​IBM报告：量子十年2021-2030

文章来源：光子盒研究院 作者：光子盒

今天，IBM发布了一份名为《量子十年》的120页报告，建议企业为即将到来的量子计算时代做好准备。报告说：“在量子计算机时代到来之际，你需要了解如何做好量子准备，以及这项前沿技术如何帮助你和你的企业繁荣发展。因为量子计算机时代到来的那一刻会比你想象的更近。”

几十年来，量子计算一直被视为一种未来的技术：如果把它从幻想转向实际应用，将改变社会的一切。在最近几年，尽管该领域有数十亿美元的研究投资和广泛的媒体报道，但现实生活中的决策者有时仍认为该领域过于神秘，它是学术界和理论家遥不可及的追求。随着我们进入量子十年（企业开始从量子计算中看到商业价值的十年），这种观点正在迅速成为一种不符合社会趋势的看法。

深刻见解

•新冠疫情后，世界的优先事项。随着整个行业面临更大的不确定性，商业模式变得对新技术更加敏感和依赖。而量子计算有望增加我们可以解决的业务问题的范围和复杂性。

•计算的未来。将量子计算、人工智能和经典计算集成到混合多云工作流中，将推动60年来最重大的计算革命。量子驱动的工作流将从根本上重塑企业的工作方式。

•发现驱动型企业。企业将从分析数据发展到发现解决问题的新方法。当与超自动化和开放集成相结合时，最终将带来新的商业模式。

因为量子计算时代即将到来，不了解、不适应量子十年的领导者可能会发现自己落后了一步，或者更准确地说，是落后了几年。我们预见到，在接下来的几年里会发生一场深刻的计算革命，它可能会严重破坏现有的商业模式并重新定义整个行业。

从历史上看，危机一直是新技术及其广泛采用的推动力。第一次世界大战催生了今天仍然存在的工厂流程。1960年代后期，冷战加速了高级研究计划局网络 (ARPANET)（互联网前身）的创建。现在新冠肺炎推动了对灵活性、弹性和加速数字成熟的需求增加。我们预计量子计算——结合现有的先进技术——将极大地影响科学和商业的发展。通过加速发现应对全球重大挑战的解决方案，量子计算可以释放比过去几十年的技术浪潮更大的能量。

经典计算机比特可以将信息存储为0或1。物理世界保持固定的结构，符合经典力学。但随着科学家能够探索亚原子物质，他们开始看到更多的概率状态：物质在不同条件下呈现出许多可能的特征。量子物理学领域的出现是为了探索和理解这种现象。

量子计算的能力依赖于量子力学的两个基石：干涉和纠缠。干涉原理允许量子计算机消除不需要的解并突出正确的解。纠缠意味着量子比特的组合状态比量子比特独立包含的信息更多。总之，这两个原理没有经典的类比，在经典计算机上对它们进行建模需要指数级的资源。例如，如下表所示，需要比地球上的原子更多的经典比特，才能表示100量子比特量子计算机的复杂性。

到第n级：指数的力量

量子计算的基石已经出现。量子计算系统正在云上以前所未有的规模运行，编译器和算法正在迅速发展，精通量子的人才社区正在兴起，领先的硬件和软件供应商正在发布技术路线图。这项技术的适用性不再是一种理论，而是一种需要理解、制定战略和计划的现实。好消息是：你为未来采用量子技术而应做的准备，现在就开始使你的业务受益了。

量子计算不会取代经典计算，而是对其进行扩展和补充。即使量子计算机可以更好解决的问题，我们仍然需要经典计算机。因为数据输入和输出以后还是经典的，所以量子计算机和量子程序将需要经典和量子处理的结合。

正是传统经典计算还有人工智能的进步，推动了自近60年前摩尔定律提出以来计算领域最重要的革命。量子计算完成了三位一体的技术：经典比特、量子比特和人工智能“神经元”的交集。这种三位一体创造的协同效应（不仅仅是量子计算）正在推动计算的未来。

60年来最激动人心的计算革命：三大技术的融合

IBM商业价值研究院(IBV)已深入开展了十多项基于行业和实践的量子计算研究。我们通过对50多位专家（包括IBM量子计算研究人员、客户、合作伙伴和学者）的采访中收集到的新见解提升了这项研究的质量。这份关于量子十年的报告为高管们提供了为即将到来的量子计算业务转型做准备的战略。它确定了在这个重要的转折点要采取的最重要的因素、主题和行动。

