神话 ， 应用和量子计算的影响

VIEWPOINT 2023 MYTHS，APPLICATIONS&IMPACTSOFQUANTUMCOMPUTING 企业应该做些什么来为量子未来做准备？ 量子计算（QC）被广泛认为是一种变革性的未来技术，具有显着改变商业和社会的潜力。 然而，我们对它的理解被误解和误解所困扰。本观点简要回顾了QC神话、应用和影响，以及为什么公司现在应该采取行动来提高学习曲线。 AUTHORS SabinaJeschkeLucasKönnneke教授 FabianDömer博士 ThomasThiele博士 什么是量子计算机？ 量子计算机的运行方式与传统计算机完全不同。 量子物理现象允许的计算能力远远超出传统计算机。最重要的是，量子计算机基于只能具有0或1值的比特，量子计算机基于也可以以“叠加”状态存在的量子比特 ，其读出值是概率性的而不是确定性的。与有效链接量子比特的“纠缠”现象一起，计算能力随着每个额外的量子比特呈指数增长。因此，QC具有理论能力。 在模拟，优化，机器学习（ML）和密码学等领域中，解决所谓的棘手问题，涉及复杂性呈指数级增长 。 这种潜力引起了商业和学术界的巨大兴趣，在QC开发方面投入了数百亿美元。然而，利用质量控制优势需要组织看透炒作，克服几个常见的神话，并设想质量控制如何最适合他们的业务。不仅如此，组织还应了解QC对可持续性，安全性和社会本身等问题的更广泛潜在影响。本观点提供了所有这些问题的更多细节；有关进一步的见解，请参见ArthrD.Little'sBleshift报告，“释放量子计算的商业潜力。." 衬套4QC神话 误区1：量子时代很多年都不会到来 最近量子研究的加速表明，朝着实现稳定和减少错误的量子计算机迈出了重要的一步。 到目前为止，QC技术的一个关键挑战。预计从2025年开始，具有约4,000个量子位的基于云的低温量子计算机（如IBMKookaburra）将于2028年左右上市，并且可以在室温下运行的系统已经计划在2028年左右上市。这些预测系统的功能需要进行验证；但是，已经有QC设备可访问 tousers,suchasquantumannemalersandquantumemulator(regularsupercomputerthatemulateQCdevices).Manyorganizationshavealreadybeenusingthesetocreatesmall-scaleexperimentalsystemsasprovesofconceptand 测试、调试和验证量子算法。 技术成就和突破正在进行中。一旦成功部署，量子计算机就有可能破坏业务，其规模可能类似于生成人工智能（GAI）的影响。由于学习曲线陡峭且具有挑战性，因此公司为这场革命做准备的时间有限。量子原生公司将比其他公司享有重大优势，甚至可能改变整个行业。 误区2：QC仅适用于尖端应用 人们一直认为，量子计算机承诺的计算能力只会用于高度专业化的应用，如蛋白质折叠或密码学。事实上 ，QC应用几乎存在于每个行业和业务领域。例如，除了药物发现和气候建模等复杂问题之外，量子计算机还可以帮助解决更平凡的问题。 目前受到计算复杂性的阻碍(见图1)。 误区3：QC还不存在，所以我无法开始 虽然还没有全面的量子计算机，但今天可以访问QC设备，如退火，模拟器和仿真器。 可以完成有价值的工作来创建和测试量子启发算法（针对量子世界进行了优化），这些算法可以在这些设备或常规CPU/GPU硬件上运行。组织已经可以做很多工作来识别和探索其业务的相关QC应用程序，协商对QC能力的访问，与QC生态系统接触，开发能力，教育业务部门关于QC的潜力，加速云化，并调整IT合规性规则。 QUANTUMCOMPUTERSMAYULTIMATELY OFFEROPERATINGCOSTADVANTAGES OVERCONVENTIONALCOMPUTERS 误区四：QC贵 量子计算机等复杂新技术的开发和实施成本非常高。