怎么办?”此外,13%的组织(在23%的样本中)正在进行该技术的实验。总的来说,19%的组织正在计划或致力成为量子技术的“先行者”,这占了全部组织样本的4%。
 
6%的组织已经启动了规模有限的试点项目,或取得了量子技术的早期成果。来源:《凯捷研究院量子技术调查》
 
在量子技术的应用过程中,航空航天、生命科学、能源化工等领域处于领先地位。在能源和化工领域,改善可持续发展已经成为一项共同的事业,案例包括发现用于电池制造的新材料,到感知和减轻有害工业气体;同样地,生命科学公司正试图利用量子计算来缩短药物开发周期。
 
五分之一的能源、化学品和生命科学组织是实施者:发起实验、试点并取得早期成果。来源:《凯捷研究院量子技术调查》,N=200家从事或计划从事量子技术的机构
 
下图显示了量子技术可以帮助改善环境可持续性的四个关键领域。例如,电力生产占温室气体排放的25%。量子计算可以通过对新型光伏材料的模拟来帮助提高太阳能电池板的效率或降低其制造成本;同样地,制造业占总排放量的近21%,遏制其对环境影响的方法是利用量子模拟找到正确的聚合物组合来制造更坚固的混凝土。
 
量子技术可以帮助减少碳排放的四个关键领域。量子计算可以直接应用于优化企业内部的能源使用,尽管存在不确定性,但与从经典系统获得相同的输出相比,在量子系统上进行计算可以减少整体的能源消耗。量子计算机可以更容易地处理复杂的计算,但在某些情况下,它也需要专门的冷却设备来维持量子态;随着量子计算的扩展,预计对冷却设备的要求将不会线性扩展,从而节省能源密集型计算资源。来源:《凯捷研究院量子技术调查》、美国环境保护局(EPA)
 
报告还发现,人们对量子技术的看法有了很大的改变。在过去的一年里,从事量子技术的组织已经提高了对这些技术的认识、理解和支持:
 
1)60%的人说他们对量子技术有了更细致的了解;
2)58%的人已经获得了高层对量子计划的支持;
3)51%的人表示,他们更清楚地认识到量子技术的潜力。
4)约10%的组织预计,在未来三年内量子技术可用于其业务中的至少一个主要商业应用。
 
10%的组织预计量子技术将在1-3年内可用于至少一个主要的商业应用,其中77%的企业既没有在采用也没有计划采用量子技术。来源:《凯捷研究院量子技术调查》,N=857家企业
 
实施者有可能以最小的投资获得可观的收益。对于大型企业来说,建立一个量子实验室所需的投资相对较小。根据我们采访的几位专家,其总体建设成本低于500万美元。假设IT支出约占收入的2%,对于收入超过200亿美元的组织,这是一个很小的比例。企业可以从现有的创新实验室中抽出一些成员来增加新的技能(例如,量子物理学家来建立一个实验室),获取量子硬件的使用可以像云计算一样按使用量或按时间单位付费。在调查中,70%的组织同意,由于业务产品开发周期较长,现在需要将量子技术融入其流程。一些早期行动的行业包括生命科学、化工、能源、汽车、航空航天和国防。
 
风险资本的投资也在不断涌入。到2021年11月,量子技术已经吸引了30亿美元的私人资金,而自2002年以来的资金总额为50亿美元。“任何今天不开始这个旅程的公司,在未来5-10年内都有可能在其行业内失去任何有意义的地位。”专注于量子技术的风险投资公司Entanglement Capital的管理合伙人André König说。
 
 
1.量子计算:潜力巨大
 
量子计算是所有量子领域中潜力最大的,但它也是最不成熟的。平均而言,我们调查的受访者认为,第一批商业量子计算应用还有五年时间。早期投入的机构对实现商业化和量子优势更为乐观:20%的人认为距离实现商业化和量子优势不到五年,这占所有企业的13%。换句话说,那些最接近量子的组织显示出最强烈的信心。
 
约20%的早期推动者(占所有组织的13%)预计,在不到五年的时间里,量子计算将可用于至少一个主要商业应用。来源:《凯捷研究院量子技术调查》,N=857家企业
 
在投资者的兴趣、不断扩大的用例和技术突破的推动下,量子硬件、算法和技术正在加速发展。富国银行高级副总裁、先进技术首席架构师兼量子和新兴技术研发主管Peter Bordow说,对量子计算的发展持谨慎乐观的态度是合适的。“实验室里的进展和突破可能需要相当长的时间才能达到商业化或生产标准。因此,必须勤于研究并确定期望。然而,我认为在一些用例中的量子优势,如复杂系统建模、金融投资组合优化和药物开发,在未来三到五年内看起来很有希望。
 
量子计算有有潜力解决复杂的商业问题,如下图所示,问题类型包括旅行商问题、背包问题、分子模拟和蛋白质折叠、整数分解或素数分解等。
 
哪些问题对量子优势来说是成熟的?有几类问题即使对今天的高性能计算机来说也很复杂。这些问题更适合更适合量子计算机,因为它们可以并行执行多个计算。量子机器学习也是涉及分类、卷积神经网络、生成式对抗网络等问题的重要领域,可用于生成合成数据集、训练自动驾驶汽车、计算复杂性理论、将各种问题类型分类,这些不同类别问题的确切边界仍在数学家和计算机科学家之间讨论和争论。随着解决复杂问题的新算法不断涌现,对量子优势的理解也将不断发展。来源:《凯捷研究院量子技术调查》
 
