近年來，在生成式人工智能驚人崛起的陰影下，量子計(jì)算正在悄悄地甚至加速朝著充分發(fā)揮其潛力的方向前進(jìn)。
這一新興技術(shù)旨在利用量子力學(xué)原理，顯著加快復(fù)雜數(shù)學(xué)和計(jì)算問題的處理速度。量子計(jì)算以及量子傳感和量子通信的相關(guān)領(lǐng)域，將影響從生命科學(xué)到金融服務(wù)等各個(gè)行業(yè)，以及政府和國(guó)防部門。企業(yè)IT領(lǐng)導(dǎo)者已經(jīng)可以探索量子技術(shù)的早期表現(xiàn)，這些技術(shù)是由一系列量子硬件供應(yīng)商和超大規(guī)模廠商提供的，用于在云中訪問——他們?cè)谶@樣做的時(shí)候可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些熟悉的模式。
事實(shí)上，量子領(lǐng)域已經(jīng)開始顯示出幾十年前標(biāo)志著傳統(tǒng)計(jì)算出現(xiàn)的進(jìn)化跡象。這些趨勢(shì)包括向軟件開發(fā)的轉(zhuǎn)變，而不是以硬件為中心的計(jì)算觀，這在上世紀(jì)60年代大型機(jī)軟件的拆分中曾出現(xiàn)過。此外，美國(guó)軍方對(duì)量子技術(shù)的巨大投入，反映在最近數(shù)百萬美元的合同中，反映了五角大樓在20世紀(jì)40年代早期使用計(jì)算機(jī)(如ENIAC)的情況。
然而，技術(shù)挑戰(zhàn)阻礙了主流量子技術(shù)的采用。錯(cuò)誤處理是一項(xiàng)特別困難的挑戰(zhàn)，因?yàn)檠芯咳藛T正在努力創(chuàng)造減少量子計(jì)算中常見的大量錯(cuò)誤的方法。其他問題包括需要更強(qiáng)大的算法和軟件來利用量子硬件。
克服這些障礙將有助于推動(dòng)量子技術(shù)從目前的階段(研究人員將其稱為嘈雜的中等規(guī)模量子(NISQ))發(fā)展到下一階段，該行業(yè)將其稱為量子優(yōu)勢(shì)。這一轉(zhuǎn)變將標(biāo)志著量子計(jì)算機(jī)在某些用例(如模擬、優(yōu)化和密碼學(xué))中的性能可以超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)。什么時(shí)候會(huì)發(fā)生是一個(gè)懸而未決的問題。估計(jì)的時(shí)間一般在5到10年之間。但最近軟件和硬件的進(jìn)步——以及意想不到的突破的潛力——可能會(huì)加速量子優(yōu)勢(shì)的到來。
金融服務(wù)、醫(yī)療保健、生命科學(xué)和政府等行業(yè)都可能從量子計(jì)算中受益。
要達(dá)到這一點(diǎn)需要大量資金，這對(duì)量子供應(yīng)商來說最近已經(jīng)證明有點(diǎn)棘手。來自風(fēng)險(xiǎn)投資公司和其他來源的私營(yíng)部門投資在2023年有所下降。在某種程度上，在更嚴(yán)格的投資環(huán)境下，量子技術(shù)與其他技術(shù)有著同樣的命運(yùn)。但量子計(jì)算也遇到了生成式人工智能(GenAI)的沖擊，投資者認(rèn)為后者技術(shù)的財(cái)務(wù)回報(bào)更快。
然而，公共部門的投資幫助緩解了資金狀況，政府和大學(xué)贊助了量子項(xiàng)目。其中一些投資是圍繞量子生態(tài)系統(tǒng)、建立在公私伙伴關(guān)系基礎(chǔ)上的區(qū)域聯(lián)盟進(jìn)行的。這些生態(tài)系統(tǒng)將在匯集學(xué)術(shù)研究人員、初創(chuàng)公司、硬件和軟件專業(yè)知識(shí)以及資金來源方面發(fā)揮重要作用，以促進(jìn)量子計(jì)算的商業(yè)化。
雖然這仍是未來的前景，但許多企業(yè)將發(fā)現(xiàn)自己在短期內(nèi)對(duì)量子技術(shù)做出反應(yīng)。這是因?yàn)榱孔觾?yōu)勢(shì)機(jī)器的到來將帶來威脅行為者可能利用它們破解加密算法的風(fēng)險(xiǎn)。安全專家表示，他們認(rèn)為準(zhǔn)備后量子加密將是耗時(shí)的，因此預(yù)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)最大的企業(yè)將很快開始這項(xiàng)任務(wù)。今年早些時(shí)候，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)發(fā)布了第一個(gè)量子就緒的加密算法，開啟了一場(chǎng)可能持續(xù)多年的采用競(jìng)賽。
然而，量子技術(shù)既可以用于安全攻擊，也可以用于社會(huì)公益。在健康和環(huán)境傳感方面的應(yīng)用可以改善對(duì)人類和生態(tài)福祉的診斷。此外，量子支持者認(rèn)為這種計(jì)算方式將比傳統(tǒng)IT使用更少的能量。如果這一斷言被證明是正確的，量子將有助于組織的碳減排目標(biāo)和更廣泛的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
從比特到量子位：量子力學(xué)提供了一種截然不同的計(jì)算范式。
量子背景和NISQ的本質(zhì)