然而 ，一旦技术开始成熟，价格可能会大幅下降。在短期内 ，早期的量子计算机将是客户可以访问的基于云的系统根据需求，因此他们不必投资自己的机器和基础设施。IBM和D-Wave等公司已经提供了访问量子硬件的许可证。量子计算机最终也可能比传统计算机提供运营成本优势，因为理论上它们每单位能耗提供更多的计算能力 。 图1.使用QC解决常见问题 坐火车… 根据所有给定的约束寻找最佳时 间表 线性求解器已达到可用的极限 CPU功率和太慢 甚至在足球比赛中 一个拥有18支球队的联赛，寻找最佳时间表和地点 ~6.4x1015 可能的解决方案 运行时间：2,030年 （假设100,000个游戏时间表/秒） 来源：ArthurD.Little VIEWPO在TARTHURD.LITTLE 量子计算的误区、应用及影响 4 一些路径 对业务的影响 途径1：全新的应用程序 量子计算机的计算能力呈指数级增长将实现高度创新的应用。例如，量子计算机可能最终实现 ofrealiatedigitaltwins,simulatingenvironmentsatalevelofdetailandscalethatwouldbeunablewithcontractualcomputers.Thiscouldallowsimulationsofcomplexsystems 扩展到特定领域的单个区域（例如，设备或工厂）以创建更广泛，更连贯的模型-我们可能会看到跨越多个部门的模拟， 覆盖大型移动生态系统，或运行复杂的气候或太空任务模型。 途径2：真正的实时处理能力 量子计算机的第一个用例可能涉及加速现有的优化和模拟。如今，复杂的规划问题需要几天或几周的计算时间来呈现答案，这限制了它们的使用 用于历史分析和长期规划。量子计算机允许实时运行相同的计算，从而提供更快，更可操作的结果，同时显着降低能源成本。 途径3：最优而不仅仅是足够好的解决方案 由于时间和成本原因，当今的优化方法和仿真环境侧重于明显的子集，而不是覆盖整个解决方案空间。结果没有完全优化，但在这种情况下被视为“足够好”。量子计算机-在其预测的能力，克服温度问题和错误影响-将结合内置并行化和高计算能力，以提供基于完整的最佳解决方案。 数据和变量。 COMBININGQCANDAIINVIRTUALTESTENVIRONMENTS LETSORGANIZATIONSBRINGPEOPLEAND AITOGET她 途径4：加速创新和产品开发 量子计算机加速了复杂仿真环境和物理细节数字孪生的发展。由于实验和测试完全在虚拟空间中运行，因此可以更快地完成，从而加快产品开发。需要数天处理时间的预定义和预先计划的测试系列可以通过快速启动和完成的敏捷假设实验来增强。 在虚拟测试环境中结合QC和AI，使组织可以将人员和AI结合在一起进行实验和创新。 社会与可持续发展的影响 影响1：质量控制可能会导致对世界的新理解 自首次部署以来，计算机和数字技术为人类提供了新的见解。它们补充了理论和实验室实验，提供了对人类大脑过于复杂的领域的见解，并提供了准确的未来预测。QC延续了这一趋势，以简化的方式提供了第三层自由: 1.任何人。早期的计算机生活在数据中心中，并保留给一小群专家。1970年代个人计算机的引入带来了解放的第一阶段，使所有人都可以使用它们，并导致数字应用程序的大规模创造性扩展。 为什么QC会产生影响-运输液化天然气 -设置。世界各地的液化天然气(LNG)运输涉及 每年成千上万的航程。这造成了巨大的调度问题，因为托运人需要不断满足 不断变化的需求。路由组合的数量大于宇宙中的原子数。 -方法。海运库存建模 使用现实世界的约束（例如，船舶大小 ，到达和离开时间）在量子设备上进行路由可以实现高效和有效的调度， 而不简化优化级别。 管理计算。