随着市场环境变得越来越动态,问题将变得更加计算密集(即更难解决)。例如复杂衍生品的定价:随着市场向更复杂的产品发展,对这些产品的估计取决于更多的标准,并且与目前高性能计算机的算力差距越来越大。
 
道达尔能源(Total Energies)的科学计算、数据科学和人工智能研究项目主任Philippe Cordier解释了他们希望用量子计算解决的问题。“我们意识到,在材料的量子模拟方面有一些成果:帮助发现有效捕获和转化二氧化碳的材料。其次,我们研究了系统、运营、流动性和海上风电场的优化问题。”
 
福特研究与先进工程公司的量子计算项目负责人Joydip Ghosh表示,他们已经尝试用量子计算来解决各种问题。“我们一直在尝试利用量子机器学习解决优化问题,如车辆路线优化和分类。量子加速在这些领域对汽车行业有很大的潜力。”
 
上述问题的解决方案转化为商业中各种各样的用例,涉及组合优化(路由、调度等)和模拟。因此,各行业的数十种用例已被确定,许多正在测试中。
 
按行业划分领先的量子计算用例。来源:凯捷研究机构的采访和二次研究
 
有可能产生变革性影响的行业,也是那些在量子计算领域一直很活跃的行业。报告认为以下三个行业最适合于高影响力、高采用率的类别:
 
1)金融服务。存在大量的优化机会,如使用蒙特卡洛模拟(用于风险评估、财务规划、衍生品定价等复杂的、计算密集型的风险评估)。蒙特卡洛模拟提供了一系列可能的结果,并为一个行动的每个结果附加了概率。“由于量子计算机可以操纵的数据量是经典计算机不可能做到的,因而可以带来更高质量的结果,因为我们可以操纵更多的数据来获得一个精确的结果。其次,我们期待更快的答案使我们可以更快地调整战略”法国兴业银行的IT项目总监兼量子社区负责人Eric Mely说。
 
2)生命科学。分子进入后期开发阶段的失败率很高,潜力巨大的用例包括精确模拟药物分子及其与其他生物的相互作用;优化目标分子的筛选以促进药物开发。“在小分子治疗剂设计方面,有10⁶⁰种化学物质可以被合成为潜在的候选药物;另外,在生物制剂治疗设计中,有D的K次方个设计方案,D是氨基酸序列同一性,K是可设计的序列位置。这种计算药物设计涉及一个天文数字般大的搜索空间,超出了传统经典计算机的能力。量子计算可以帮助选择原料药的竞争者,这在药物开发的后续阶段可能是有用的。我认为实验设计(DoE)和先导化合物优化将成为药物开发过程中量子计算最重要的受益者。”来自丹麦一家跨国制药公司的Gopal Karemore建议说。
 
3)制造业(跨垂直行业)。这在工厂运营、供应链和材料研究方面提供了很大的效率提升空间。
 
量子计算应用潜力大的热门行业。来源:《中国日报》、《用于量子振幅估计的低深度算法》、《颠覆和加速药物发现,以实现更快、更准确的线索识别》、《IBM和戴姆勒使用量子计算机开发下一代电池》
 
目前,硬件和算法的限制正在缓解。与量子计算的主要实际限制(退相干、纠错或低量子比特数)有关的最新进展是很有希望的。下面是与这些限制有关的最近突破的两个例子:
 
1)退相干。由于量子比特与环境的相互作用,导致量子态崩溃。为了缓解这一问题,2022年2月,麻省理工学院(MIT)的研究人员能够将量子比特的量子态维持10秒,而此前只有几微秒或几毫秒;
 
2)纠错。增加更多的量子比特会增加输出的错误率。为了解决这个问题,2021年7月,霍尼韦尔展示了实时检测和纠正量子计算机中发现的两类错误的能力。
 
这些限制都是相互关联的。例如,纠错的一个挑战是它需要更多的量子比特,但目前量子比特的数量也是有限的。此外,量子比特的拓扑结构(量子比特如何组织和相互作用)也起着重要作用。量子体积(QV)是一个整体指标,不仅包括量子比特数量和质量,还包括拓扑结构,被用来评估量子计算机的能力。2021年12月,霍尼韦尔报告其量子计算机的QV为2048,比它在2020年10月推出的量子计算机增加了16倍。
 
开发可扩展量子计算机的另一个挑战是对产生的结果进行验证。由于量子计算机被设计用来解决经典计算机难以解决的问题,相应地,解也很难用传统计算机来验证其正确性。爱丁堡大学信息学学院的量子计算教授Elham Kashefi在这个领域已经研究了近十年,他表示,“量子验证将是量子计算的关键因素。如何验证量子计算机的输出是否正确?我们已经成功展示了一个验证协议,以测试量子计算机执行基于测量的量子计算能力。”
 
一旦量子计算机准备就绪,安全和私密地访问它们的能力将至关重要。Kashefi教授团队开发的一项名为“盲量子计算(BQC)”的协议将发挥关键作用。“BQC允许用户在量子计算机上进行量子计算、输入/输出数据,而该计算仍然完全保密。”该技术可以允许涉及分布式计算的多种用例,公司可以与其他组织安全地交换数据并使用洞察力的结果,这对公共服务部门和其他机构来说可能是非常重要的,医疗保健部门具有巨大的重要性。
 