為了了解量子計(jì)算的發(fā)展方向，我們有必要回顧一下它是如何工作的，以及它的發(fā)展歷程。
量子計(jì)算是建立在量子比特或量子位作為基本信息單位的基礎(chǔ)上的。經(jīng)典計(jì)算的比特代表0或1，而量子位可以代表0到1之間的所有可能狀態(tài)。這是因?yàn)榱孔颖忍亍环N亞原子粒子，如電子或離子——的行為遵循疊加態(tài)的量子原理：一個(gè)粒子在被測(cè)量之前代表多種可能性的能力。
疊加可以讓量子計(jì)算機(jī)并行處理大量計(jì)算。量子力學(xué)的另一個(gè)方面是糾纏，它將量子位連接在一起，加強(qiáng)了并行性。隨著越來越多的量子比特加入到量子系統(tǒng)中，糾纏意味著其處理能力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。量子計(jì)算機(jī)使用量子門在量子位中產(chǎn)生疊加或糾纏。一系列門在量子電路上執(zhí)行這些操作，量子電路實(shí)現(xiàn)了量子算法。該算法為解決問題提供了一組指令;最后一步是測(cè)量量子位以獲得計(jì)算結(jié)果。
這就是問題所在。由于量子比特固有的不穩(wěn)定性，使計(jì)算成為可能的量子態(tài)很容易崩潰。振動(dòng)、輻射或一個(gè)錯(cuò)誤的原子將導(dǎo)致量子退相干，其中疊加和糾纏的量子特性消失。結(jié)果是：量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算中出現(xiàn)了許多錯(cuò)誤。
多年來，量子計(jì)算的發(fā)展已經(jīng)從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向錯(cuò)誤處理方法的細(xì)節(jié)。
錯(cuò)誤處理成為一個(gè)頂級(jí)的技術(shù)挑戰(zhàn)
在這種背景下，錯(cuò)誤處理即使不是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界試圖解決的首要問題，也是首要問題。
標(biāo)準(zhǔn)普爾全球評(píng)級(jí)首席網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)專家MartinWhitworth表示：“現(xiàn)在，針對(duì)錯(cuò)誤的工作是根本性的。”
“如果我們做得不對(duì)，我們最終會(huì)得到很多死量子比特，”這家信用評(píng)級(jí)和研究公司的首席創(chuàng)新官SudeepKesh補(bǔ)充說。
一個(gè)關(guān)鍵的推力是量子糾錯(cuò)——理論上，這種技術(shù)可以使量子計(jì)算機(jī)容錯(cuò)。QEC將包含在一個(gè)量子位中的信息分布和編碼到多個(gè)量子位中。這種編碼允許錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正，旨在抵消單個(gè)量子比特的脆弱性。編碼的量子位池被稱為邏輯或虛擬量子位，而支持量子位被稱為物理量子位。
然而，這種方法依賴于大量的量子比特來支持每個(gè)量子信息。一些人估計(jì)，QEC將需要擁有數(shù)千個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)才能證明其可行性。對(duì)更多量子位的需求帶來了NISQ時(shí)代的另一個(gè)關(guān)鍵限制：中等規(guī)模機(jī)器中可用的量子位數(shù)量有限。目前，基于門的系統(tǒng)的最高量子位數(shù)約為1000。
側(cè)重于錯(cuò)誤抑制和緩解
雖然QEC通常被認(rèn)為不適用于當(dāng)前一代的量子計(jì)算機(jī)，但研究人員正在為當(dāng)今可用的機(jī)器創(chuàng)建其他錯(cuò)誤處理方法。量子技術(shù)專家將這些技術(shù)稱為錯(cuò)誤抑制和錯(cuò)誤緩解。在這里，我們的想法不是糾正錯(cuò)誤，而是減少錯(cuò)誤的數(shù)量，減弱它們的影響。
“糾錯(cuò)需要有開銷，”麥肯錫公司慕尼黑辦事處的顧問Martina Gschwendtner說，她指的是使量子量子計(jì)算可行所需的量子比特?cái)?shù)量?！拌b于我們目前擁有的量子比特?cái)?shù)量，錯(cuò)誤抑制和緩解是很好的附加技術(shù)?！?/span>
量子基礎(chǔ)設(shè)施軟件公司Q-Ctrl是在業(yè)界致力于糾錯(cuò)時(shí)尋求錯(cuò)誤抑制的技術(shù)提供商之一。錯(cuò)誤抑制技術(shù)旨在保護(hù)量子位免受周圍環(huán)境噪聲的影響，以減少錯(cuò)誤的數(shù)量。
Q-Ctrl的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官M(fèi)ichael Biercuk表示，在未來的5到10年里，QEC可能會(huì)帶來鼓勵(lì)廣泛使用的優(yōu)勢(shì)。他說，與此同時(shí)，Q-Ctrl專注于發(fā)布量子產(chǎn)品，為最終用戶提供最大的能力。
IBMquantum的量子引擎主管Blake Johnson表示，IBM同時(shí)使用錯(cuò)誤抑制(Q-Ctrl是其軟件合作伙伴之一)和錯(cuò)誤緩解來提高其量子硬件的“執(zhí)行性能”。這些技術(shù)是IBM用于量子計(jì)算的Qiskit軟件棧的一部分。
