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        量子技術
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        量子技術
        發表時間:2019-01-10

        量子計算已接近商業化階段,有很大的潛力改變我們的世界。利用量子計算的獨特能力來解決特定類型問題的早期采用者,有可能在建立新型業務模式方面實現突破。富有遠見卓識的企業已經開始調整戰略方向,為新興的量子計算生態系統做好準備,成為“量子就緒型企業”。這些具有前瞻性思維的企業正在探索用于解決復雜業務問題的用例和相關算法。

        何為量子計算?

        量子計算利用了自然科學中發現的量子力學定律,有潛力從根本上改變傳統的信息處理方式。量子行為的兩個特性,也就是疊加和糾纏,使量子計算機有能力解決目前的常規或傳統機器無能為力的問題:


        1、疊加。傳統計算機使用的是只包含“1”或“0”的二進制位。而量子計算機則使用量子位,可以描述“1”、 “0”或者量子位的可能狀態的任意組合(稱為“疊加”)。因此,具有 n 個量子位的量子計算機通過這些量子位彼此疊加,形成了 2n 種可能性。這使量子計算機具有指數級數量的狀態,因此能夠比傳統計算機更有效地解決一些特定類型的問題。

        2、糾纏。在量子世界,甚至相距光年的兩個量子位仍能以強相關的方式發揮作用。量子計算正是借助這種糾纏特性,利用量子位之間的相互依賴性破解問題。


        量子的疊加和糾纏特性使量子計算機能夠快速研究一系列可能性,以確定有助于推動業務價值的最佳答案。由于未來的量子計算機在計算某些問題時,速度要比傳統計算機快上幾個指數級(見下圖),因此有望解決極為復雜的業務難題。盡管傳統計算機存在局限性,但在可以預見的未來,量子計算機并不會完全取代它們的作用。相反,結合了量子與傳統架構的混合型計算機有望浮出水面,將一部分難題“外包”給量子計算機。


        比如說,要使傳統計算機的理論計算能力翻一番, 需要將晶體管數量增加一倍。要使量子計算機的理論計算能力翻倍,只需為某些應用額外添加一個量子位即可。 未來的量子處理器可模擬咖啡因分子 — 傳統計算機要想做到這一點,個頭要比地球大上 10% 才行。近期內,量子計算機也許可以幫助設計一些新材料, 用于在將來創建更強大的量子計算機。



        量子計算有潛力徹底轉變某些行業。例如,鑒于傳統計算機無法精確求解方程,導致當前的計算化學方法嚴重依賴于近似值。而量子算法有望在更長的時間范圍內進行準確的分子模擬,從而實現目前無法做到的精確建模。這有助于更快發現能夠挽救生命的藥物,并顯著縮短藥物開發周期。


        此外,量子計算還有望解決當前令人束手無策的復雜的物流優化問題,從而實現可觀的成本節省,顯著減少碳排放。我們以量子計算幫助價值數萬億美元的航運業改善全球航線為例。即使量子計算只能將集裝箱利用率和運輸量提高哪怕一點點,也能為運輸企業節省數億美元的成本。為了利用量子計算的優勢獲得更多利潤,領先競爭對手,前瞻性的企業已開始培養專業能力,探索能給自己的行業帶來好處的用例。


        量子優勢迎來曙光

        量子計算機能夠解決傳統計算機無能為力的一些業務問題 — 我們通常將這種能力稱之為“量子優勢”,而實現這一優勢的時刻離我們越來越近了。例如, “恒定深度”的量子電路已展現出遠超傳統電路的優勢。下圖說明了面向特定業務用例的量子優勢。確切地說,由于面向特定用例的量子優勢尚不明確,因此,有關未來五年內量子計算市場價值的預測也天差地別 — 從大約 5 億美元到 290 億美元不等。

        由于人們對這項新技術所能創造的商機充滿期待,導致量子計算生態系統呈現出加速發展態勢。初創企業不斷涌現,研究機構與技術提供商之間的合作層出不窮,大家都在希望將量子研究成果轉化為商用能力。開發量子計算機的科技公司已經開始與企業合作,以確定潛在用例,開發量子算法,并在真正的量子計算機上測試解決方案。隨著量子技術的商業合作如雨后春筍般不斷涌現,第一批量子商業應用指日可待。


        為企業選擇合適的量子計算機

        量子計算機各不相同,解決的問題也各有偏重。從限制最多的類型到最通用的類型,量子計算機主要分為三類:量子退火、嘈雜中型量子(NISQ) 計算,以及容錯型通用量子計算。


        科學界普遍認為,相較于傳統計算,量子退火法的提速效果并沒有多么明顯。此外,量子退火計算機最終也無法發展成為容錯型通用量子計算機。 因此,量子退火計算機不能算作真正的量子計算機。


