當量子計算機到來時，它們將是巨大的，不可移動的，且昂貴的，并且只對某些類型的問題有效。那么為什么現(xiàn)在仍然需要關(guān)注量子計算呢?
德勤對2019年及以后的量子計算機(QC)做出了不止一個，而是五個預(yù)測:
1. 如果有的話，量子計算機幾十年來都不會取代傳統(tǒng)計算機。預(yù)計2019年或2020年將首次證明“量子霸權(quán)”，有時被稱為“量子優(yōu)勢”：舉個例子就是量子計算機將能夠執(zhí)行一項經(jīng)典(傳統(tǒng)晶體管)電腦無法做到的特定任務(wù)?；跀?shù)字的計算機可以在實際的時間內(nèi)解決或使用實際數(shù)量的資源。雖然這確實是一個重要的里程碑，但“霸權(quán)”這個詞可能會誤導。沒錯，某些有用且重要的計算問題會被量子計算機更好地解決，但這并不意味著量子計算機將優(yōu)于全世界所有，大多數(shù)甚至10%的計算任務(wù)。
2. 未來的量子計算機市場將達到當今超級計算機市場的規(guī)模 - 約500億美元。相比之下，預(yù)計2019年經(jīng)典計算設(shè)備(從消費者智能手機到企業(yè)超級計算機)的市場價值將超過1萬億美元。即使在2030年，也不會有數(shù)十億智能手機、電腦、平板電腦和低端企業(yè)使用中的計算設(shè)備將是量子驅(qū)動的，盡管它們有時甚至經(jīng)常通過云使用量子計算。
3. 第一批商用通用量子計算機最早將在本世紀30年代出現(xiàn)。 本世紀20年代可能是量子計算進步的時期，但本世紀30年代是發(fā)展成大型市場的最有潛力的十年。(值得注意的是，一些嚴肅科學家認為，通用量子計算機將永遠不會建立，雖然這是少數(shù)派意見。)
4.被視為早期量子計算機的噪聲中尺度量子(NISQ)計算，在本世紀20年代每年將價值數(shù)億美元。早期的量子計算機，即所謂的“NISQ”計算機，其計算位“嘈雜”且不如最終構(gòu)建的更強大和靈活的量子計算機可靠，但其增強的計算能力仍然有用，可能是商用的有價值。能夠利用NISQ計算的所有行業(yè)尚不清楚，但生物和化學科學領(lǐng)域的組織幾乎肯定會發(fā)現(xiàn)它非常有用。
5.在本世紀20年代，量子安全的安全行業(yè)每年價值可能也達到數(shù)億美元。大型量子計算機幾乎肯定能夠?qū)崿F(xiàn)指數(shù)級加速的一個領(lǐng)域是安全性和加密技術(shù)領(lǐng)域。一種稱為Shor算法的技術(shù)(當由足夠大的量子計算機執(zhí)行時)能夠顛覆許多當前的公鑰密碼系統(tǒng)，例如RSA和ECC。企業(yè)和政府應(yīng)該從今天開始防范強大的量子計算機的威脅，而不是等到它發(fā)生的時候。
一個沒有實際影響的理論里程碑
如果不是出現(xiàn)了幾十年，量子計算機似乎一直在地平線上徘徊多年。對于那些厭倦等待的人來說，這門學科可能會在未來幾年內(nèi)慶祝一個重要的里程碑：實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。當這種情況發(fā)生時，會發(fā)生什么變化?
務(wù)實的答案是：起初并不會有太多變化。雖然量子霸權(quán)將標志著一個概念上的轉(zhuǎn)折點，但事實上，量子計算機至少在短期仍將難以建造，難以安置，并且難以進行編程，因此不會很快為商業(yè)市場做好準備。然而，這個領(lǐng)域的進展正在進行中(雖然時斷時續(xù))，量子計算對未來(科學和經(jīng)濟)有很大的希望。為了能夠從圍繞量子霸權(quán)的炒作中理清頭緒，有必要更全面地理解量子計算背后的一些基本原理。
什么是量子計算機?