量子计算可以增强机器学习(ML)模型,甚至超越它。机器学习在各行业中产生了强烈的影响,但需要巨大的计算资源:能源密集型,而且可能很费时。量子机器学习(QML)技术旨在提高经典ML算法的性能:例如通过更快的算法,或更好的模型表示,在给定的训练数据量下产生卓越的性能。其他正在研究的应用包括神经网络验证,或使用QML技术改善模型的可解释性。美国宇航局艾姆斯研究中心工作的大学空间研究协会副主任Davide Venturelli表示,“我和斯坦福大学的合作者正在研究的一个问题是神经网络验证:假设在一个指导无人机飞行的神经网络中,我们需要确保某些选择被列入黑名单。比如,飞机永远不会被告知以某种速度调头。所以你要从数学上验证,你的神经网络永远不会违反这些安全规则。因此,你可以把这个问题投射到一个优化问题中,结果是非常困难的。我们正在研究用量子启发硬件或QML技术解决这类问题的性能。”
 
QML可以潜在地提高ML的性能,从而提高各行业的应用。与量子计算一样,QML也处于一个新生阶段。上述许多优势都是理论上的,需要大量的研究,例如如何有效地将经典数据加载到量子计算机上。来源:《凯捷研究院量子技术调查》
 
附 企业采用量子计算的典型案例
 
1)采访富国银行副总裁兼首席架构师兼量子和新兴技术主管:Peter Bordow
 
Q. 富国银行对量子计算的愿景和目标?
 
A. 我们的目标分为两大领域:量子优势和量子弹性。在量子优势方面,我们正在寻找量子加速的方式,即量子平台可以提供比传统计算系统更多的优势。而在弹性方面,我们正在努力发展我们的内部技能,开发算法并扩大对量子计算概念的理解。此外,我们正在识别和缓解在引入与密码学相关的量子计算机后对安全领域的最终威胁。
 
Q. 你认为量子计算的应用何时能准备好进行商业化?
 
A. 你必须对这些发展持谨慎的乐观态度。因此,虽然技术还没有成熟,但有可能取得突破。量子技术处于这样一种状态:实验室里的进展和突破可能需要相当长的时间才能达到商业化或生产标准。因此,你必须勤于研究,谨慎对待你的期望。然而,我希望在未来三到五年内,量子优势在一些用例中,如复杂系统建模、金融组合优化和药物开发等方面看起来很有希望。
 
Q. 目前在开发量子应用方面有哪些挑战?
 
A. 我认为在构建算法和电路的基础上还有很多基础工作要做。很多工作都是围绕着把我们想在量子系统上运行的东西塞进今天的限制中,不仅是量子比特数量的多少,而且还有硬件的保真度。我认为这是从小规模的实验开始的:熟悉基于门的机器,熟悉操作者,然后同时在企业内部扩大知识库,使平台和算法库的访问民主化,以便可以做出更多的贡献。我认为这将导致一个概念证明,其中结果可以测量、传输,价值可以量化。
 
Q. 富国银行是如何加强网络安全弹性,以防范量子计算机一旦破解当前的加密标准可能出现的新威胁?
 
A. 对任何企业来说,改造加密环境是一项巨大的努力。我认为,量子网络攻击不是一个“是否”的问题,而是一个“何时”的问题。但预测一个结束的日期是棘手的部分。在某些情况下,可能需要十年或更长时间才能将你的加密技术迁移到一个更强大的模型。但坦率地说,我不认为我们有那么长的时间。解决方案是向量子弹性的积极转变,同时也创造一个更灵活的加密环境。我们需要不断更新对潜在威胁的想法,这是我最关注的领域。
 
2)采访德国药物发现和研发公司Evotec的电子研发部创新发展负责人Bhushan Bonde(曾任比利时制药跨国公司UCB的早期解决方案创新发展部IT负责人)
 
Q. 在UCB使用量子技术的第一个诱因是什么?
 
A. 利用内部高性能计算(HPC)能力需要花费数百万美元。主要成本是冷却HPC和继续使用的电力,因此预算每年都在成倍增加。此外,在3-5年内,你也必须更换所有的内部基础设施,而量子计算正作为一种替代方案出现。它可能不会解决所有的问题,但它可能会补充经典技术来解决很多问题。
 
Q. 除了降低硬件成本外,制药公司在哪些方面可以产生量子优势?
 
A. 最有希望的显然是药物开发。量子计算的提速可以帮助我们节省2-3年的时间,而药物从研发到生产通常需要10-14年。即使你在这个时间段内使用正确的计算消除某些阶段,这将是一个很大的优势。另一个优势是在降低损耗方面:确定要停止的项目所需的时间。量子计算可以帮助制药业将精力集中在正确的化合物上,从而减少后期大规模投资失败的可能性,节省大量成本。
 
随着时间的推移,量子计算的最大好处将是增强其处理能力,远远超过目前算力的极限。在生物学中,我们做了大量的实验来确定体内通量的分布位置。在这里,我们把一些放射性标记的物质,反馈给细胞或器官,然后确定有多少东西出来,以了解身体是否处于稳定状态。我花了三年时间试图用经典计算机来识别,有很多类似的东西。每次你运行它都会给你错误的答案,或者它可能只是在误导你,它没有达到全局最小值(一个函数的最小值)。它总是被困在局部最小值的某个地方(看起来是一个函数中的最小值,但实际上不是最低点)。
 