        在短期內, NISQ 計算機最有可能創造業務優勢,并且業界已針對這種計算機調整了許多新的算法。此外,隨著 NISQ 計算機不斷擴展,它們正朝著量子計算的終極目標邁進 — 成為容錯型通用量子計算機,能夠處理重要的商業和科學問題,而且計算速度通常比傳統計算機有指數級的提高。


        為何需要立即開始為量子計算做準備?在技術力量和競爭力量的雙重作用下,量子時代的到來要比你想象中早得多。若能立即開始關注量子計算,企業就能占得先機,拉開與同行之間的距離。以下是企業應該立即開始備戰量子計算的三個理由:


        1、量子計算機具有轉變行業價值鏈的潛力,特別是在化學、生物、醫療保健、材料科學、金融和人工智能 (AI) 等領域。

        2、 由于量子計算的學習難度非常大,因此, “快速跟隨”的方法不僅花費巨大,而且只會被先行者越拉越遠。

        3、 建立內部“量子能力中心”需要一定時間。


        量子計算機具有轉變行業價值鏈的潛力 。 量子計算機有潛力解決傳統計算機無能為力的超級復雜的問題,因此有望轉變整個行業的面貌。未來的量子計算機有能力在化學、生物、醫療保健、金融、人工智能和材料科學等領域實現產品突破,幫助富有戰略眼光、采用量子計算的企業快速搶占市場份額,提高盈利能力。因此,量子計算的問題解決能力能夠徹底重新定義競爭優勢,轉變企業運營模式和價值鏈,最終徹底顛覆整個行業。


        例如,物流系統的優化通?;凇爸行妮椛洹毙途W絡模型。要在大規模物流網絡中,設計一條能夠滿足各種不同需求的點到點最優路線,是非常復雜的問題,完全超出傳統超級計算機的能力范圍。即使對于只有幾百個集散地的物流網絡,要逐一探索所有的可能性,傳統計算機也要花上數十億年的時間。而量子計算有能力顯著縮短這種探索所需的時間。


        再例如,為了優化航空公司的調度工作,量子計算可以創建專為在特定日期飛往數百個目的地的數千名乘客而量身定制的每日航班時刻表,從而幫助旅客縮短旅行時間、避免空中交通擁堵并降低航空燃油成本。如果企業能為物流網絡設計優化工作開發量子解決方案,那么,在物流作為關鍵成功因素的所有行業,這樣的企業都能夠迅速成為市場領導者。


        “快速跟隨”的方法不僅花費巨大,而且只會被先行者越拉越遠量子計算不同于線性或漸進式的技術進步, “快速跟隨”的方法不太可能奏效。 原因有以下幾點:

        1、量子計算的學習難度非常大。


        2、與“追趕”領先者相關的成本過高 。


        可以考慮以下用例:通過量子計算機為電子或運輸行業設計比現有物質更輕、更強韌的專用材料,而且與傳統計算機相比,解決問題的速度呈指數級提升(見上圖)。這種革命性材料的加速發展可以幫助制造商在短時間把競爭對手遠遠甩在身后。


        借助量子技術成功上位的新晉市場領導者以既有知識為基礎,學習難度相對較低,因此能夠更上一層樓,進一步優化其突破性的材料,以及發現專為其他應用領域量身定制的新材料,不斷擴大與競爭對手的差距。雖然只是假設,但這個示例卻生動說明了由于存在巨大的學習難度,使得所謂的“快速追隨者”極難趕上先行企業,從而可能導致某些行業出現“贏者通吃”的情景。即便對于特定用例,快速追隨者有可能追上先行企業,也需為此付出高昂的代價,例如,培養內部專業知識,采購最合適的基礎設施,投資與實力派企業建立合作關系和/或收購具有相關能力的企業等。


        建立內部“量子能力中心”需要一定時間。盡管大多數企業現在都聽說過量子計算,但他們中有許多都因缺乏相關人才和專業知識而無法充分利用即將到來的業務轉型的優勢,而且獲得量子計算技術也并非易事。量子計算的人才供不應求,高技能資源更是炙手可熱。


        即使招聘到了合適的人才,也可能需要數年時間才能深入了解量子計算對特定業務的潛在影響。 最近發生的技術轉變,例如,為加速處理大數據工作負載而遷移到圖形處理器 (GPU) 的過程花了近十年時間,使得我們深深了解到,為采用新技術而培養專業能力是一個漫長的過程。鑒于量子計算有潛力徹底轉變行業, 能夠以指數級提升解決問題的速度,再加上量子領域的專業人才難以獲得,因此,領先的企業應考慮立即采取行動。


