量子计算现状：构建量子经济

量子计算状态：建立量子经济 INSIGHTREPORTSEPTEMBER2022 图片：盖蒂图片，Unsplash 内容 1量子计算：快速增长的经济体8 1.1 1.2 2量子计算能做什么，将会做什么？17 2.1 2.2 3技术状况26 3.1 3.2 3.3 3.4 4释放技术潜力36 4.1 4.2 4.3开发算法和性能的标准化40 测量 免责声明本文件由 世界经济论坛作为对项目、洞察领域或互动的贡献。本文所表达的调查结果、解释和结论是世界经济论坛推动和认可的合作过程的结果，但其结果不一定 代表世界经济论坛或其全体成员、合作伙伴或其他利益相关者的观点。 ©2022世界经济论坛。版权所有。不得以任何形式或通过任何方式（包括影印和录制）或通过任何信息存储和检索系统复制或传播本出版物的任何部分。 2022年9月 量子计算状态：建立量子经济 前言 德里克·奥哈洛兰 负责人，塑造数字经济的未来和新的价值创造；世界经济论坛执行委员会成员 量子计算被世界主要经济体视为一项战略技术。这种全新的计算方式——它不仅仅是一台更强大的经典计算机——有可能 极大地重塑了我们应对气候变化、饥饿和疾病的能力。对许多人来说，它使普通加密技术过时的潜力、经济潜力及其对全球数字经济的影响使其具有地缘政治战略意义。 然而，今天，新兴技术带来的不确定性与快速发展但分散的格局相结合，使私营和公共部门的决策者难以保持意识、建立理解或知道何时以及如何采取行动。 本报告旨在对量子计算的当前状态进行整体和中立的概述— —技术、其应用、新兴产业的状态以及成功的量子生态系统的关键组成部分。它旨在为全球的企业高管和政策制定者提供可访问的信息基线， 支持知情意见和基于事实的决策。该报告旨在避免过度兴奋的炒作和低估量子计算的潜在影响。 量子技术从1和0开始重建计算——取代“位”。了解打开电灯开关背后的科学并不是理解转型的必要条件 电力对社会的影响。同时，电的基本概念和语言也不再让人感到陌生甚至可怕。该文件试图揭开量子计算的神秘面纱，并在行业和政府领导人以及影响者之间建立功能素养。 世界经济论坛的全球报告揭示了本文中分享的见解 未来的量子计算委员会。由于委员会的工作，量子计算变得易于阅读和阅读。最重要的是，它使每个人都能学习新想法并开始考虑量子计算将如何影响他们的生活。 执行摘要 量子计算是真实的，组织现在需要注意。 量子技术是指基于我们不断增长的在亚原子（“量子”）水平上观察和控制现实的能力的一系列技术，以构建传感器和全新的计算和通信形式。量子技术正在迅速成熟，越来越多的政府和企业发起战略举措并集体投资超过 跨越多个大洲的355亿美元。1今天，该技术仍处于研发和演示阶段，因此很难预测准确的时间范围和应用——导致市场上存在各种信念和赌注。 本报告侧重于计算方面，其中量子计算机的独特能力为解决复杂计算问题打开了潜力，由于扩展经典计算的基本限制，经典计算将难以解决。 计算方法和解锁尚未考虑的新可能性。因此，许多人预计量子计算的影响将与20世纪中叶经典计算的出现一样具有根本性的变革性。它也带来了风险，因为量子计算机有望破解用于保护现代数字通信、区块链和一些加密货币的加密。 值得注意的是，量子计算有望在三个特定领域发挥最佳效果 研究和工业领域，以及与之相关的重大经济、环境和社会机遇： 1.材料科学和生物学中的分子模拟和发现 2.复杂系统中的优化和风险管理 3.对人工智能、安全和区块链等现有技术领域的双向影响 。 总而言之，量子计算的定位是补充经典计算，并应用于当今超级计算机无法完成的某些任务，开辟出以前不存在的强大计算利基，最终扩展现代研发和商业视野。 与经典方法（包括破解加密）相比，大多数具有可证明优势的量子应用都需要大型量子计算机来实现。目前国际上正在追求不同的量子计算硬件平台，处于不同的发展阶段和技术成果。