有了量子计算,你真的可以得到一个可靠的答案。
 
Q. 在没有能力更强的量子计算机的情况下,企业如何在NISQ时代获得量子优势?
 
A. 与其等待更多量子比特的计算机的出现,我们可以在抽象的层面上解决二维结构问题,并进行一些智能算法开发。例如,苯环。在苯环中有六个对称的碳原子。因此,你不必分别求解每个键的角度(三个原子之间形成的角度,至少跨越两个键)。我们是否可以用一个量子比特来求解一个键的角度,然后得到六个键的角度?因此,这些是我们正在建立的智能算法,不需要六个量子比特,我们可以只使用一个量子比特。我们可以将这种方法推广到企业中的其他问题上,例如金融方面的问题。
 
Q. 如何确定使用量子计算解决的正确问题?
 
A. 公司可以从他们今天正在消耗高性能计算(HPC)的用例开始。在HPC上有哪些问题是具有挑战性的?我们把一个问题从HPC带到量子计算机上,如果我们能证明有可能有一个更好的答案,并对其进行基准测试,那么这就是你可以进一步发展的。这就是你开始的地方。重要的是,组织内部应该有向财务或运营人员宣传量子计算的想法。然后,他们开始思考他们的流程中的优化挑战,这些挑战目前是无法解决的或提供次优输出的流程。
 
2.量子安全通信:已开始实施
 
量子通信指使用量子力学以可证明的安全方式传输数据,甚至是远程传输“量子信息”(传输信息不需要穿越节点之间的物理空间)。
 
每年有超过79亿条数据记录被泄露。网络攻击的发生率越来越高,再加上对云计算和物联网技术的下一代安全解决方案的需求不断增加,以及更严格的数据隐私立法,需要安全的方式来传输信息。安全性是量子通信的最重要的特征。通常情况下,这种系统涉及量子密钥分发(QKD)——一种不可破解的技术,在不同地点之间使用加密“密钥”分享。这是一种无法破解的技术,可以使用单光子在不同地点之间分享密钥匙。
 
此外,目前的安全标准是基于大型复合数的因式分解,虽然现有的经典计算机无法破解,但足够大的量子计算机将能够做到这一点。对于需要保护或储存较长时间的信息,来自“现在获取,以后解密”的攻击威胁也在上升。根据印度量子生态系统和技术委员会董事会主席Reena Dayal的说法,“一旦我们在量子计算方面有了可扩展性的突破,它就会突然威胁到组织的信息安全,假设可扩展的量子计算机的商业化在突破后需要六个月到一年的时间。这意味着组织机构只有这么多时间对其系统进行量子防御。因此,他们今天就需要开始后量子安全工作,因为(确保其数据和网络安全)的努力将是广泛而漫长的。”
 
关于量子计算机何时、以及以何种形式能够打破目前的加密标准,以及如何使信息具有抗量子性的问题,人们一直在争论。信息安全可以通过以下两种方式之一实现:(1)在信息传输中使用量子力学,即量子密码;(2)改变当前经典网络的加密标准,使其具有量子安全性,这被称为后量子密码(PQC)。
 
量子密码解决方案已经在实施,特别是用于双方安全数据交换的点对点网络。在非常长的距离上这样做是一个挑战;然而,一旦成功扩展,量子有可能成为所有安全通信的标准。量子密码学系统已经达到了概念验证(PoC)阶段,对点对点的连接和安全性进行了演示。同样,为PQC制定标准的工作也在进行中。
 
由于成本和所需的技能,没有一个组织可以提供或管理量子通信的每一个方面。因此,在组织之外建立一个生态系统或成为其中的一部分是至关重要的。
 
最近,由参与者组成的大型生态系统正在发展:从设备供应商到研究机构、标准制定机构(美国国家标准与技术研究院(NIST)、欧洲电信标准协会、IEEE、OpenQKD等)、风险投资公司,以及最终用户(主要是那些拥有敏感数据的组织,如银行、国防、医疗保健、公共部门和云数据中心供应商)、创造或保护知识产权的组织(汽车行业的产品设计、生命科学的分子配方,或石油和天然气的战略资产位置),都是早期的终端用户。
 
量子通信生态系统正在蓬勃发展。来源:《凯捷研究院量子技术调查》
 
最近,几个PoC已经成功实施:
 
1)英国电信和东芝已经合作部署了一个基于QKD系统的量子安全网络。该系统的部署是为了在6公里长的光缆上每分钟生成数千个量子安全的加密密钥,其范围扩展到120公里。这可以帮助确保两个地点之间的点对点通信联系。
 
2)总部位于荷兰的KPN在代尔夫特和海牙之间使用QKD从Rijswijk的中央节点进行测试通信。中央节点无法得知终端节点之间传输的秘密。目前节点之间的距离是150公里,但KPN的目标是将系统升级到250公里。对于组织来说,扩大QKD链路的范围将有助于扩大一系列的用例,包括物联网、身份和远程访问管理,确保来自远程服务器的移动数据的安全,以及安全信息传递等。
 
3)同样,PQC旨在开发对量子和经典计算机都安全的系统,并能与现有的通信协议和网络互操作,它正在快速发展。2021年10月,美国国土安全部(DHS)与NIST合作,发布了一份路线图,帮助企业保护他们的数据和系统,减少与量子计算技术发展相关的风险。DHS的新指南将帮助组织为过渡到后量子密码做好准备,识别、优先处理和保护潜在的脆弱数据、算法、协议和系统。
 
组织已经在使用量子技术保护其关键基础设施和信息。在采用了量子通信技术的调查对象中,排名前三(共七类)的有希望的应用是:
 