是什么造就了为量子十年？量子驱动的世界会是什么样子？有远见的领导者和企业现在可以而且应该做些什么来有效地培训和定位自己？关键的学习围绕企业发展的三个阶段而展开。

阶段1：意识

根据IBV的2021年CEO研究，在接受研究的3,000多名CEO中，有89%没有将量子计算列为未来两到三年实现业务成果的关键技术。从短期来看，这是可以理解的。但1000量子比特的量子计算预计最早将在2023年（仅仅几年之后）实现。鉴于该技术在这十年中具有颠覆性的潜力，CEO们应该开始调动资源，掌握早期知识并立即开始量子之旅。忽视量子潜力的CEO正在承担巨大的风险，因为其后果将比十年前错过人工智能机会要严重得多。

量子计算手册（playbook）的第1阶段需要广泛认识到格局正在发生变化。最主要的转变是计算范式正在从一个分析的时代(回顾已有数据并从中学习)向一个发现的时代(展望未来并为模拟、预测和优化创建更精确的模型)演变。我们有可能发现以前不可能的解决方案。

阶段2：准备就绪 

企业还不能用量子计算来解决大的问题。但量子计算打破了时间表，并在每个开发阶段都超出了预期。对于企业领导者来说，探索这项新技术的出现如何改变计划和期望并不为时过早。第2阶段涉及研究重大问题：商业模式如何被颠覆和重塑？量子计算如何增强当前的人工智能和经典计算工作流的能力？你所在行业的量子计算“杀手级应用”是什么？你如何在内部或通过生态系统深化企业的量子计算能力？现在到了试验和迭代场景规划的时候了。寻找或培养精通量子计算、有能力向内部利益相关者介绍量子计算的可能性的人才，并与“深度技术”量子计算资源合作。

但同样重要的是另一个关键问题：你的企业现在需要做些什么才能在生产就绪时应用量子计算？事实上，为量子计算奠定基础也意味着升级你的经典计算竞赛。必须提高数据、人工智能和云方面的熟练程度，才能为量子计算提供所需的肥沃土壤。在量子计算就绪的背景下加速你的数字化转型将提供一条务实的前进道路，同时现在就为你带来好处。毕竟，量子计算并没有战胜经典计算。量子计算、经典计算和人工智能三位一体的格局形成了一种渐进的、迭代的伙伴关系，在这种伙伴关系中，它们集中在一起比分开拥有更强大的能力。

阶段3：优势

第3阶段，即量子优势，当商业或科学感兴趣的计算任务可以使用量子计算机更有效、更具成本效益或质量更好地执行时，量子优势就产生了。这就是量子计算机加上经典系统可以比单独的经典系统做得更好的地方。随着量子计算的硬件、软件和算法的进步相结合，使经典计算的性能显着提高，各行业将出现新的优势机会。但优先考虑正确的用例（那些可以真正改变企业或行业的用例）对于从量子中获得商业价值至关重要。

获得量子优势不会在一夜之间发生。尽管这种优势可能只会持续数月或数年，但它仍能在使用和学习方面带来指数级的成就。从探索新材料的创造到个性化医疗，再到整个经济中商业模式的根本转变，量子造成的变革即将到来。增强经典计算能力并积极探索行业转型潜力的企业将最有可能抓住量子优势。

关键要点

•解决世界问题。从发现新药到管理金融风险再到重新设计供应链，迫切需要在全球范围内加速解决日益复杂的社会、宏观经济和环境问题。

•1,000量子比特里程碑。 量子计算硬件有望从2021年的127个量子比特扩展到2023年的1000个量子比特，再到2030年实现实际可用的量子计算，其特点是系统执行纠错电路并被广泛采用。基于云的开源开发环境将使量子计算机的使用变得“无摩擦”。

•混合多云的未来。许多量子程序涉及经典硬件和量子硬件之间的交互。但是这些交互会带来延迟，必须减少延迟才能优化容量。这使得混合多云成为量子计算最可行的未来。

•生态系统的力量。具有协作创新和开源开发机会的量子计算生态系统，正迅速成为培训用户将量子计算应用于实际问题的沃土。