《量子十年》报告更新！IBM精研量子计算，助力行业优化转型

Original 光子盒研究院光子盒 2024-03-26

光子盒研究院

近日，IBM商业价值研究院（IBM Institute for Business Value，简称IBV）精心出版了一本引人入胜的报告，《量子十年》第四版。这不仅是一本值得一读的书籍，更是对当前行业发展状况的全面总结和重要补充。

这部由来自各行各业的70多位专家共同撰写的、长达168页的巨著，详尽地阐释了面临的挑战、解决方案，以及我们正在创造的惊人技术。通过众多生动的案例分析和深入的描述，该书展示了量子计算在未来十年如何颠覆我们的世界。

《量子十年》不单是一份报告，它更是一本行动指南书。它为企业和个人开启了通往量子时代的大门。报告指出，随着量子技术的不断发展，企业需要重塑业务模式，以适应这项变革性技术的深远影响。在这份指南的带领下，我们将共同步入一个全新的认知阶段，做好准备迎接量子计算带来的独特优势和挑战。

光子盒为您精选了报告中的一些精彩摘要和案例概览，为您揭示书中的精华所在。我们诚邀对此感兴趣的读者，深入阅读原始报告，以获得更全面和深入的洞见。

亮点一览

- 报告深入探讨了量子计算如何通过其独特的计算能力，加速科学发现和技术创新；

- 强调分析了量子优势对商业世界的深远影响，尤其是在数据处理和复杂问题解决方面；

- 报告强调，随着量子技术的成熟，企业需要开始准备接纳量子计算；

- 阐述了量子准备的多个方面，包括了解量子计算技术的基础、设想其在不同领域的潜在应用，并开始着手进行初步的实际实验和探索；

- 揭示量子计算在航空业、医疗保健、银行业的行业洞见。

在2021年，IBM商业价值研究院（IBV）进行的一项首席执行官调研显示，参与调研的3000多位CEO中，有89%并不认为量子计算是未来两到三年实现业务成果的关键技术。

这一认识，在短期内似乎可以理解，但如果考虑到量子计算在未来十年可能带来的颠覆性变革，首席执行官们应该立即开始调动资源，以更深入地了解和参与量子技术的发展。

IBV的研究进一步发现，到2023年，企业将其研发预算的7%投入到量子计算领域，相比2021年增长了29%。预计到2025年，这一比例将再增长25%。

量子就绪组织（QRO）在量子战略、运营和技术方面的就绪程度排名前10%。相比之下，准备最不充分的组织则排在后10%

量子优势之路：数字化转型的基础方法

作者指出，忽视量子计算的潜力可能带来巨大的风险，甚至可能比错过十年前人工智能浪潮带来的机遇还要严重。量子计算的第一阶段要求我们认识到计算格局正在发生根本性的转变——这不仅仅是从分析转向发现，而且是向能在量子上运行的前瞻性模型转变，这为发现以前难以触及的解决方案提供了新的可能。

第二阶段包括提出一系列重要问题，例如量子计算如何颠覆和重塑您的业务模式？量子计算如何增强您现有的人工智能和经典计算工作流程？您的行业中存在哪些量子计算的“杀手级应用”？您的组织应如何内部发展或通过生态系统合作来强化其量子计算能力？现在正是开始实验、迭代情景规划和培养精通量子计算的人才的关键时刻。

值得注意的是，量子计算不会取代传统经典计算，而是与经典计算和人工智能形成了一种协同合作的关系，三者共同迭代，作为一个整体比单独部分更为强大。IBM指出，我们需要考虑如何优化解决方案，以充分利用这些紧密联系但功能各异的系统。

第三阶段，被称为“量子优势”（Quantum Advantage），这是一个标志性的里程碑。在这个阶段，量子计算展示出在执行特定任务时，相比于传统计算机，可以达到更高的效率、更好的成本效益，或更优质的结果。

60年来最激动人心的计算机革命：三大技术的融合

量子计算机现在已成为一种科学工具，探索了传统量子力学模拟之外的全新问题。量子效用是迈向“优势”的重要一步。当量子计算机与经典系统结合使用时，它们的综合性能将大大超越单纯使用经典系统的情况。随着在硬件、软件和算法方面的不断进步，量子计算将在性能上大幅超越传统计算，为各行各业带来新的竞争优势和机遇。

要充分发掘量子计算在商业领域的潜力，关键在于选择合适的应用场景——那些真正有潜力改变整个行业甚至组织运作方式的场景。

在IBM的报告中，科学家们将深入探讨量子计算的实际案例：目前正在发生的变革是什么，以及它们是如何成为一个关键转折点的？接着，报告讨论了经典计算、人工智能与量子计算如何共同作用，引领我们从一个依赖数据分析获取洞见的时代，向一个以加速实验和创新为特征的新纪元迈进。