在IBM看來，減少錯(cuò)誤是制造有用量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵近期技術(shù)。Johnson指出，緩解方法包括多次運(yùn)行量子計(jì)算，并將輸出組合成誤差更低、質(zhì)量更高的結(jié)果。
緩解方法是處理速度和質(zhì)量之間的折衷，因?yàn)楦玫慕Y(jié)果是以運(yùn)行多個(gè)計(jì)算和花費(fèi)更多時(shí)間為代價(jià)的。相比之下，糾錯(cuò)是用空間換取質(zhì)量，Johnson說，他引用了該技術(shù)在許多量子位上對(duì)信息進(jìn)行冗余編碼。
混合錯(cuò)誤處理方法
IBM的量子團(tuán)隊(duì)正在研究將錯(cuò)誤緩解和錯(cuò)誤糾正結(jié)合起來的方法。Johnson說，IBM計(jì)劃在2029年推出的第一臺(tái)糾錯(cuò)機(jī)器可能會(huì)提供這兩種技術(shù)的結(jié)合。
Biercuk還看到了未來量子計(jì)算的混合錯(cuò)誤處理技術(shù)。他說，抑制錯(cuò)誤是有效糾錯(cuò)的必要條件，并用下面的空調(diào)類比來說明他的觀點(diǎn)。
Biercuk說，“當(dāng)空調(diào)開著的時(shí)候，你要做的第一件事就是關(guān)上所有的門窗。在沒有錯(cuò)誤抑制的硬件上運(yùn)行量子糾錯(cuò)，就像在打開所有門窗的情況下運(yùn)行空調(diào)一樣。”
Biercuk說，如果沒有錯(cuò)誤抑制，糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)必須處理系統(tǒng)中迅速擴(kuò)散的所有錯(cuò)誤。實(shí)際上，這臺(tái)機(jī)器加倍努力，只取得了中等程度的成功。
他說：“如果你必須把空調(diào)調(diào)到11度，它會(huì)消耗大量的電力，而且不會(huì)讓東西變得那么冷。錯(cuò)誤抑制加上錯(cuò)誤糾正就像你關(guān)上了門窗。出錯(cuò)的幾率大大降低，我們只需付出很少的努力就能感到非常舒服?！?/span>
Kesh說，在量子計(jì)算機(jī)擴(kuò)展到量子優(yōu)勢(shì)水平之前，培養(yǎng)錯(cuò)誤處理方法非常重要。
他說，“一旦你擴(kuò)大規(guī)模，你就不想在事后處理(高錯(cuò)誤率)了，這變成了一個(gè)需要清理的大爛攤子?！?/span>
QEC顯示出加速的跡象
雖然抑制和減輕錯(cuò)誤的工作仍在繼續(xù)，但一些事態(tài)發(fā)展表明，有可能加速實(shí)現(xiàn)實(shí)際的糾錯(cuò)。
微軟在2024年4月表示，其提供錯(cuò)誤診斷和糾正的量子比特虛擬化系統(tǒng)，在與量子硬件相結(jié)合時(shí)，能夠從30個(gè)物理量子比特中創(chuàng)建4個(gè)“高度可靠的邏輯量子比特”。微軟表示，串聯(lián)系統(tǒng)每10萬次操作中會(huì)出現(xiàn)一次錯(cuò)誤。根據(jù)微軟的一篇博客文章，在隨后的演示中，該公司使用量子公司的56量子位機(jī)器將邏輯量子位數(shù)提高到12。
微軟高級(jí)量子發(fā)展技術(shù)研究員Krysta Svore表示，該公司將需要擴(kuò)大邏輯量子比特的數(shù)量，并提高它們的錯(cuò)誤率，以推進(jìn)其糾錯(cuò)技術(shù)。
Svore在提供給TechTarget的一份聲明中說，“最終，達(dá)到科學(xué)量子優(yōu)勢(shì)將需要超過100個(gè)邏輯量子比特，每1億個(gè)邏輯運(yùn)算最多出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤。為了實(shí)現(xiàn)這種能力，它還需要擴(kuò)大(量子處理單元)中的物理量子比特?cái)?shù)量，并繼續(xù)提高物理量子比特的錯(cuò)誤率?！?/span>
2024年8月，量子計(jì)算機(jī)制造商IonQ表示，其研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種“部分糾錯(cuò)”技術(shù)，該技術(shù)采用的物理與邏輯量子比特開銷比為3:1。相比之下，其他技術(shù)目前需要“數(shù)十、數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)量子比特來進(jìn)行糾錯(cuò)”，該公司補(bǔ)充說。
同樣在8月，谷歌量子人工智能研究人員報(bào)告說，通過使用更持久的邏輯量子比特，糾錯(cuò)能力得到了改善。發(fā)表在ArXiv科學(xué)報(bào)告存儲(chǔ)庫(kù)上的一篇研究論文指出，邏輯量子位“其組成量子位的壽命是其組成量子位的兩倍以上”。這篇論文將這一發(fā)展稱為邁向容錯(cuò)量子計(jì)算的一步。但它也指出，需要更多的物理量子比特來實(shí)現(xiàn)低邏輯錯(cuò)誤率，研究人員承認(rèn)，這一前景將是“資源密集型的”。
量子軟件正在崛起