        把握量子優勢,助推企業前進 

        量子計算的商業化對貴公司意味著什么?從中短期看,量子計算可在以下三個方面帶來商業利益:量子模擬、量子優化和量子輔助機器學習。

        量子優化。解決優化問題需要從可能存在的諸多答案中找到最佳或“最優”的解決方案。我們以制定包裹投遞時間表為例。從數學上講,在相鄰時段安排10 次包裹投遞可能有超過 360 萬種選項。 9但是,根據收件人的時間要求、可能產生的延誤以及所運貨物的保質期等變量,哪個時間表才是最佳解決方案呢?即使應用近似值技術,可能的選項對傳統計算機而言仍然太多而無法處理。


        因此,目前的傳統計算機采用大量的快捷方式來解決大規模的優化問題。遺憾的是,這些解決方案往往并不理想??墒芤嬗诹孔觾灮钠髽I包括: 希望升級網絡基礎設施的電信公司;希望優化患者治療效果的醫療服務提供方;希望改善空中交通管制的政府機構;希望定制營銷推薦的消費品和零售企業;希望加強風險優化的金融服務公司;希望制定員工工作時間表的企業;希望安排課程的大學院校 。


        雖然還沒有數學方法可以證明量子計算能夠以指數級提升優化問題的解決速度,但研究人員正努力通過啟發式方式來證明這一點。富有遠見的企業已開始探索如何利用量子計算來解決優化問題,以期超越競爭對手。一旦量子優勢在解決優化問題方面的能力得到確認,這些企業的遠見卓識便會給他們帶來切實的回報 。


        量子增強型人工智能。量子計算可以探索傳統計算機無法處理的海量可能性,因此有助于提升人工智能的熟練度。事實上,人工智能與量子計算之間的共生關系已開始在這兩個領域實現良性循環。例如,量子算法可增強機器學習在數據聚類領域的能力,而機器學習則可用于更好地理解量子系統。


        基于量子的認知計算機最終能夠滲透到幾乎所有行業,主動為專業人士提供高級決策支持;為員工提供針對性的響應式培訓;為客戶提供專門定制的自適應式供應商關系。


        通過五項戰略迎接量子的未來


        1. 選擇量子精英團隊

        貴公司可能需要進一步了解量子計算的預期收益。以下是入門方法:1、將企業內的一些領軍專業人才指定為“量子精英”。2、為這些“量子精英”充電,幫助他們了解何為量子計算、對行業的潛在影響、競爭對手的應對方式以及貴公司的業務如何從中受益。3、 要求“量子精英”定期向高層領導匯報工作,以便在整個企業中開展量子計算教育,確保該計劃始終與戰略目標保持一致。


        2. 開始確定量子計算用例和相關價值主張

        待量子精英團隊了解了量子計算的原理及其如何助您應對業務挑戰和把握機遇之后,讓他們開始確定貴公司可在哪些領域借助量子計算領先競爭對手。

        根據量子系統的獨特能力及其加速解決問題的優勢來評估機遇。要求量子精英團隊監控量子應用的進展,確定哪些用例可以更快地實現商業化。為確保量子探索與業務成果緊密聯系在一起,請選擇前景最光明的量子計算應用,例如創建突破性產品和服務或者以全新方式優化供應鏈。


        3.試用真正的量子系統

        通過試用真正的量子計算機,揭開量子計算的神秘面紗。要求量子精英團隊了解量子計算如何解決業務問題,以及如何與現有工具互動。單一量子解決方案并不能“包治百病”。量子精英團隊應專注于解決傳統計算機無法有效解決的最高優先級用例。


        4.繪制量子路線圖

        繪制量子計算路線圖,包括可行的后續步驟,目的是解決可能會對企業參與競爭以及獲得可持續業務優勢產生巨大阻礙的問題。為了加速備戰量子計算,應考慮加入新出現的量子社區。這樣能夠幫助您更好地接觸了解技術基礎架構、不斷發展的行業應用,以及有助于增強特定量子應用開發能力的研究人員。


        5.靈活敏捷地應對未來量子格局的變化

        量子計算在迅速發展。應尋找有望成為行業標準并且推動生態系統整合的技術和開發工具包。應認識到,新的技術突破可能會促使企業調整量子開發方法,包括更換生態系統合作伙伴。應留意企業的量子計算需求如何與時俱進,特別是當您進一步深入地了解哪些業務問題可從量子計算解決方案中獲得最大收益之后。


        在信息時代,量子計算技術一旦突破,掌握這種能力的國家,會在經濟、軍事、科研、安全等領域迅速建立全方位優勢。所以,世界各國都在啟動巨資積極投入研發量子計算技術。隨著技術的快速發展,現在我們已經處在了量子計算機即將商業化的時間節點,量子計算不僅是國家戰略,相關企業若能提早布局規劃量子計算技術,未來注定能在“量子霸權”時代贏得先機,脫穎而出。


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