量子计算的历史性里程碑

确立并专注于这些战略性应用场景对于实现量子技术的最大价值至关重要。从短期到中期来看，量子计算在以下三个领域具有商业应用的潜力：模拟、搜索和解决代数问题。

量子计算的预期用途

量子计算非常适合模拟自然界的过程和系统，因为量子力学本质上描绘了自然世界的运作规律。在代数问题方面，量子计算可用于处理线性方程组、工业问题中的微分方程、与机器学习相关的问题，以及矩阵运算。在机器学习和金融期权定价等涉及多维参数空间函数映射和评估的数学问题中，量子计算亦有巨大优势。

量子计算机中的量子比特状态本身代表了一个复杂的高维空间，使我们能够探索经典计算机难以达到的数据领域。事实上，人工智能和量子计算之间日益显现的互补性，正在逐渐催生两个领域之间的良性互动循环。

当今的经典计算机在处理大规模优化问题时，往往不得不采取许多捷径。然而，这些解决方案往往并非最佳。以下是一些可能从量子搜索和图优化中受益的行业实例：

- 电信公司升级网络基础设施；

- 医疗保健提供商优化患者治疗路径；

- 政府机构改善空中交通控制；

- 制定员工工作时间表的组织；

- 安排课程表的高校。

尽管目前还没有数学证明来确切证实量子计算将使搜索和图问题的处理速度呈指数级提升，但研究人员正在从启发式的角度努力证明这一点。

IBM在其报告中展示了量子计算在不同领域的应用潜力，其中包括：

1）埃克森美孚与全球供应链

埃克森美孚正在勇敢探索量子计算在全球航运路线优化方面的巨大潜力。作为国际贸易的重要支柱，海上运输承担着全球约90%的贸易量。考虑到全球有超过50,000艘船舶，每艘能装载高达20,000个集装箱，优化这些复杂多变的航线便成为了一项超越传统计算机能力的挑战。

在IBM量子网络的协助下、埃克森美孚作为首家加入此网络的能源公司，双方正携手开发一种先进的方法，将全球商船航线映射到量子计算机上。在这一过程中，量子计算展现出其核心优势：它能极大程度上筛选出非最优解决方案，并有效增强那些正确的解决路径。这使得量子计算特别适用于处理这类复杂的优化问题。

埃克森美孚通过Qiskit量子优化模块测试了一系列量子算法，以寻找最有效的解决这一挑战的方法。特别是当选用合适的“拟设”（ansatz）时，基于变分量子本征求解器（VQE）的优化方法以及启发式量子算法展现了巨大的潜力。

量子计算在海运优化领域的这一探索，不仅可能对物流和运输行业造成深远的影响，同时还预示着其在面临类似复杂优化挑战的其他行业，如货物交付、共享乘车服务和城市废物管理等领域的广泛应用前景。

2）加州大学与机器学习

在量子机器学习这一前沿领域，IBM Quantum与加州大学伯克利分校的研究团队联手取得了一项重大突破，他们开发出了一种具有理论量子优势的创新算法。

与传统的量子机器学习算法不同，这一新方法无需特别依赖量子态数据，而是能够直接应用于常规的经典数据。这一点让它更加贴合现实世界中的应用需求，使其更具实用价值。

该团队专注于监督式机器学习领域。利用量子电路的能力，他们将传统数据映射到一个更高维度的空间，这得益于量子比特状态的高维特性，非常适合于量子计算的处理方式。接着，研究人员构建了“量子内核”（quantum kernel），这是一种衡量数据点间相似度的度量指标，并成功应用于传统的支持向量机算法中，以此高效地分类和区分数据。

截至2020年底，研究团队提供了确凿的证据，表明即使在仅有经典数据的情况下，他们设计的量子特征图电路（quantum feature map circuit）也超越了所有已知的二进制经典分类器。这一显著进步不仅开拓了量子计算在数据预测、特征推断和风险分析等领域的新应用，同时也标志着量子机器学习迈入了一个全新的发展阶段。

3）E.ON与机器学习

欧洲的能源巨头E.ON正积极运用量子计算技术，以加强其风险管理能力并实现其减排目标。随着公司庞大的客户基础以及对可再生能源资产的大幅投资预计将在2030年之前显著增加，E.ON面临着管理与天气相关的风险和确保能源成本可负担性的双重挑战。

通过与IBM的合作，E.ON已经部署了一套量子计算策略，该策略利用复杂的蒙特卡罗模拟，综合考虑地点、合同和天气条件等多种因素。

量子计算在E.ON的应用中包括以下几个关键方面：

- 运用量子非线性变换，并通过量子泰勒展开（Taylor expansion）来计算能源合同的毛利率。

- 利用量子振幅估算技术进行深入的风险分析，以此优化动态电路的利用效率。

- 将二次加速技术整合到传统蒙特卡罗方法中，从而优化硬件资源的使用。

这些策略的实施不仅促进了更加灵活的实时规划，还实现了更细致的风险分散以及更频繁的投资组合风险重新评估，进而为合同谈判提供了有效的对冲策略。E.ON认为，量子计算是推动机器学习、风险分析、加速蒙特卡罗方法以及优化物流和调度组合的关键技术，标志着在管理能源相关挑战方面的重大转变。