錯(cuò)誤處理創(chuàng)新發(fā)生在不斷發(fā)展的量子軟件堆棧的較低層。這里的進(jìn)步為有意義的應(yīng)用鋪平了道路，并從量子計(jì)算早期的硬件重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變。
IBM的Johnson表示：“量子計(jì)算作為一個(gè)行業(yè)，仍在尋找殺手級(jí)應(yīng)用，即具有明顯量子優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用。量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展的第一階段只關(guān)注硬件，這也許是正確的，因?yàn)榻ㄔ爝@些機(jī)器是復(fù)雜而棘手的。我們確實(shí)需要出色的高性能硬件，這樣才有可能獲得優(yōu)勢(shì)?！?/span>
然而，這個(gè)行業(yè)已經(jīng)到了一個(gè)臨界點(diǎn)。Johnson說，“我們開始對(duì)我們的軟件提出更多的要求，”“它不能妨礙我們。更好的是，它需要加速我們發(fā)現(xiàn)和探索?！?/span>
量子計(jì)算作為一個(gè)行業(yè)，仍在尋找殺手級(jí)應(yīng)用，尋找具有明顯量子優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用。
Johnson說，他的團(tuán)隊(duì)對(duì)IBM的Qiskit充滿信心，Qiskit包括一個(gè)用于構(gòu)建量子電路和錯(cuò)誤處理組件的SDK，已經(jīng)準(zhǔn)備好支持更高堆棧的軟件。為此，IBM及其軟件合作伙伴提供了QiskitFunctions目錄。一些功能旨在提高量子硬件的執(zhí)行性能，而其他功能則位于應(yīng)用層。
Q-Ctrl的Fire Opal Optimization Solver就是這樣一個(gè)應(yīng)用程序功能，它簡(jiǎn)化了解決優(yōu)化問題所需的步驟，例如創(chuàng)建平衡的投資組合或建立高效的供應(yīng)鏈。優(yōu)化被認(rèn)為是量子計(jì)算的理想用例，以證明與經(jīng)典計(jì)算相比，量子計(jì)算具有更高的計(jì)算速度。其他Qiskit軟件產(chǎn)品是針對(duì)特定行業(yè)的。例如，量子創(chuàng)業(yè)公司QunaSys的一個(gè)應(yīng)用程序功能就針對(duì)化學(xué)問題。
IonQ的糾錯(cuò)技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展也可以促進(jìn)該行業(yè)的軟件階段。用更少的量子位來解決量子噪聲，避免了更高量子位計(jì)數(shù)的成本，這增加了人們對(duì)該技術(shù)作為軟件開發(fā)平臺(tái)的興趣。
IonQ首席執(zhí)行官PeterChapman在一份聲明中說：“任何降低量子計(jì)算糾錯(cuò)成本的創(chuàng)新都使我們離大規(guī)模量子應(yīng)用更近了一步?！?/span>
量子的“去垂直化”
軟件時(shí)代的另一個(gè)方面是量子行業(yè)高管稱之為“去垂直化”的趨勢(shì)。這一發(fā)展標(biāo)志著從頂級(jí)量子技術(shù)提供商構(gòu)建硬件和軟件到獨(dú)立軟件部門的出現(xiàn)的轉(zhuǎn)變。這種模式在幾十年前的經(jīng)典計(jì)算發(fā)展中也出現(xiàn)過。作為商業(yè)計(jì)算的先驅(qū)，大型機(jī)制造商最初提供單片機(jī)器，但最終將硬件和軟件分開。
Biercuk說：“當(dāng)技術(shù)真正處于早期階段時(shí)，特別是當(dāng)我們談?wù)撚布?yīng)商時(shí)，他們會(huì)做從構(gòu)建硬件到應(yīng)用程序和接口的所有事情。”“一開始是有意義的，但如果技術(shù)成熟，就沒有意義了?！?/span>
Biercuk說，IBM率先大力推動(dòng)去垂直化，其他硬件廠商也在朝著這個(gè)方向發(fā)展。他以Diraq、OxfordQuantumCircuits和RigettiComputing為例。這些公司都在2024年將Q-Ctrl的軟件集成到他們的平臺(tái)中。
Biercuk說，“我們認(rèn)為這是一個(gè)展示成熟生態(tài)系統(tǒng)的模型。看看云生態(tài)系統(tǒng)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它不只是一家提供商。有很多很多不同的專業(yè)組織做出了貢獻(xiàn)，我們認(rèn)為這是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，支持量子領(lǐng)域的多樣化?！?/span>
量子計(jì)算的資金：這很復(fù)雜
像任何新興技術(shù)一樣，量子計(jì)算需要足夠的資金支持來推動(dòng)硬件和軟件的研發(fā)。但麥肯錫2024年的“量子技術(shù)監(jiān)測(cè)”報(bào)告發(fā)現(xiàn)，2023年，量子技術(shù)初創(chuàng)公司的私人融資下降了27%。該報(bào)告稱，這一數(shù)字降至17.1億美元，此前2022年的歷史最高紀(jì)錄為23.5億美元。麥肯錫說，這些數(shù)字是根據(jù)PitchBook資本市場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的私人投資數(shù)據(jù)得出的。