量子計算機通過量子位的數(shù)量來衡量，量子位相當于傳統(tǒng)計算機中的晶體管。今天的量子計算機只包含物理量子比特 - 體現(xiàn)為兩態(tài)量子系統(tǒng)，例如一對被捕獲的離子 - 它們會迅速衰減并容易出錯。估計需要1,000個物理量子比特才能生成一個邏輯量子位 - 即一個容錯和糾錯的量子位 -而這一目標目前還遠未實現(xiàn)。反過來，一個普及或通用量子計算機將需要數(shù)百個邏輯量子比特，因此需要數(shù)十萬個物理量子比特。
截至2018年，包含20個物理量子比特和19個物理量子比特的量子計算機已經(jīng)存在，其性能規(guī)格已經(jīng)公布。還公布了具有50個、72個甚至128個物理量子比特的設(shè)備，但這些設(shè)備尚未公布其規(guī)格，因此其控制和誤差水平尚不清楚。人們相信，量子霸權(quán)將通過具有60個或更多物理量子比特的機器來實現(xiàn)，但是進展非常緩慢，因為隨著數(shù)量增加，增加物理量子比特變得越來越困難。盡管如此，到2020年，幾乎可以肯定會開發(fā)出超過60個物理量子比特的量子計算機并公布其規(guī)格布，并且很可能是量子霸權(quán)的第一個證據(jù)。
有著200個邏輯量子比特的機器，這也是最小的尺寸，預(yù)計是商業(yè)可用的通用量子計算機(并且將由200,000個物理量子比特組成，或者比2018年現(xiàn)有技術(shù)水平高出三個數(shù)量級)，差不多可以肯定要五年以上，甚至十年以上才能實現(xiàn)。但是當它發(fā)生時，設(shè)備將是巨大的，不便攜的，花費數(shù)百萬美元，需要專家編程和運行，并且僅在一組特定的、有限的硬計算問題上優(yōu)于經(jīng)典的。計算機。因此，無論是在2025年(不太可能發(fā)生)還是在2045年(更可能發(fā)生)，通用量子計算機硬件的全球市場(與其支持的軟件和服務(wù)不同)每年可能達到500億美元左右。這與當代超級計算機市場大致相同(當時的超級計算機市場也是由大型的、不便攜的百萬美元設(shè)備組成，僅適用于解決某些難題)，2017年的價值約為320億美元，預(yù)計到2022年將增長到450億美元。
量子計算在今天非常重要
雖然量子計算機市場需要數(shù)年時間才能到貨出現(xiàn)，但不會取代傳統(tǒng)計算機，并且在本30年代將價值500億美元而不是數(shù)萬億美元，這仍然遠遠超過今天基本為零的價值。事實上，QC將成為未來十年內(nèi)出現(xiàn)的最大“新”技術(shù)收入機會之一。在實現(xiàn)量子霸權(quán)的領(lǐng)域，整個行業(yè)都將發(fā)生變革。
此外，重要的不僅僅是量子計算本身，還有量子計算在傳統(tǒng)計算中所推動的創(chuàng)新。量子計算機的前景激勵著經(jīng)典計算機行業(yè)，在使用經(jīng)典計算機模擬量子技術(shù)方面出現(xiàn)了許多進步。在大型商業(yè)量子計算機出現(xiàn)之前，這些進步將是有用的。
量子安全需提前規(guī)劃
量子計算發(fā)展的一個可怕方面是確定性 - 而不僅僅是潛力 - 量子計算將用于破解以前無法解密的代碼，并破壞以前不可破解的系統(tǒng)。這可能只發(fā)生在商業(yè)量子計算機上市時(可能在本世紀30年代11雖然有些學者認為在2026年之前有六分之一的機會)，但現(xiàn)在是時候開始計劃了。機密數(shù)據(jù)、無線軟件更新、身份管理系統(tǒng)、長期連接設(shè)備以及其他任何具有長期安全義務(wù)的設(shè)備必須在大型量子計算機最終開發(fā)之前實現(xiàn)量子安全。實際上，有幾個行業(yè)開始量子防護的時間已經(jīng)過去了。目前，汽車、軍事和國防、電力和公用事業(yè)、醫(yī)療保健和金融服務(wù)領(lǐng)域的組織正在部署不具有量子安全性的長壽命系統(tǒng)，這將使它們面臨重大責任和未來的財務(wù)開銷。這還不是最壞的情況。從國家安全的角度來看，惡意攻擊者今天可以存儲經(jīng)典加密的信息，以便將來使用量子計算解密，這被稱為“收割和解密”攻擊。
結(jié)果
組織和政府現(xiàn)在可以采取措施，幫助在量子計算世界中抓住機會并保護自己：