·与外部各方进行安全的信息交流;
·保护组织内部的关键基础设施(物联网和云技术)。
·云数据中心的安全。
 
其他用例包括消除对量子化网络攻击的脆弱性、一般的网络安全、通过设计实施隐私,以及安全数据迁移:
 
·安全解决方案供应商巴布科克公司与英国的量子加密服务初创公司Arqit合作,以确保载人和无人驾驶飞行器、海上连接等的安全。
 
·东芝公司利用QKD将大学和医院的约80GB的基因组分析数据备份到多个站点。基因组分析数据与个人直接相关,因此需要严格的流程来防止数据泄露。为了将其用于基因组医学,这些数据还需要在多个地点进行备份,以保护数据免受系统故障或自然灾害的影响。这与使用磁带或其他媒体从远程存储地点物理运输基因组分析数据相比,是一个进步。
 
·SK电讯与ID Quantique合作,在其客户中试用QKD,包括保护核电站的紧急广播网络;保护公共机构的行政数据;氢气汽车设计技术中心;基于云的医疗系统;或自主机器人使用的个人信息。
 
后量子密码和量子密钥分发都有可能成为后量子时代保障信息安全的主导技术。研究指出,这两种技术都有自己的优势,并将需要开发强大的和具有成本效益的安全解决方案。将这两种方法用于不同的层次(如应用或物理)、时间尺度和数据类型,可以提供一个安全的量子链接。企业现在可以实施基于PQC的解决方案,然后使用QKD来保证从经典计算到量子计算过渡的安全性。
 
KPN量子顾问Victoria Lipinska说:“PQC和QKD并不是对立的解决方案。我们可以创建一个用QKD物理保护的链接,然后在此基础上,可以有一个使用PQC和量子衍生密钥的层,以确保两端的通信安全。因此,如果一件事失败了,还有另一件事来保护它。然而,有一些专门的应用,数据的寿命真的很重要,如政府、军队、警察等,考虑尽可能长时间地保护通信的安全真的很有意义。而且,对于这一点,QKD可能是一个不错的选择。”
 
PQC和QKD对比。来源:《凯捷研究院量子技术调查》
 
企业需要为其数据的迁移创建一个全面的路线图,以应对后量子时代的风险。在整个组织中实现变革将需要数年时间,并且需要一套不同于组织目前可用的安全技能。企业安全专家需要进入量子通信生态系统,以了解加密方法的最新发展,或硬件/软件供应商。基于目前可用的加密技术,组织需要采取以下步骤来保护他们的数据:
 
1)首先确定需要保护的关键信息,包括“静态数据”和“动态数据”,并根据安全加密的优先级从高到低对这些数据进行分级;
 
2)对于需要最高安全级别的数据集/网络,建立基于QKD的点对点连接;
 
3)为所有高优先级的数据实施PQC层。评估系统和软件的准备情况,以便为所有其他信息采用额外的PQC层。持续监测现有系统的加密灵活性(组织在不重写应用程序或部署新硬件的情况下快速改变其量子安全加密标准的能力)。在所有未来应用程序的设计中嵌入加密能力。
 
缺乏标准不应成为实施量子安全解决方案的障碍。正如调查所示,许多组织正在等待安全协议的进一步标准化,然后再考虑量子密码的优先权。然而,企业现在需要开始考虑将他们的网络安全过渡到量子技术。预计NIST将在2024年发布PQC标准,但它也宣布将在2022年初实现PQC算法的标准化。同样地,截至2021年3月,有22个已公布的QKD标准和20个正在开发的文件。在此基础上,各组织可以开始迁移他们的关键数据集,如受法律保护的信息、与知识产权有关的数据等,从经典的加密解决方案迁移到PQC算法。
 
大多数组织在优先考虑量子安全之前都在等待标准的出现。来源:凯捷研究院,N=200家从事或计划从事量子技术的组织
 
目前这种解决方案的局限性已经得到了解决:对于QKD的可扩展性问题,KPN建立了一个独立于测量设备(MDI)的QKD系统,它克服了典型QKD系统中的扩展问题,多个用户可以通过一个不需要信任的中央节点进行连接,建立了一个星型网络。鉴于这种发展,从事敏感信息的组织,如金融服务、国防等,需要开始使用量子网络来传输和接收高度机密的信息。
 
附 企业采用量子通信的典型案例
 
采访英国电信(BT)公司光网络和量子研究部高级经理Andrew Lord
 
Q. 你能详细介绍一下英国电信的量子通信计划吗?
 
A. 我们正在与东芝合作,在伦敦建立世界上第一个商业化的量子安全的地铁网络。该项目将使用QKD技术,为我们的客户提供量子安全的网络服务。这将是对该技术早期试验的扩展。这些试验的目的有两个方面:首先,从点对点的量子链路扩展到创建一个大规模的量子网络;其次是将客户带入试验,从我们的企业客户开始,了解我们可以从我们的量子网络中创建哪些服务。
 
Q. 你已经试验了哪些量子通信服务?哪些将首先被商业化?
 
A. 具有最大潜力的服务是提供可信的、强大的和安全的数据传输。它将对要求非常高的安全性和消费者数据隐私的组织非常有利,例如,国防、金融服务、医疗保健和云数据中心供应商等。在此基础上,我们有可能建立量子加密链路,以及量子密钥即服务。我们正在评估我们的客户想要什么:在规定的时间内完全加密的链接,或者按使用量收费的量子密钥。所有这些服务将是未来量子网络的关键。在未来,我们也可能在量子计算即服务的模式下提供组织连接和访问量子计算机。
 