GenAI于2022年底突然問世，隨后在企業(yè)中廣泛采用，這在私人投資下降中發(fā)揮了作用。麥肯錫的報(bào)告指出，“人們對(duì)生成式人工智能的關(guān)注發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，人們一直認(rèn)為(量子計(jì)算)是一項(xiàng)長(zhǎng)期技術(shù)，其在各個(gè)領(lǐng)域的潛力仍有待了解和評(píng)估?！?/span>
事實(shí)上，在2023年，風(fēng)險(xiǎn)投資對(duì)生成人工智能的投資使量子計(jì)算相形見絀：不包括微軟和亞馬遜的大筆投資，專業(yè)服務(wù)公司安永(EY)估計(jì)，GenAI當(dāng)年的風(fēng)險(xiǎn)投資為60億美元，是麥肯錫對(duì)量子計(jì)算的私人投資數(shù)字的三倍多。
Biercuk指出：“一段時(shí)間以來，人們一直在質(zhì)疑GenAI這樣的新發(fā)展是否已經(jīng)徹底摧毀了量子技術(shù)的發(fā)展?！?/span>
但其他因素也影響了籌資趨勢(shì)。更為謹(jǐn)慎的投資環(huán)境影響了廣泛的技術(shù)領(lǐng)域，而不僅僅是量子技術(shù)。
波士頓咨詢集團(tuán)在2024年7月發(fā)布的關(guān)于量子計(jì)算長(zhǎng)期前景的研究報(bào)告中指出，2023年科技投資將普遍下降。波士頓咨詢公司董事總經(jīng)理兼合伙人、該報(bào)告作者之一MattLangione表示：“在不確定時(shí)期，所有科技投資都在下降，量子計(jì)算也在下降?！?/span>
同樣，“量子2024狀態(tài)”報(bào)告表明，量子技術(shù)投資的下滑更多地與“整體風(fēng)險(xiǎn)資本宏觀趨勢(shì)”有關(guān)，而不是對(duì)量子技術(shù)的信心下降。技術(shù)供應(yīng)商IQM量子計(jì)算機(jī)與風(fēng)險(xiǎn)投資公司OpenOcean和Lakestar共同編寫了這份報(bào)告，該報(bào)告于2024年1月發(fā)布。
對(duì)量子人才的需求也是一個(gè)問題
企業(yè)一直難以聘請(qǐng)到網(wǎng)絡(luò)安全和人工智能等領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人士?，F(xiàn)在，他們可以將量子計(jì)算添加到這個(gè)列表中。
總部位于德克薩斯州普萊諾的IT服務(wù)商Movate公司的執(zhí)行副總裁兼首席轉(zhuǎn)型官Gourishanker Jha說：“最大的障礙之一不僅僅是技術(shù)上的，還有技術(shù)人才的短缺。”
Jha說，由于有限的技術(shù)資源和缺乏合格的教師，印度和世界各地的大學(xué)在建立量子專業(yè)知識(shí)方面存在困難。他補(bǔ)充說，Movate正在與各種教育項(xiàng)目和大學(xué)合作，以解決量子技能問題。
量子軟件改變了投資演算
然而，量子計(jì)算向軟件的轉(zhuǎn)變可能會(huì)改變資金前景。科技投資者傾向于青睞軟件，因?yàn)榕c硬件相比，軟件的資本要求更低，開發(fā)周期更快。
Biercuk說：“傳統(tǒng)科技領(lǐng)域的許多投資者都喜歡軟件，而量子領(lǐng)域從歷史上看并不是這樣?！钡a(bǔ)充說，新一波軟件公司正在激發(fā)一種新興的“投資者時(shí)代精神”。
以Q-Ctrl為例，它似乎正受益于不斷變化的投資環(huán)境。2024年10月，一群投資者在第二輪融資中將公司的B輪融資增加了一倍多，將最初的5400萬美元投資增加到1.13億美元。Q-Ctrl稱這是量子軟件提供商有史以來規(guī)模最大的B輪融資。
公共部門為量子排隊(duì)數(shù)十億美元
然而，到目前為止，公共部門對(duì)量子計(jì)算的支持要大得多。根據(jù)波士頓咨詢公司的報(bào)告，世界各國(guó)政府一直在“進(jìn)行大規(guī)模投資”，在未來三到五年內(nèi)，這些投資可能會(huì)超過100億美元。
與此同時(shí)，麥肯錫的報(bào)告指出，到2023年，量子領(lǐng)域的公共資金將增加50%以上。根據(jù)公布的量子技術(shù)資金，該報(bào)告將中國(guó)列為領(lǐng)先的公共部門投資者，前五名分別是德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)和韓國(guó)。
IonQ的查普曼在聲明中表示，美國(guó)政府在量子信息科學(xué)研發(fā)方面的投資在2019年至2022年間翻了一番。2024年9月，IonQ獲得了該年度最大的政府合同，與空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)簽訂了價(jià)值5450萬美元的合同。
他說：“雖然這筆交易本身就規(guī)模而言意義重大，但它也表明國(guó)防部是如何押注于量子技術(shù)來加強(qiáng)國(guó)防的。”
科技碎片化攪渾了投資水域
