德勤2019年預測之量子計算機:下一個超級計算機,但不是下一個...

當量子計算機到來時，它們將是巨大的，不可移動的，且昂貴的，並且只對某些類型的問題有效。那麼為什麼現在仍然需要關注量子計算呢?

德勤對2019年及以後的量子計算機(QC)做出了不止一個，而是五個預測:

1. 如果有的話，量子計算機幾十年來都不會取代傳統計算機。預計2019年或2020年將首次證明「量子霸權」，有時被稱為「量子優勢」：舉個例子就是量子計算機將能夠執行一項經典(傳統電晶體)電腦無法做到的特定任務。基於數字的計算機可以在實際的時間內解決或使用實際數量的資源。雖然這確實是一個重要的裡程碑，但「霸權」這個詞可能會誤導。沒錯，某些有用且重要的計算問題會被量子計算機更好地解決，但這並不意味著量子計算機將優於全世界所有，大多數甚至10%的計算任務。

2. 未來的量子計算機市場將達到當今超級計算機市場的規模 - 約500億美元。相比之下，預計2019年經典計算設備(從消費者智慧型手機到企業超級計算機)的市場價值將超過1萬億美元。即使在2030年，也不會有數十億智慧型手機、電腦、平板電腦和低端企業使用中的計算設備將是量子驅動的，儘管它們有時甚至經常通過雲使用量子計算。

3. 第一批商用通用量子計算機最早將在本世紀30年代出現。 本世紀20年代可能是量子計算進步的時期，但本世紀30年代是發展成大型市場的最有潛力的十年。(值得注意的是，一些嚴肅科學家認為，通用量子計算機將永遠不會建立，雖然這是少數派意見。)

4.被視為早期量子計算機的噪聲中尺度量子(NISQ)計算，在本世紀20年代每年將價值數億美元。早期的量子計算機，即所謂的「NISQ」計算機，其計算位「嘈雜」且不如最終構建的更強大和靈活的量子計算機可靠，但其增強的計算能力仍然有用，可能是商用的有價值。能夠利用NISQ計算的所有行業尚不清楚，但生物和化學科學領域的組織幾乎肯定會發現它非常有用。

5.在本世紀20年代，量子安全的安全行業每年價值可能也達到數億美元。大型量子計算機幾乎肯定能夠實現指數級加速的一個領域是安全性和加密技術領域。一種稱為Shor算法的技術(當由足夠大的量子計算機執行時)能夠顛覆許多當前的公鑰密碼系統，例如RSA和ECC。企業和政府應該從今天開始防範強大的量子計算機的威脅，而不是等到它發生的時候。

一個沒有實際影響的理論裡程碑

如果不是出現了幾十年，量子計算機似乎一直在地平線上徘徊多年。對於那些厭倦等待的人來說，這門學科可能會在未來幾年內慶祝一個重要的裡程碑：實現「量子霸權」。當這種情況發生時，會發生什麼變化?

務實的答案是：起初並不會有太多變化。雖然量子霸權將標誌著一個概念上的轉折點，但事實上，量子計算機至少在短期仍將難以建造，難以安置，並且難以進行編程，因此不會很快為商業市場做好準備。然而，這個領域的進展正在進行中(雖然時斷時續)，量子計算對未來(科學和經濟)有很大的希望。為了能夠從圍繞量子霸權的炒作中理清頭緒，有必要更全面地理解量子計算背後的一些基本原理。

什麼是量子計算機?

量子計算機通過量子位的數量來衡量，量子位相當於傳統計算機中的電晶體。今天的量子計算機只包含物理量子比特 - 體現為兩態量子系統，例如一對被捕獲的離子 - 它們會迅速衰減並容易出錯。估計需要1,000個物理量子比特才能生成一個邏輯量子位 - 即一個容錯和糾錯的量子位 -而這一目標目前還遠未實現。反過來，一個普及或通用量子計算機將需要數百個邏輯量子比特，因此需要數十萬個物理量子比特。

截至2018年，包含20個物理量子比特和19個物理量子比特的量子計算機已經存在，其性能規格已經公布。還公布了具有50個、72個甚至128個物理量子比特的設備，但這些設備尚未公布其規格，因此其控制和誤差水平尚不清楚。人們相信，量子霸權將通過具有60個或更多物理量子比特的機器來實現，但是進展非常緩慢，因為隨著數量增加，增加物理量子比特變得越來越困難。儘管如此，到2020年，幾乎可以肯定會開發出超過60個物理量子比特的量子計算機並公布其規格布，並且很可能是量子霸權的第一個證據。

有著200個邏輯量子比特的機器，這也是最小的尺寸，預計是商業可用的通用量子計算機(並且將由200,000個物理量子比特組成，或者比2018年現有技術水平高出三個數量級)，差不多可以肯定要五年以上，甚至十年以上才能實現。但是當它發生時，設備將是巨大的，不便攜的，花費數百萬美元，需要專家編程和運行，並且僅在一組特定的、有限的硬計算問題上優於經典的。計算機。因此，無論是在2025年(不太可能發生)還是在2045年(更可能發生)，通用量子計算機硬體的全球市場(與其支持的軟體和服務不同)每年可能達到500億美元左右。這與當代超級計算機市場大致相同(當時的超級計算機市場也是由大型的、不便攜的百萬美元設備組成，僅適用於解決某些難題)，2017年的價值約為320億美元，預計到2022年將增長到450億美元。

