释放量子计算的商业潜力

1 09 报告 释放量子计算的商业潜力 如果量子力学还没有深刻地震惊你——你还没有理解它。-尼尔斯·玻尔 蓝移/报告001 释放量子计算的商业潜力 Authors AlbertMeige博士，蓝移主任，ArthurD.LittleLucasKönnecke，经理，ArthurD.LittleRickEagar，荣誉合伙人，ArthurD.Little 贡献者 OlivierEzratty，技术顾问和作者 前言 AlainAspect博士，2022年诺贝尔物理学奖 艺术家-in-residence 塞缪尔·巴贝内弗朗索瓦·布尔唐克 内容-内容- 内容-内容 第二次量子革命，来自概念技术8 序言：量子 计算机是量子10 1. 2. 1号插曲: 量子吊灯30 3.理解 QC软件算法34 4.主要参与者和活动40 5.了解QC 跨部门应用48 插曲#2：量子摄影56 备 6.结论：为您的业务做好准量子未来62 蓝移/报告001 执行摘要 大多数企业已经意识到，如果量子计算（QC）成功开发并商业化，它将产生潜在的破坏性影响。它承诺通过解决所谓的棘手问题的能力来改变业务，这些问题的复杂性目前已经超出了传统高性能计算机的能力。这些类型的问题可以大致分为四类：模拟，优化，机器学习（ML）和密码学。前三个类别的业务用例几乎是无穷无尽的，从完全数字化的药物发现和新材料开发到物流，供应链管理和投资组合优化。 6 然而，即使是最聪明的通才，QC技术也极其复杂，很难正确理解。关于新发展和声称突破的媒体报道和公告源源不断。清楚地看到“迷雾”是困难的 。 本报告来自蓝移作者ArthrD.Little(ADL)，我们的目标是为不熟悉该领域的商业读者提供一个清晰的游戏状态概述，不仅分享潜在的用例和应用，还分享技术开发，包括硬件和软件，并强调活跃在QC生态系统中的关键参与者 。我们还对QC商业化的可能性和可能的时间尺度这一最重要的问题提出了看法。 我们建议尚未这样做的公司现在采取措施，以确保他们不会落后。 Today,QChasnotyetprogressedbeenlabscale,eventhoughitisintegratedinsomecommercialoffices.Therearestillhuge 需要克服的技术和工程挑战。能够提供优于传统高性能计算机的技术和商业优势的容错、大规模、通用的设备还需要很多年的时间，而且还不确定它是否会实现。如果量子处理能力变得可用，它将是对传统计算的补充；它不会取代它。 However,recentlywehaveseenarapidaccelerationofinvestmentandactivityinQCdevelopment,whichwillcertainlycontinueoverthenextfewyears.DeclaredpublicinvestmentisinexposeofUS 250亿美元，2021年有50多笔风险投资交易。从现在到2030年，在发布的 供应商路线图中计划有20多个新的原型设备。我们期望在未来几年中在特定的有限应用中实现所谓的量子优势方面会有一些进展,可能涉及量子模拟器和/或涉及常规和量子处理的组合的混合解决方案。可能会有一个早期突破，但这当然是无法预测的。 任何确定性。 鉴于目前的情况，我们建议尚未这样做的公司现在采取措施，以确保他们不会落后。QC学习斜率很陡。特别是在商业化的早期阶段，没有经验的用户不可能在技术成熟之前什么都不做，购买量子处理能力，并立即期望在他们的业务运营中做出转型变化。此外，随着技术开始成熟，在商业和地缘政治压力的推动下，全球QC生态系统目前的情报和数据公开交换可能会停止。没有内部能力的公司尤其不利。 在本报告中，我们列出了公司应对未来进行削减的四个步骤，包括探索适用性，监测技术发展，参与生态系统以及建立知识和能力。