但當(dāng)各類投資者考慮量子計(jì)算時(shí)，他們必須應(yīng)對(duì)一個(gè)碎片化的技術(shù)市場(chǎng)。量子技術(shù)供應(yīng)商追求幾種計(jì)算風(fēng)格或模式，這些風(fēng)格或模式在如何創(chuàng)建和控制量子比特方面有所不同。IBM、Rigetti和IQM等公司生產(chǎn)的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)依賴于電子電路。來自IonQ和quantum等廠商的捕獲離子機(jī)使用電磁場(chǎng)來限制帶電粒子。其他模式包括中性原子和光子，前者使用凈電荷為零的粒子，后者使用光粒子作為量子位。
目前還沒有一種模式成為明顯的贏家，這讓融資的水變得更渾。
“這讓投資者的處境變得復(fù)雜，”麥肯錫合伙人、量子研究負(fù)責(zé)人Henning Soller說。
因此，傳統(tǒng)科技投資者要么支持幾種類型的量子公司，要么完全放棄投資?！坝捎诩夹g(shù)的不確定性，他們?cè)诂F(xiàn)階段回避投資，”Soller談到后者時(shí)說。
與此同時(shí)，國(guó)家議程也影響著政府對(duì)量子技術(shù)的投資。這些資助項(xiàng)目可能有利于某個(gè)地區(qū)流行的公司和模式。
Soller表示：“我們認(rèn)為，作為總體議程的一部分，專注于一項(xiàng)技術(shù)或一家企業(yè)，并不一定是因?yàn)閷?duì)潛在企業(yè)進(jìn)行了全面評(píng)估?！?/span>
生態(tài)系統(tǒng)為投資和發(fā)展提供了中心
量子研發(fā)方面的一些投資正在流向量子生態(tài)系統(tǒng)，而量子生態(tài)系統(tǒng)正在全球范圍內(nèi)興起。生態(tài)系統(tǒng)將政府機(jī)構(gòu)、大學(xué)、技術(shù)供應(yīng)商、初創(chuàng)公司和各種資金池聚集在一起。
麥肯錫2024年的報(bào)告稱，被該咨詢公司稱為創(chuàng)新集群的生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)研究和資源，以刺激量子技術(shù)的發(fā)展。
麥肯錫的Gschwendtner說，創(chuàng)新集群通常包括至少一到兩所大型大學(xué)，這些大學(xué)進(jìn)行基礎(chǔ)研究并提供人才來源。反過來，這些大學(xué)與政府機(jī)構(gòu)合作，創(chuàng)建加速項(xiàng)目，孵化量子硬件和軟件初創(chuàng)企業(yè)。制藥、醫(yī)療保健和金融服務(wù)等行業(yè)的大型企業(yè)也參與其中——它們與大學(xué)和初創(chuàng)企業(yè)合作。
“行業(yè)參與者和初創(chuàng)公司對(duì)于開發(fā)用例至關(guān)重要，”Gschwendtner說，他提到了商業(yè)應(yīng)用和技術(shù)知識(shí)的融合。
除了量子創(chuàng)業(yè)公司，一些頂級(jí)的傳統(tǒng)技術(shù)提供商——例如微軟和IBM——在特定的生態(tài)系統(tǒng)中也占有重要地位。
量子生態(tài)系統(tǒng)和量子集群已經(jīng)在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)。
提供對(duì)有限資源的訪問
生態(tài)系統(tǒng)培育量子技術(shù)，并在提供對(duì)目前部署的有限系統(tǒng)的訪問方面發(fā)揮重要作用。但生態(tài)系統(tǒng)可以與研究人員和開發(fā)人員共享稀缺的計(jì)算資源。
馬薩諸塞州技術(shù)合作組織(簡(jiǎn)稱MassTech)是一家準(zhǔn)公共經(jīng)濟(jì)發(fā)展機(jī)構(gòu)，于2024年10月宣布了建立這樣一個(gè)集群的計(jì)劃。量子計(jì)算綜合體將位于馬薩諸塞州霍利奧克的馬薩諸塞州綠色高性能計(jì)算中心(MGHPCC)。它的資金來自500萬美元的國(guó)家撥款和量子供應(yīng)商Qu Era Computing的1100萬美元投資。QuEra計(jì)劃在未來兩年內(nèi)在該基地部署一臺(tái)中性原子量子計(jì)算機(jī)。
“這樣做的真正好處是讓研究人員能夠接觸到量子系統(tǒng)，”麻省理工大學(xué)副主任兼創(chuàng)新研究所所長(zhǎng)Patrick Larkin說?！八褂脩裟軌蝮w驗(yàn)并從根本上了解量子計(jì)算的獨(dú)特屬性。”
該集群將為隸屬于MGHPCC的研究人員提供量子計(jì)算訪問，MGHPCC是一家非營(yíng)利性合資企業(yè)，包括波士頓大學(xué)、哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、東北大學(xué)、馬薩諸塞大學(xué)系統(tǒng)和耶魯大學(xué)的約2萬名潛在用戶。
Larkin說：“目前，研究界并不經(jīng)常使用量子技術(shù)?！拔覀兊哪繕?biāo)是真正加速圍繞最佳應(yīng)用的量子探索的增長(zhǎng)，并真正創(chuàng)造需求?！?/span>
IonQ與瑞士Quantum Basel生態(tài)系統(tǒng)之間的合作關(guān)系在接入方面也有類似的目標(biāo)。IonQ正在生態(tài)系統(tǒng)的巴塞爾設(shè)施中建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，并計(jì)劃在2024年底投入使用。