然而，没有一个平台能够达到所需的规模、速度和计算质量，从而在实际应用中展示出优于经典计算机的优势。此外，现在说哪个平台将首先达到所需的规模、质量或时间还为时过早。 同时，当今不完美的量子计算机适用于运行不需要精确答案的应用程序子集，并且看到趋势或可能的方向更为重要。再加上许多量子计算提供商现在提供的云访问，更多的组织开始尝试量子应用程序。给定 快速的技术发展，通过可用的量子技术提供真正优势的应用只是时间问题 被发现。当这种情况发生时，什么应用程序可以最好地利用可用的计算资源是游戏的名称。 虽然这些活动受到了广泛关注，但当前的量子计算成就和未来发展依赖于几个推动因素：劳动力准备、标准化和政策。劳动力可用性是关键瓶颈。 尽管量子计算机何时大规模准备就绪存在不确定性，但政府和企业必须立即采取行动，因为量子安全风险和商机不容忽视。这是现代历史上一个独特的时刻，每个人都可以为正在形成和成熟的技术做好准备。政府和学术界可以进一步致力于扩展量子劳动力计划 建立国家生态系统，激励伙伴关系。例如，企业的第一步是了解量子计算对商业和行业的影响，评估他们的量子准备情况并制定量子战略，建立内部能力，并在关键重点领域与高层管理人员和政策制定者保持一致。 介绍 围绕量子计算的炒作已经对该技术产生了不切实际的假设 ，但实际上，它还远未成熟。 经典计算机是由比特（1和0）构建的，而量子计算中信息的基本单位是量子比特（或“量子比特”）。一点点” 就像电子电路中的门可以打开或关闭，而量子位使用独特的 量子力学的特性提供了一个可以是一或零的单位——或介于两者之间的任何单位。量子力学的规则包括经典领域中没有的操作，例如叠加、纠缠和干涉。通过设计利用这些效应的算法，可以找到解决问题的途径，否则这些问题可能需要大量的经典计算资源。 数字1 经典与量子计算机 古典位 1 量子量子比特 0 z叠加（50%)1 0 不同的叠加状态 或者 xy 01 只能同时处于一种状态，0或1 可以处于叠加状态，通过同时处于0和1的多个状态之一 量子计算状态：构建量子经济5 本报告的每一章都提供了对基线的理解 （当前状态） 量子技术的目标是什么，并估计它们离实现还有多远。 量子计算机操纵量子比特的量子特性来解决经典计算机难以解决的问题，例如分解大量可能破坏RSA加密的因素。考虑到它们不为人知的潜力，仅仅提及这些可能性就会让公众和媒体感到焦虑。构建量子计算机的量子理论的复杂性 只会提高期望——和恐惧。如果量子计算机可以做现代计算机做不到的事情，那么它们就可以做任何事情；从解决气候危机到破坏互联网。随着谷歌、IBM或微软等大公司的频繁公告，他们获得了量子优势或通过新型量子比特实现了突破，2这项技术似乎指日可待。然而，对兴奋有更细致入微的看法至关重要。 本报告的每一章都提供了对量子技术基线（当前状态）的理解、目标是什么以及估计距离实现还有多远。尽管有许多技术发展，但量子计算仍处于未知领域，在硬件和应用领域存在许多未知数 ，包括关键问题：何时会看到第一个量子优势应用？这是该技术将开始产生真正影响的时候。当今不完善的计算机是否可以实现 ，还是还有很长的路要走？本报告在四个方面提供指导： 第1章着眼于当前的资金水平、行业增长和国家对量子的兴趣 技术。钱从哪里来？增长最快的地区是什么？哪些国家正在认真对待这项技术，并制定了量子战略？ 第2章探讨了量子计算的潜力。它现在能做什么？它能做什么？尽管前景很好，但用例集中在少数几个行业。尽管该技术有可能提供大量帮助，但它也不是应对气候危机的灵丹妙药。 第3章概述了构建量子计算机的现有方法——基于一个简单的原始模型。它阐明了量子计算机准备就绪需要什么，为什么它们还没有准备好，为什么很难预测哪种方法（和组织）将首先开发出有用的量子计算机，以及何时会发生.最后，章节触及 关于量子计算机的成熟度与其运行量子应用程序的能力之间的联系——并打破当今的加密。 第4章探讨了量子生态系统是否具备支持创新的所有必要推动力。