Q. 你预计到什么时候才能在市场上提供第一个商业化的量子安全网络服务?
 
A. 在这个时间点上,有点难以估计进入市场的时间,因为这取决于试验的成功与否。如果我们的客户满意,并且我们能够开发一个商业案例,我们可以在一年内将服务推向市场。当然,前提是没有进一步的障碍。我很希望我们能够非常迅速地行动起来,很快为我们的客户提供一个量子安全的网络,同时也使我们的光纤网络资产货币化。
 
Q. 你是如何与高层领导合作,并在英国电信内部各部门之间进行合作的?英国电信在量子计划方面是如何工作的?
 
A. 我大约在八年前开始了英国电信的量子计划。随着时间的推移,我身边的团队不断壮大。我们现在有量子技术专家:其中一些人有深厚的物理研究经验、商业伙伴关系经理来与我们的合作伙伴联络,包括政府。在过去的几年里,我们开发了一些非常令人兴奋的知识产权,申请了专利,并发表了论文。我们的工作在英国电信的高层非常有名,也与英国电信的网络、面向客户的单位以及安全部门进行了无缝对接。
 
3.量子传感:具有革命性潜力
 
量子效应已经被用于精密测量(时间、重力、磁力和温度),并被认为比传统测量技术要精确得多。标准时钟和手表的误差约为每天一秒,相比之下,基于量子效应的原子钟的误差为百万年一秒。与量子计算和量子通信相比,量子传感及其应用是相当小众的,也是更成熟的。目前设想的量子传感器的应用是在医疗/诊断、国防、汽车、土木工程、建筑、石油和天然气、太空探索和电信部门。在某些应用领域,如医疗领域,显然技术需要超越传统的可能性。有许多不同的量子传感方法,它们有不同的技术准备水平和应用领域。例如,在2019年,美国的一个国防机构与产业界和学术界合作,创造了一个商业化的芯片级原子钟,实现了尺寸的百倍缩小,同时比传统原子钟的功耗低50倍。
 
研究人员目前正在研究下一代量子传感器,它将更节能、更便携、更便宜。最近,许多量子传感器已经从实验室环境中脱颖而出,被应用于工业领域。例如,气室磁力仪正在彻底改变大脑成像,以管理慢性神经系统疾病。根据斯图加特大学教授Jörg Wrachtrup的说法,“这种检查只在少数欧洲医学中心实现,但是突然间,我们正走在让几乎每个家庭医生都能使用的路上。”
 
最常见的量子传感器类型及其应用:原子钟、重力仪、磁力仪。来源:《凯捷研究院量子技术调查》
 
下一代量子传感器将彻底改变一些行业。专家们表示,诸如计算和通信等领域是革命性的,而量子传感也是变革性的。随着整个量子领域获得瞩目,各公司都在努力加快与量子传感有关的应用。然而,在一些用例中,量子传感器可以发挥变革性作用来加速测量的精确性,特别是在下图中的四个方面。
 
下一代量子传感器正在实现一些跨领域的应用。来源:凯捷研究院。
 
“五年内,量子传感器将在交通、能源、安全、医疗技术和海洋等不同领域带来突破性的创新。”泰雷兹研究与技术部应用量子物理负责人Thierry Debuisschert博士说。
 
Sivers Photonics公司正在与东芝和英国泰雷兹公司合作,为驾驶辅助和自动驾驶车辆开发测距和三维成像系统。“该光子探测器提供了亚纳秒级的精度,可以从最微弱的反射中检测出单个光子。这项技术使3D摄像机的探测范围远远超过了目前可用的范围,提高了部署在现实生活中的安全性和有效性,如车辆安全。”Sivers Photonics公司的总经理Billy McLaughlin说。
 
量子传感器的体积、能耗和成本将随着小型化的发展而下降。市场上的大多数量子传感器不得不在成本、尺寸和可用性方面与传统的传感器进行激烈的竞争。那些可能从量子传感器中受益但目前因其大尺寸或成本限制而望而却步的组织应该关注这一领域。
 
在十年内,许多广泛使用的传感器预计将被小型化,并具有更好的功能。例如,博世一直在研究用于神经学诊断的量子传感器的小型化。目前,必须冷却到零下269摄氏度的超导磁力仪被用于诊断。这种扫描仪体积庞大,但对病人来说却很拥挤,而且价格昂贵,因此在医院里很少见到。博世开发了一种仅比笔记本电脑稍大的仪器,预计将进一步小型化,开发出一种在室温下工作的传感器,其价格仅为现有设备的一小部分。
 
同时,投资于早期量子传感器的组织需要开发一个清晰而全面的商业案例。例如,为了减少气体泄漏,传统的石油和天然气公司需要考虑财务利益,以及非财务指标,如减少事故的概率,提高整体可持续性等。其他关键的可监测因素包括包括纳米加工技术,这有助于建立规模的微型传感器;另一个是低温技术,该技术需要不断发展以使冷却更便宜和更节能。
 
附 企业采用量子传感器的典型案例
 
采访Qutech应用电磁学首席科学家Nadia Haider
 
Q. 今天量子传感器技术的状况如何?
 
A. 与量子计算和量子互联网不同,量子传感器已经是一项成熟的技术。第一代量子传感器已经可以在商业上使用。其中一个有趣的例子是SQUID(超导量子干涉装置)。它们可以作为真正敏感的磁场传感器,用于挖掘矿物、探测地雷、潜艇等。同样地,原子钟也有很高的技术准备水平。但我们现在正在推动第二代量子传感器,我们使用真正奇异的量子特性,如纠缠和叠加,以超越标准量子极限。挑战是双重的。一个是技术上的突破,以证明量子传感的有用性,另一个是为它们找到合适的应用。企业采用必须来自应用和技术的推动;我们需要在那里找到匹配点。
 