查普曼說：“并不是每個(gè)人都能在現(xiàn)場(chǎng)購(gòu)買和安裝量子系統(tǒng)，所以我們希望現(xiàn)在看到集群的出現(xiàn)，直到云訪問系統(tǒng)的規(guī)模足以支持不斷增長(zhǎng)的生態(tài)系統(tǒng)。”
量子生態(tài)系統(tǒng)和中心將大學(xué)研究人員、政府機(jī)構(gòu)、技術(shù)提供商和行業(yè)參與者聚集在一起。
生態(tài)系統(tǒng)之間的共享
量子生態(tài)系統(tǒng)為本地合作提供了焦點(diǎn)。但地理碎片化是否會(huì)限制更廣泛的知識(shí)共享并制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展?是否有集體努力的空間?
Gschwendtner說，在某個(gè)時(shí)候，一個(gè)地區(qū)的多個(gè)創(chuàng)新集群可能會(huì)決定將各自的量子計(jì)算機(jī)連接起來，以促進(jìn)更大的合作。她補(bǔ)充說，由此產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)還將向該地區(qū)的更多用戶開放訪問。
Larkin指出，大眾科技的理念要求區(qū)域合作。
他說：“在我們的邊界之外共享學(xué)習(xí)和參與對(duì)我們?cè)谖覀兊倪吔鐑?nèi)取得成功至關(guān)重要?！薄拔覀冋J(rèn)為我們的集群從紐約州的羅馬開始，沿著I-90走廊，一直到波士頓?！?/span>
羅馬是AFRL的所在地，當(dāng)?shù)丶号cIonQ、Rigetti和IBM等公司合作。
Larkin指出，MassTech也看到了康涅狄格河谷地區(qū)的合作機(jī)會(huì)。至于新英格蘭和東北部以外的地區(qū)，麻省理工公司已經(jīng)接待了來自芝加哥量子生態(tài)系統(tǒng)的代表。
然而，全球合作更容易產(chǎn)生國(guó)家利益沖突。麥肯錫的索勒表示，可能很難分享與國(guó)防或電信提供商相關(guān)的量子研究——后者是由于國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施主權(quán)?！拔覀冋J(rèn)為這種合作不會(huì)輕易執(zhí)行，”他說。
引導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)中的技術(shù)碎片化
在決定培育哪種量子計(jì)算模式時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)還必須應(yīng)對(duì)技術(shù)碎片化。麻省理工則采取了一種技術(shù)不可知論的方法。
Larkin說：“我們從一個(gè)絕對(duì)的前提開始，那就是我們是多模式的。我們還不夠聰明，不知道這場(chǎng)競(jìng)選的贏家會(huì)是誰。”
Larkin表示，MassTech會(huì)根據(jù)每個(gè)投資機(jī)會(huì)的優(yōu)點(diǎn)來考慮，并為非營(yíng)利學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)提供資金，而不是直接投資于技術(shù)提供商。然后，這些機(jī)構(gòu)將其行業(yè)合作伙伴納入其中。這就是MGHPCC的情況，它正在與QuEra及其中性原子技術(shù)合作。
Larkin指出，理想情況下，后續(xù)的集群投資將“建立其他模式”。
處理后量子密碼
對(duì)量子計(jì)算的投資是基于較長(zhǎng)的時(shí)間跨度。相比之下，后量子計(jì)算安全的安全和后勤挑戰(zhàn)對(duì)時(shí)間更敏感。業(yè)內(nèi)高管表示，一些企業(yè)應(yīng)該開始采用新的后量子加密算法。但他們強(qiáng)調(diào)，沒有必要過度焦慮。
ISC2是一家非營(yíng)利性會(huì)員協(xié)會(huì)和安全專業(yè)人員培訓(xùn)機(jī)構(gòu)。ISC2的首席信息安全官JonFrance說?！昂罅孔用艽a學(xué)被預(yù)測(cè)到是件好事。太多次了，我們沒有足夠快地預(yù)測(cè)到技術(shù)的威脅。”
NIST在2024年8月發(fā)布了三個(gè)后量子算法，第四個(gè)算法計(jì)劃在今年年底發(fā)布。采用它們的緊急程度因企業(yè)而異。France說，技術(shù)用戶可以讓他們的供應(yīng)商負(fù)責(zé)產(chǎn)品或服務(wù)中嵌入的加密技術(shù)。然而，他補(bǔ)充說，技術(shù)提供商應(yīng)該很快啟動(dòng)采用過程。
France說：“第一步是清點(diǎn)你的加密資產(chǎn)和部署的算法，這樣你就能了解變化的幅度。我們認(rèn)為這是一個(gè)變革問題，而不是技術(shù)問題。”
標(biāo)普全球的Whitworth還強(qiáng)調(diào)了對(duì)技術(shù)的規(guī)劃。
“忘掉你將要使用的后量子算法吧，”他建議道。“想想你此刻正在做什么。你在哪里使用加密技術(shù)，你在哪里使用易受攻擊的加密技術(shù)?”