只有采取这些步骤，公司才能在QC正常起飞时清楚地看到迷雾并避免被抛在后面。 蓝移/报告001 7 蓝移/报告001 第二次量子革命，从概念到技术 Therearedifferentkindof前言.MineisfromsomeonewhoisnotanexpertonthemajoraimofthisReport:describethebusinessperspectivesinquantumcomputing.Iamanacademicwhohaveallhis 我一生从事基础研究，而我在商业角度的专业知识微不足道。但我很高兴看到这样的观点，即我很久以前在纠缠上所做的纯粹有趣的研究现在是第二次量子革命的核心，包括它的技术领域。因此，我不会在这里评论你在报告中找到的陈述。相反，我想分享我对第二次量子革命的一些想法和一些我的期望，这些期望更多地来自直觉，而不是冷的商业分析。对于那些已经对量子计算技术有所了解的人 ，我在本报告的附录中提供了更多的背景和细节。 第一次量子革命，其形式主义是在20世纪的前几十年发展起来的 波粒二象性。虽然这个概念是关于 实际上，它适用于大型粒子集合，例如光束中的光子或电流中的电子。然后，测量值取决于宏观量，例如光通量或电流，这些量在特征上是经典的，但是由对量子计算结果进行平均得出的。量子物理学是理解电流在不同材料（如半导体）中的行为方式或物质如何发出光的关键。奇妙的应用源于这种理解，包括晶体管和集成电路以及激光器。这些应用程序是信息和通信社会的根源。它们改变了我们的社会，就像19世纪的热机一样。 始于1980年代的第二次量子革命首先基于这样一种理解，即纠缠是两个或多个粒子的量子性质，比单个粒子的波粒对偶性更具革命性。长话短说，粒子的轨迹，如 8 蓝移/报告001 以及波的传播，是我们在普通时空中毫不费力地描述的概念。概念上的困难是将这两个概念应用于同一对象。但是两个纠缠的对象只能在抽象的数学空间中一致地描述，这 是每个粒子空间的张量积。如果一个人坚持描述我们普通时空中的情况，那么他必须面对令人惊讶的行为，例如量子非局域性；换句话说，在我们的时空中，空间分离的量子物体之间似乎存在瞬时相互作用。 第二次量子革命对量子技术的发展至关重要的另一个要素是隔离、观察和操纵单个量子物体例如电子，离子，原子和光子。使用这样的单个量子物体，人们可以开发量子位-或量子位-它们是量子信息的基本要素，就像普通位是经典信息的基本要素一样。 不懂量子科学的经理们经常会问这样一个问题：“大规模投资的量子比特是什么 ？”我被问过很多次，包括欧盟计划决策者。答案是：“我们不知道，很可能没有一个量子比特比其他量子比特更好地实现我们想要实现的所有功能。” 本报告扫描了量子计算中探索的解决方案，并正确区分了经常混淆的各种设备 。通用量子计算机在未来可能存在，也可能不存在，但至少十年的发展时间是相当乐观的一面。因此，投资者必须对高风险的长期投资保持耐心和开放。我对量子模拟器更为乐观，量子模拟器是一种具有相互作用的量子比特的集合，旨在产生一个纠缠系统，其基本状态很难通过经典的高性能计算来计算。 第二次量子革命，主要是概念革命，会不会像第一次量子革命那样产生破坏性的技术革命？我不知道，我怀疑有人对这个问题有一个可信的答案。但我毫不怀疑，一些量子技术将是有用的，并在一些利基市场引发一场革命。例如，我相信量子随机数发生器。 当安全受到威胁时，基于落在分束器上的单个光子应该克服所有其他随机数发生器。 基于纠缠光子的量子密钥分发（QKD）允许基于量子物理学的基本定律进行安全通信，而不是依赖于对手具有相同水平的技术或数学复杂性的假设。QKD在外交方面很有用，几年后泄露机密信息可能会造成严重问题。量子模拟器也可以解决诸如电网优化之类的重要问题。 应该强调的是，量子优势可能不仅仅是使计算速度更快。例如，如果量子模拟器或量子计算机在可比的时间内提供与经典计算机相同的结果，但能源成本却低得多，该怎么办？ 