对于任何想要探索量子计算应用程序的组织来说 ，限制因素是什么？为什么很难找到合适的量子计算提供商合作？ 围绕量子计算的炒作是真实的，这份报告是帮助公司启动量子之旅的指路明灯。 你会说量子吗？需要了解的前12个概念 6 以下是一些在学习过程中会变得熟悉的关键术语和定义本报告。 1 量子技术：任何使用量子物理原理的技术，包括量子计算、医疗设备、高灵敏度传感器、安全通信、原子钟等。量子计算是量子技术的一个子集 。 2 量子计算(QC)：一种新的计算方法，利用了存储和操纵量子信息的性质。 3 Qubit：量子位，量子计算中的信息存储单元，与可以保持线性叠加状态的经典“位”根本不同，这意味着它可以同时为零和一，但在测量时，显示要么为零或具有定义概率分布的一个。 4 硬件平台：基于创建和控制量子比特的量子特性的不同方式来构建量子计算机的各种方法。根据基本物理原理，所有硬件平台都将具有独特的特性，影响它们的速度、可扩展性、计算质量或与现有技术 （例如硅芯片）的集成。 5 量子噪声：量子计算过程中由不良的外部和内部因素引起的噪声，可能导致计算错误。 量子纠错(QEC)：一种用于处理量子计算机中错误的计算技术，它利用跨额外（大量）量子比特的编码来降低错误率。 7 嘈杂的中等规模量子(NISQ)设备：NISQ是描述当今量子计算机的常用术语，它是“嘈杂的”（即容易出错 ，可能会累积并导致不正确的计算）并且属于中等规模（即这些设备有几十到几百个量子比特）。 8 量子电路：应用于多个量子位的一系列量子操作。它是量子门、测量和重置的有序序列，构成了量子算法的基础。 9 量子算法：在量子计算机上运行以找到问题解决方案的量子电路的集合。量子算法是量子应用的引擎。一种算法可以成为不同行业多种应用的基础。 10 量子优势：量子计算机可以解决某些问题的阶段 比传统计算更便宜、更快、更准确的问题。 11 后量子密码学(PQC)：被认为可以安全抵御量子计算机攻击的密码算法。 12 量子准备就绪：企业或组织熟悉并准备运行应用程序并在量子计算硬件更加成熟时获得优势的能力。 1 量子计算：快速增长的经济 鉴于大量的公共和私人投资，来自世界各地的老牌和初创公司都看到了技术发展的加速势头。 私人投资正在迅速增长——从风险投资转向首次公开募股，标志着行业日益成熟。 $35.5十亿 公共和私人投资总计 到2022年，将在一系列量子技术中投入355 亿美元。 拥有领先量子研发集群的国家 全球已进行战略投资 ，以获取未来量子计算供应链的一部分。 当今量子计算技术的发展是一项全球性的努力。 各大洲都是积极支持创建新的量子驱动计算解决方案的公司和政府的所在地。全球拥有领先量子研发集群的国家已进行战略投资，以获取未来量子计算供应链的一部分，并为未来能力创造战略性和独立性。 这些数十亿美元的投资推动了技术进步。根据最新研究 ，量子技术的公共投资超过300亿美元（见图1）。仅在2021年，量子技术的私人投资就增加了32亿美元 ，超过5.5美元 在过去十年中达到10亿。3值得注意的是，这些数字被低估了，因为出于国家安全考虑以及各个地区的跟踪和报告情况 ，并非所有公共投资都被捕获。虽然一些大公司拥有私人和公共资金，但有一些大公司从企业研发资金中大力支持他们的量子努力。与公共投资一样，企业研发资金通常不会被上述私人投资所占据。 公共和私人投资的巨额组合引发了各种各样的公司开发量子计算机或关键构建模块。2022年初，全球有46家公司在积极开发量子计算硬件。4 越来越多的初创企业正在进入现场并吸引全球投资者的资金。因此，今天的早期量子计算机可与处于不同发展阶段的各种硬件平台一起工作。这些包括超导量子位、中性原子、俘获离子、光子量子位和硅基量子位。 这些不同的量子计算风格反映了一个动态且快速发展的技术领域。来自地球不同角落的重要里程碑报道：第一个量子处理器于2016年通过云访问向所有人提供，5在2