Q. 量子传感在现实世界的哪些应用具有最大的潜力?
 
A. 高潜力的应用包括军事、医学显微镜和导航,但也有细微差别。以导航为例,对于不同的导航平台,你需要不同的量子传感器,这取决于平台是大是小。飞机需要非常不同的量子传感器用于导航,而不是帮助无人机导航的传感器。这也取决于这一技术发展的时间表是什么。一些第二代量子传感器已经非常接近于成为商业产品。那么其他的可能要提前10-20年。
 
Q. 发展中的生态系统如何能加速量子传感器的采用?
 
A. 我认为生态系统的发展是关键。这也是为什么我们一直在为量子传感器制造这些测试设施的原因。我们的目的是培育一个生态系统,在这个系统中,大学、研究机构、衍生公司和最终用户可以走到一起,探索我们如何使用量子传感器。没有一个健康的生态系统,几乎不可能推广一项技术。
 
 

报告研究和与量子技术先发组织合作的经验使我们相信,现在是为量子优势做准备的正确时刻:有能力推动显著高于目前最先进技术所能实现的性能。
 
量子技术正处于萌芽阶段;然而,这并不排除取得突破性进展和突然加快发展步伐的可能性。突破在本质上是不可预测的,为量子未来做准备的组织将比那些没有准备的组织处于更有利的地位。
 
下图显示了如何让你的组织准备好在正确的商业环境和技术成熟度到位的情况下利用量子优势。
 
如何让你的组织准备好利用量子优势?来源:凯捷研究院
 
组织在开始他们的量子准备之旅时,可能会发现很难评估他们目前的状态和合理的下一步行动。
 
首先,重要的是评估你的企业投资于量子技术是否有意义。成为一个量子准备就绪的企业将是一个漫长的旅程,采取结构化的方法将是有帮助的。量子技术将可能与目前使用的经典技术共存,因此,谨慎的做法是让组织准备好与混合计算方法合作,例如,让量子计算机与经典计算机协同工作,而不是完全取代它们。
 
1.确定量子技术可以发挥作用的具体业务问题
 
在确定使用量子技术解决的问题和用例的最初阶段,福特研究与先进工程公司的Joydip Ghosh建议,企业必须在自上而下(业务拉动)和自下而上(技术推动)的方法之间找到一个平衡。“在自上而下的方法中,你应该从高级管理层希望你解决的一些最大的挑战或机会开始,然后列出量子计算可以发挥作用的简短名单;在自下而上的方法中,你看一下各种量子技术,看看哪里存在解决特定行业问题的可能性。与相关的利益相关者交谈,选择合适的领域。最后,你必须在这两种方法之间保持平衡。”
 
1)对于量子计算。在开始全面探索这一领域的用例之前,需要进行仔细的评估。如前文所详述的,量子计算对某些非常具体的问题类别有优势。谨慎的做法是探索用例:只有当这些问题构成你的结构性业务挑战。每个部门都有特定的用例,部署量子计算已经显示出一些初步的积极迹象。
 
2)对于量子通信和安全。组织必须在假设量子攻击是一个“何时”的问题,而不是“是否”的问题。正如我们在前文所看到的,即使在今天,也有方法可以实现量子安全的保障。然而,企业目前的网络安全状况涉及到分布在多个系统中的几十个加密标准,将需要一个跨越多年的大规模升级工作。因此,谨慎的做法是尽快开始使用量子安全技术。
 
3)对于量子传感。对于采矿、建筑、航空航天和国防、制造和医疗保健领域的组织来说,第二代量子传感器具有很大的潜力。有几个基本的机会可以感应到传统传感器不可能实现的东西。追踪过去传感方式由于没有足够的精度或分辨率而无法解决关键问题的领域。紧跟量子传感器的最新发展,了解量子传感器何时能在成本、能耗或体积方面与你的特定传感器应用实现匹配;与量子传感器的供应商保持联系,以快速获得一流的传感器。
 
成为量子就绪企业的旅程是怎样的?尽管量子技术要在商业规模上产生其全部潜力和优势还有一段路要走,但企业可以从今天开始准备,一旦量子技术就绪,就将自己置于利用这一优势的前沿。来源:凯捷研究院
 
2.建立一个由量子专家组成的团队
 
组织可以通过一个在量子技术、商业分析和建立伙伴关系方面具有多学科经验的小团队来启动用例评估和算法开发。理想情况下,这个团队必须集中组织,由一名首席研究员向组织的研发或创新主管报告。当人工智能的商业应用处于早期阶段时,我们的研究发现,拥有核心人工智能团队的企业,其客户满意度提高了18%,运营成本也降低了;而没有这样的核心团队,只提高了12%。该团队可以包括量子物理学家、计算机科学家、数学家和其他领域专家(例如,生命科学中的微生物学家或银行中的量化金融专家)。
 
核心量子技术团队中的关键角色。来源:凯捷研究院
 
核心量子团队应该在组织内部注入量子技术方面发挥主导作用,并与外部生态系统进行合作。该团队在成立后的前几个月可以采取的一些关键行动是:
 
1)建立意识,并以易于理解的方式解释基础知识;
 