4）富国银行与金融交易

富国银行正在积极地探索量子计算在金融领域的应用前景，并已与IBM在其量子网络上展开紧密合作。通过这一合作，富国银行得以通过云端接入IBM的量子计算机，从而在量子计算的多个应用场景中（包括数据采样、优化和机器学习等）进行创新性的研究，旨在从量子技术中挖掘出具有价值的成果。

在富国银行与IBM之间的合作研究中，一个尤为引人注目的领域是金融市场的序列建模，特别是用于预测金融市场中间价格走势的模型。这一模型涉及对限价订单簿的分析，这些订单簿详细记录了证券交易所的买卖订单，专注于研究中间价，即任何特定时刻内最低买入价与最高卖出价的平均值。

在这方面，富国银行正在尝试运用量子隐马尔可夫模型（QHMM）来进行随机序列生成，这是一种基于量子计算的先进序列建模方法。量子隐马尔可夫模型的目标是基于给定的初始状态，生成可能的符号序列，例如代表股价上升或下跌的符号，类似于大型语言模型在文本生成方面的应用。

这种量子方法比传统的隐马尔可夫模型（HMM）更为高效，通过更精确地定义随机过程的模型语言，为金融领域的人工智能技术提供了新的提升路径，从而为金融分析和预测带来更深层次的洞察。

5）联合研究与芯片制造

IBM和JSR正携手探索量子计算如何重塑计算机芯片制造业的未来。戈登·摩尔于1965年提出了著名的摩尔定律，预测计算机芯片上的晶体管数量将大约每两年翻一番。

这一前所未有的进步在很大程度上得益于半导体制造技术的创新，尤其是20世纪80年代IBM开发的基于光阻的方法。这种利用光敏材料在芯片上印制晶体管的技术已被广泛采用，其中JSR公司等成为了该领域的主要生产商。

然而，由于在量子尺度上模拟现象的难度，现代超级计算机在这一领域面临重大挑战，导致设计新型光刻胶分子的过程变得成本高昂且极其复杂。量子计算机依据量子力学原理运作，为有效模拟包含光刻胶材料的分子系统提供了一种潜在的解决方案。

在这一合作研究中，IBM和JSR公司已经开始着手探索量子计算在此领域的实际应用。一项于2022年进行的研究显示，IBM的量子硬件能够模拟类似光刻胶的小分子结构。

这一发现不仅标志着利用量子计算开发新材料的重要一步，而且可能推动半导体技术的进一步发展，确保摩尔定律在未来仍能持续适用。这一合作研究为芯片制造业带来了新的发展潜力，展现了量子计算在推动科技进步方面的巨大能力。

随着量子计算在硬件、软件和算法各个方面的持续进步和创新，我们正见证其性能相比于传统计算的显著提升。这种进步为各个行业带来了前所未有的优势和机遇，开启了一个新的竞争和创新时代。

尽管要实现真正的量子优势可能还需时日，但量子计算的指数级发展潜力已经开始在使用和学习的过程中显现。即使现在，企业和各个行业也能从中获益，通过探索和实践量子技术，为未来的大规模商业应用奠定基础。这意味着，投入到量子计算的企业不仅能够赢得先机，还能够在这一革命性技术成熟时迅速抓住新的商业机会。

量子计算技术正在经历一个关键的发展阶段，标志着我们正迈入一个充满探索和创新的新时代。随着这项技术日渐成熟，我们预计将见证量子计算在多个领域的实际应用逐渐成型，从而为全球社会和经济带来深远的转变。量子计算的飞跃不仅是科技的巨大进步，更是对人类智慧和创新能力的赞颂。

正如《量子十年》报告所阐释的，量子计算预计将在未来十年内引领一次技术革命，这场革命不仅将重塑我们对世界的理解方式，还将在科学、工业、医疗、金融等众多领域带来翻天覆地的变化。量子计算的崛起意味着计算能力的巨大提升，使得我们有望解决过去看似不可能的难题，为人类智慧开启新的篇章。

报告还指出，量子技术的发展正在从理论快速迈向实际应用。在这一进程中，全球企业、科研机构和政府部门的角色至关重要。为了在即将到来的量子时代中保持竞争力和创新能力，深入了解量子计算的最新动态，并积极参与相关研究和应用开发变得格外重要。此外，为量子时代做好准备，还意味着需要培养相关人才、建立跨领域合作网络，并探索量子技术在各个行业中的应用可能性。

总的来说，量子计算的未来不仅关乎科技发展，更与我们每个人的未来紧密相连。让我们共同迎接这个充满挑战与机遇的量子时代。

参考链接：

[1]https://www.forbes.com/sites/karlfreund/2024/03/15/ibm-shares-quantum-use-cases-in-dazzling-new-book/?sh=3c7a32c57a8d

[2]https://www.ibm.com/thought-leadership/institute-business-value/en-us/report/quantum-decade

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