理想情况下， Moneymanagerswouldliketosimulatelargenumberofpotentialscenarioandinvestmentoptions.Currently, 这受到计算限制的显著限制。 -方法。QC组合优化 能力使投资经理能够改善投资组合多样化，重新平衡投资组合，并简化大型投资组合的交易结算流程。 2.任何地方.移动互联网带来了解放的第二阶段，计算机和设备可以在任何地方轻松使用。因此，新的使用场景和商业模式应运而生。 3.任何事.传统处理器无法克服摩尔定律，从而限制了性能的提高。相比之下，QC提供了指数级的性能提升 ，扩展了可以计算的内容并提供了全新的见解。 影响2：质量控制可以加快实现可持续性的进程 质量控制可以通过多种方式为更可持续的世界做出贡献，例如： -量子计算机可以运行更复杂， 为什么QC会产生影响-投资组合多元化和风险管理 -设置。由于监管机构对透明度的要求更高 ，更严格 验证过程现在应用于金融交易，影响风险 实时模拟，改善对影响的控制并优化资源（例如，在工业制造，全球供应链影响以及能源网优化或农业中）。 -量子计算机运行复杂的计算 更快地节省能源，同时实现类似的性能水平 (例如，对ML程序的训练)。 -量子计算机消耗更少的能量 totheirphysicalstructure.CurrentQCenergy消耗比传统硬件低一个数量级，室温系统预计将低近两个数量级。 影响3：QC完美地补充了AI QC和AI紧密相连，将对彼此产生巨大影响。研究表明，数学算法（例如矩阵乘法）是现代AI的核心部分，可以更高效，更快速地运行 在量子计算机上与传统计算机相比。对于在反复试验的基础上运行的强化学习算法，QC提供了两个机会。 为什么QC会产生影响-量子AI的欺诈检测 -设置。每年，数以百万计的人是欺诈性使用 他们的受害者 支付卡。人工神经网络能够高精度地检测和 预测此类欺诈，但 具有缺点，例如需要处理时间；需要访问大量数据以提供稳定的预测；训练时间过长，解释决策的能力较差。 -方法。新颖的方法使用 混合量子人工神经网络来预测欺诈并减轻检测问题。这种类型的算法在近期量子系统上运行时可能会带来更高的准确性。然而，随着QC性能的提高，这些好处需要在现实世界 中得到证明。 QUANTUMCOMPUTERSOFFERPOTENTIALLY THEBESTROUTETO PROVIDENEWSECURITYAPPROACHES 首先（并结合Impact2），更复杂但仍然实时的模拟增强了强化学习算法的探索性搜索。这为基于强化学习的AI模型提供了更广泛，更现实的解决方案。其次，QC提供了减少这些模型学习时间的潜力。这不仅缩短了训练周期，而且加快了模型部署——这在当前的GAI炒作中尤其重要。 AI可以帮助开发和编程QC应用程序。例如，AI算法可用于检查QC结果的质量，执行纠错或辅助量子算法优化。GAI系统允许自动生成Qisit等量子编程代码，从而缓解了软件开发人员和QC算法建模师严重短缺的瓶颈。 影响4：QC将提高安全性和安全性 量子计算机破解当前密码方法的能力已经引起了相当大的合理的关注，覆盖了最常用的互联网安全协议。然而，量子计算机也可能提供最佳途径来提供新的安全方法。量子密钥交换协议将通过确保通信不会被黑客入侵来提高安全性。QC可用于生成难以伪造的唯一识别特征，例如关键字 ，量子生物识别和量子签名。 量子处理还可用于有效执行数据敏感操作，同时保持数据保护。最后，QC将支持欺诈检测和网络攻击的创新方法。例如，混合量子人工神经网络可以快速检测潜在攻击背后的模式，并隔离受影响的区域。QC也可用于开发抗量子加密算法，。 例如使用基于网格的后量子密码。 第一个QC使用案例 准确预测应用程序和行业将开发和实施QC的顺序是困难的。这将取决于： （1）量子技术的能力和（2）一系列因素，如技术 进度、投资和监管框架。图2显示了QC应用的潜在领域。