制定長期量子安全網(wǎng)絡(luò)安全計劃?，F(xiàn)在開始計劃加強針對量子未來的網(wǎng)絡(luò)防御絕對不會太早。美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST，美國商務(wù)部的一部分)最近評估了量子計算機的威脅，并建議組織開發(fā)“靈活加密” - 也就是說，能夠迅速將密碼算法切換為新的密碼，為NIST發(fā)布或批準的產(chǎn)品提供更高安全。各組織應(yīng)注意這些發(fā)展，并制定路線圖，以貫徹這些建議。
對于在原子級做研究的公司，請考慮NISQ。 50-100物理量子比特的單任務(wù)量子設(shè)備雖然不適合大多數(shù)任務(wù)，但可用于建模原子行為，并且它們將在相對近期內(nèi)可用?；瘜W和生物學領(lǐng)域的公司幾乎肯定會受益。這些領(lǐng)域的許多公司已經(jīng)在投資傳統(tǒng)的高性能計算(HPC)計算資源;添加NISQ計劃才有意義。
對于常規(guī)級別的公司，也要考慮NISQ。比化學和生物學更多的領(lǐng)域可以使用NISQ計算機。例如，在金融領(lǐng)域，人們認為這些中間QC可以進行投資組合優(yōu)化，而其他可能的金融應(yīng)用包括交易策略開發(fā)、投資組合業(yè)績預(yù)測、資產(chǎn)定價和風險分析。運輸業(yè)也在關(guān)注QC：一些汽車公司正在測試它們的交通模型、機器學習算法和更好的電池。物流行業(yè)看到了QC在路線規(guī)劃、航班調(diào)度和解決旅行商問題方面的潛力(這對傳統(tǒng)計算機來說是一個眾所周知的難題)而且，與HPC不同，NISQ計算機很可能在政府和學術(shù)界找到一席之地：僅舉兩個例子的話，那就是天氣建模和核物理。
更新高性能計算架構(gòu)。已投資HPC的行業(yè)，如航空航天和國防、石油和天然氣、生命科學、制造業(yè)和金融服務(wù)，應(yīng)該熟悉量子計算可能對HPC體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。將傳統(tǒng)HPC系統(tǒng)與量子計算機相連的混合架構(gòu)可能會變得很普遍。例如，一家公司描述了一種用于模擬和設(shè)計配水系統(tǒng)的HPC量子混合系統(tǒng);它使用量子退火(量子計算的限制版本)來縮小需要在傳統(tǒng)系統(tǒng)上模擬的設(shè)計選擇集，有可能顯著減少總計算時間。
重新構(gòu)想分析工作負載。許多公司定期進行大規(guī)模計算，以進行風險管理、預(yù)測、規(guī)劃和優(yōu)化。量子計算可以做的不僅僅是加速這些計算，它可以使組織重新思考它們的運作方式，并應(yīng)對全新的挑戰(zhàn)。高管們應(yīng)該問自己，“如果我們能夠?qū)⑦@些計算速度提高一百萬倍，會發(fā)生什么?”答案可能會帶來關(guān)于運營和戰(zhàn)略的新見解。
如前所述，甚至在機器本身可商用之前，公司就可以從量子計算中獲得一些好處。量子計算研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了使用傳統(tǒng)計算機解決問題的改進方法。一些研究人員正試圖將“量子思維”引入經(jīng)典問題。一家為機器智能提供量子啟發(fā)式計算技術(shù)的初創(chuàng)公司聲稱，使用這種方法可以看到計算速度的提高。
探索學術(shù)研發(fā)合作伙伴關(guān)系。企業(yè)可能會發(fā)現(xiàn)，像澳大利亞聯(lián)邦銀行正在做的那樣，將研發(fā)資金用于與該領(lǐng)域的學術(shù)研究機構(gòu)合作是值得的。學術(shù)研究伙伴關(guān)系可以成為組織盡早開始建立量子計算知識和探索其應(yīng)用的有效途徑。目前活躍于量子計算的研究機構(gòu)包括南加州大學、代爾夫特理工大學、滑鐵盧大學、新南威爾士大學、馬里蘭大學和耶魯量子研究所。
大多數(shù)CIO將不會在未來兩年內(nèi)提交有關(guān)量子計算相關(guān)的預(yù)算。 但這并不意味著領(lǐng)導者應(yīng)該忽視這一領(lǐng)域。 由于它正在迅速發(fā)展，并且由于其影響可能很大，因此業(yè)務(wù)和技術(shù)戰(zhàn)略家應(yīng)該從現(xiàn)在開始關(guān)注量子計算。 一段時間以來，大規(guī)模投資對大多數(shù)公司來說都沒有意義。 但是，對量子世界的內(nèi)部培訓、研發(fā)合作伙伴關(guān)系和戰(zhàn)略規(guī)劃的投資可能會產(chǎn)生效益。