9 AlainAspect ，诺贝尔物 理学奖 2022 蓝移/报告001 前言：量子计算机量子 约翰·格里宾的寻找薛定谔的猫是我读到的关于物理学史的第一本书之一。那是在高中，差不多30年前。也是通过Gribbi的书，我第一次将脚趾浸入量子物理学-特别是以薛定谔的猫为例，它既死又活。这个类比经常被用来解释物质在原子尺度上的某些令人不安的行为，比如一个电子可以同时在两个地方同时存在。量子物理学是神奇的！ 直到几年后，当我在理论和数值物理学上攻读博士学位时，我才听说了量子计算机-大约20年前。量子计算机也很神奇，尤其是在媒体上的普及，其中QC通常被描述为与经典计算机相反，经典计算机使用位（零和一），这些位使用逻辑门进行组合来执行操作。相反，量子计算机使用量子比特。这些量子比特。 可以同时具有多个值，从而使我们可以同时执行许多操作。基础物理和数学的复杂性通常被量子比特的奇异和神奇属性所掩盖。 简而言之，我想这个话题对我来说仍然非常神秘，对大多数人来说也是如此。 蓝移由ADL的使命-前瞻性，技术战略智囊团，我有幸领导-是帮助我们的工业生态系统的高管更好地了解技术迷雾，从而更好地预测业务和社会破坏 。BleShift的标志之一是利用高管，专家，网络专家和艺术家有时具有挑衅性的观点来创造新的思维，并阐明一些来自繁忙内外的技术的意外见解。作为一个例子，我们在本报告中分享了两位艺术家的贡献，他们强调了来自商业领域之外的一些意想不到的见解。 10 蓝移/报告001 在编写本报告的过程中，我们的团队一直在走到“量子领域”的边缘。如果我必须总结我们的发现，我会说： 量子计算机是量子的： 它不存在，但它存在！ 这很好地总结了我们的一个关键信息：即使还没有全尺寸的量子计算机来解决实际的业务问题，但确实存在许多原型，并且在未来几年内可以预见业务中断。而且由于主题很复杂，学习曲线非常陡峭。因此，大多数公司今天应该开始研究它！ 但是在潜水之前，我想分享我发现的两个字谜 “量子计算机”(ordinateurquantique): tout （一切都表示： “撕掉”） （罕见，虽然出乎意料） indique:"arnaquer" 稀有，quoiqu'inatendu 他们可能听起来有点悲观，但像往常一样，字谜以神秘的方式移动。我不知道著名的法国物理学家和科学哲学家艾蒂安·克莱因会怎么想他们。你认为呢？ -AlbertMeige博士 11 CHAPTER#1 12 什么是量子计算？ 蓝移/报告001 #1什么是量子计算？ QC目前正在吸引数十亿美元的私人和公共投资，以及广泛的媒体关注。对于那些尚未从事生态系统研究和开发QC技术的企业来说，导航未来是一项挑战。该领域在技术上很难理解，即使对于聪明的通才来说也是如此，媒体上有许多关于突破的公告和声称可能会产生误导。 14 蓝移/报告001 本报告的目的是为不熟悉该领域的商业读者提供游戏状态的概述，并解决以下问题 ： -QC的技术发展现状如何，包括潜在的影响和时间表？ -到目前为止，业务的潜在用例和应用程序是什么？ -企业现在应该做些什么来为即将到来的事情做准备？ 本报告特别关注当今的游戏状态。它专门涵盖了QC，并且仅参考了其他量子技术，例如量子传感和量子通信。 鉴于质量控制领域的巨大规模和复杂性，本报告中的分析和结论不可避免地处于高水平。 了解基础知识 QC是当今谈论最多的技术之一。它也是人们了解最少的技术之一，部分原因是量子力学本身的复杂性。量子计算机的运行方式与传统计算机完全不同 ，需要深厚的物理学知识才能真正理解其工作原理。 量子计算机不使用可以具有0或1的值的比特，而是使用量子比特，量子比特可以同时为0和1。这种现象被称为叠加(关于QC术语的词汇表，请参见附录)，其读出的值是概率性的而不是确定性的。当通过量子纠缠理论上 ，每个添加的量子位都会使处理能力加倍。将许多纠缠的量子位放置在阵列中并对其应用门逻辑运算可以利用计算能力。