量子計算在今天非常重要

雖然量子計算機市場需要數年時間才能到貨出現，但不會取代傳統計算機，並且在本30年代將價值500億美元而不是數萬億美元，這仍然遠遠超過今天基本為零的價值。事實上，QC將成為未來十年內出現的最大「新」技術收入機會之一。在實現量子霸權的領域，整個行業都將發生變革。

此外，重要的不僅僅是量子計算本身，還有量子計算在傳統計算中所推動的創新。量子計算機的前景激勵著經典計算機行業，在使用經典計算機模擬量子技術方面出現了許多進步。在大型商業量子計算機出現之前，這些進步將是有用的。

量子安全需提前規劃

量子計算發展的一個可怕方面是確定性 - 而不僅僅是潛力 - 量子計算將用於破解以前無法解密的代碼，並破壞以前不可破解的系統。這可能只發生在商業量子計算機上市時(可能在本世紀30年代11雖然有些學者認為在2026年之前有六分之一的機會)，但現在是時候開始計劃了。機密數據、無線軟體更新、身份管理系統、長期連接設備以及其他任何具有長期安全義務的設備必須在大型量子計算機最終開發之前實現量子安全。實際上，有幾個行業開始量子防護的時間已經過去了。目前，汽車、軍事和國防、電力和公用事業、醫療保健和金融服務領域的組織正在部署不具有量子安全性的長壽命系統，這將使它們面臨重大責任和未來的財務開銷。這還不是最壞的情況。從國家安全的角度來看，惡意攻擊者今天可以存儲經典加密的信息，以便將來使用量子計算解密，這被稱為「收割和解密」攻擊。

結果

組織和政府現在可以採取措施，幫助在量子計算世界中抓住機會並保護自己：

制定長期量子安全網絡安全計劃。現在開始計劃加強針對量子未來的網絡防禦絕對不會太早。美國國家標準與技術研究院(NIST，美國商務部的一部分)最近評估了量子計算機的威脅，並建議組織開發「靈活加密」 - 也就是說，能夠迅速將密碼算法切換為新的密碼，為NIST發布或批准的產品提供更高安全。各組織應注意這些發展，並制定路線圖，以貫徹這些建議。

對於在原子級做研究的公司，請考慮NISQ。 50-100物理量子比特的單任務量子設備雖然不適合大多數任務，但可用於建模原子行為，並且它們將在相對近期內可用。化學和生物學領域的公司幾乎肯定會受益。這些領域的許多公司已經在投資傳統的高性能計算(HPC)計算資源;添加NISQ計劃才有意義。

對於常規級別的公司，也要考慮NISQ。比化學和生物學更多的領域可以使用NISQ計算機。例如，在金融領域，人們認為這些中間QC可以進行投資組合優化，而其他可能的金融應用包括交易策略開發、投資組合業績預測、資產定價和風險分析。運輸業也在關注QC：一些汽車公司正在測試它們的交通模型、機器學習算法和更好的電池。物流行業看到了QC在路線規劃、航班調度和解決旅行商問題方面的潛力(這對傳統計算機來說是一個眾所周知的難題)而且，與HPC不同，NISQ計算機很可能在政府和學術界找到一席之地：僅舉兩個例子的話，那就是天氣建模和核物理。

更新高性能計算架構。已投資HPC的行業，如航空航天和國防、石油和天然氣、生命科學、製造業和金融服務，應該熟悉量子計算可能對HPC體系結構產生的影響。將傳統HPC系統與量子計算機相連的混合架構可能會變得很普遍。例如，一家公司描述了一種用於模擬和設計配水系統的HPC量子混合系統;它使用量子退火(量子計算的限制版本)來縮小需要在傳統系統上模擬的設計選擇集，有可能顯著減少總計算時間。

重新構想分析工作負載。許多公司定期進行大規模計算，以進行風險管理、預測、規劃和優化。量子計算可以做的不僅僅是加速這些計算，它可以使組織重新思考它們的運作方式，並應對全新的挑戰。高管們應該問自己，「如果我們能夠將這些計算速度提高一百萬倍，會發生什麼?」答案可能會帶來關於運營和戰略的新見解。

如前所述，甚至在機器本身可商用之前，公司就可以從量子計算中獲得一些好處。量子計算研究人員已經發現了使用傳統計算機解決問題的改進方法。一些研究人員正試圖將「量子思維」引入經典問題。一家為機器智能提供量子啟發式計算技術的初創公司聲稱，使用這種方法可以看到計算速度的提高。

探索學術研發合作夥伴關係。企業可能會發現，像澳大利亞聯邦銀行正在做的那樣，將研發資金用於與該領域的學術研究機構合作是值得的。學術研究夥伴關係可以成為組織儘早開始建立量子計算知識和探索其應用的有效途徑。目前活躍於量子計算的研究機構包括南加州大學、代爾夫特理工大學、滑鐵盧大學、新南威爾斯大學、馬裡蘭大學和耶魯量子研究所。

大多數CIO將不會在未來兩年內提交有關量子計算相關的預算。 但這並不意味著領導者應該忽視這一領域。 由於它正在迅速發展，並且由於其影響可能很大，因此業務和技術戰略家應該從現在開始關注量子計算。 一段時間以來，大規模投資對大多數公司來說都沒有意義。 但是，對量子世界的內部培訓、研發合作夥伴關係和戰略規劃的投資可能會產生效益。

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