2)与业务团队一起构思量子技术可以解决的最有影响的问题;
 
3)进行影响力研究,以确定量子将如何影响你的领域,竞争者的位置,以及你如何获得优势;
 
4)对关键用例或倡议进行优先排序,并确定目标运营模式。
 
3.与量子生态系统中的技术供应商建立长期合作关系,克服技术障碍
 
随着对克服量子计算局限性的研究不断深入,大公司也不甘示弱,增加了实验的外部合作。正如富国银行告诉我们:“我们在2019年正式宣布与IBM的合作。以获得关于硬件如何发展的最新信息,和他们的技术路线图是什么,并围绕它微调我们的战略。”
 
没有一家企业可以提供或管理量子探索的每一个方面,因为成本、复杂性、技能和知识。因此,有必要在组织外寻找能够提供帮助的专家,建立或成为生态系统的一部分对成功至关重要。
 
探索量子技术的最常见的合作方式。来源:凯捷研究院
 
量子生态系统由一些技术供应商组成,他们可以在特定领域提供帮助:
 
1)硬件。通常通过云(例如IBM和谷歌)和传感器访问量子计算机和基础设施
 
2)软件。量子算法的开发应用和软件平台
 
3)初创企业。处理量子技术的利基问题
 
4)顾问和服务提供者。获得技术和从战略到实施的技术和运营支持
 
5)研究机构和学术界。技术研究所(如弗劳恩霍夫)和大学(剑桥大学、麻省理工学院),提供理论和实践方面的尖端研究。像其他深度技术一样,量子在很大程度上植根于科学的突破,所以有与学术界合作的内在需要
 
6)标准机构。关注技术机构的产出,如美国的NIST和欧洲的ETSI、IEEE和OpenQKD等

7)行业协会或联盟。将各种生态系统的参与者聚集在一起,刺激创新,如欧洲量子产业联盟(QuIC)和美国量子经济发展联盟(QED-C)。QuIC有大约150个成员和准成员,来自小型、中型和大型组织、研究机构和风险投资公司。早期行动者采用的一些方法,以达到可用的产出。
 
8)使用混合计算。把问题分成几个部分,用量子计算机解决计算量大的那部分。然后,应用传统计算,得出比使用经典方法更令人满意的答案。这一原则产生了用于解决问题的迭代式经典算法,其中对解决方案的粗略猜测是输入,而稍加改进的近似值是输出。然后这个输出被用作下一次迭代的猜测,随着每个周期的进行,输出越来越接近真正的解决方案。这种方法可以分成经典和量子算法,优化步骤由量子处理器执行,经典控制单元更新量子电路中的参数,试图在每次迭代中接近最优
 
9)使用数字退火器。数字退火器是一种“量子启发”的数字技术架构,能够以传统经典计算机无法达到的速度和规模进行精确、并行、实时的优化计算
 
10)使用验证方法发展对量子输出的信心验证方法。建立对量子输出的信心是很重要的,特别是对于那些不能用经典方法解决的问题。这包括,通过使用一台量子计算机多次测试解的一致性;对于目前的问题,经典的输出可以用来验证量子的输出。
 
4.制定一项长期战略,扩大人才和技能基础
 
量子技术总是会很复杂,需要多学科的团队来开发成功的产品和服务。虽然量子物理学家仍将是团队的重要成员,但具有光学、电子、软件、网络、设计、数学、数据科学等背景的工程师和开发人员也将开发完整的系统。随着更大范围和规模的问题开始在量子计算机上实施,开发量子算法和照顾其实施的团队的规模将需要同步增长。这就对量子人才产生了更大的需求,有一个积极主动的战略来应对这个阶段将有所帮助。管理专业技能需求的一个方法是,今天的量子硬件供应商正在其硬件之上创建抽象层,作为易于使用的界面的基础设施,因此用户不需要是物理学家就可以开始在该领域做有意义的工作。从人的角度来看,各组织也必须考虑到:
 
1)用量子技能提升一些从事数据和人工智能项目的劳动力,因为这两个领域在必要的技能方面有很多重叠,例如,数据管理和准备,以及算法和模型开发等等;
 
2)一旦有了工作的概念证明,就重新让数据和人工智能应用的用户与量子应用合作。一技术的一些用户和开发者可能对向量子应用的过渡有顾虑,他们需要得到保证的是,量子的早期应用将有可能使量子技术与现有解决方案在“混合”环境中工作。
 
 
尽管量子技术已经存在了几十年,但就商业应用而言,该技术仍处于起步阶段;就像1980年代的互联网和晶体管发明后不久的计算机一样。这并不是说大规模采用还需要几十年。因为最近在量子技术方面的突破试图预示着计算和互联网的新时代早在这个十年本身就开始了。高速计算、创新材料和药物,以及超安全的通信,比以往任何时候都更接近现实。
 
每种量子技术都有具体的应用,一旦克服了普遍存在的硬件和软件挑战,就有可能带来范式的转变。这现在只是一个“何时”而不是“是否”的问题。而领先的公司已经在组织团队来利用这一变革性技术的力量。
 
如果你的行业能够受到量子技术的影响,等待技术成熟是不可取的。重要的是,现在就开始发现现在就开始发现用例,探索潜在的量子解决方案。形成伙伴关系,并评估如何弥补技能差距。
 
报告原文:
https://www.capgemini.com/wp-content/uploads/2022/03/Final-Web-Version-Quantum-Technologies.pdf

—End—


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