Whitworth指出，Rivest-Shamir-Adleman和橢圓曲線密碼學(xué)是易受攻擊的算法，并引用了它們所基于的數(shù)學(xué)問題——以RSA為例，找到非常大的數(shù)字的質(zhì)因數(shù)。他指出，RSA和ECC是用于保護(hù)互聯(lián)網(wǎng)交易的主要加密形式。
Whitworth說：“如果你能確定你在哪些地方使用了加密技術(shù)，你就已經(jīng)有了一個(gè)巨大的開端。然后你可以繼續(xù)前進(jìn)，看看一些被批準(zhǔn)的后量子算法。”
為改變做準(zhǔn)備
企業(yè)應(yīng)該評(píng)估可用的加密選項(xiàng)，牢記行業(yè)特定需求。但Whitworth說，隨著研究人員繼續(xù)審查和完善算法，他們應(yīng)該為變化做好準(zhǔn)備。
“有人可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)弱點(diǎn)，如果他們發(fā)現(xiàn)了，這是很正常的，”他說?！斑@個(gè)問題會(huì)得到解決，或者另一種算法會(huì)更受青睞?！?/span>
根據(jù)NIST的指導(dǎo)，準(zhǔn)備采用新方法的組織可能需要替換或修改其加密庫(kù)。因此，他們必須考慮如何將這些庫(kù)納入產(chǎn)品陣容，以及此舉將如何影響他們的技術(shù)路線圖，F(xiàn)rance說。他們可能還需要解決其他問題，例如更新舊物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的加密。他說，這些設(shè)備可能難以訪問，或者使用無法替代的加密算法。
根據(jù)目前設(shè)想的時(shí)間，后量子密碼學(xué)時(shí)代還需要幾年的時(shí)間。這為企業(yè)規(guī)劃和部署抗抗性算法提供了充足的空間。但法國(guó)承認(rèn)，量子技術(shù)的一次意想不到的飛躍“可能會(huì)大大縮短這個(gè)時(shí)間?！?/span>
2024年10月發(fā)表的幾份報(bào)告表明，使用加密技術(shù)的企業(yè)的時(shí)間表可能已經(jīng)到來。
安永全球創(chuàng)新人工智能官RodrigoMadanes建議企業(yè)采用“加密敏捷性”，即在安全威脅出現(xiàn)時(shí)快速采用新的加密標(biāo)準(zhǔn)和算法的能力。
社會(huì)福利前景
量子技術(shù)對(duì)社會(huì)有益的潛力為安全風(fēng)險(xiǎn)提供了一個(gè)對(duì)應(yīng)物。改善醫(yī)療保健就是這樣一個(gè)潛在的好處。
IT服務(wù)和咨詢機(jī)構(gòu)埃森哲公司子項(xiàng)目全球負(fù)責(zé)人Carl Dukatz表示：“一些引人注目的應(yīng)用是量子傳感在理解和診斷疾病方面的應(yīng)用?！?/span>
他舉了心臟磁圖的例子，這是一種利用量子傳感器檢測(cè)心臟電活動(dòng)來標(biāo)記健康問題的技術(shù)。他補(bǔ)充說，這種檢測(cè)電子信號(hào)的能力也可以用于診斷大腦異常。Dukatz說：“這個(gè)領(lǐng)域有很多興趣和動(dòng)向?！?/span>
2024年9月，世界經(jīng)濟(jì)論壇與埃森哲(Accenture)聯(lián)合發(fā)布了《量子社會(huì)》報(bào)告，其中引用了醫(yī)療保健領(lǐng)域的量子傳感用例。Dukatz是這份報(bào)告的顧問。
除了醫(yī)療保健，世界經(jīng)濟(jì)論壇的文件還指出了量子傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。例如，設(shè)計(jì)量子重力儀是為了探測(cè)地球引力場(chǎng)的變化。該報(bào)告稱，這種設(shè)備可用于跟蹤海平面變化和地震活動(dòng)。
節(jié)約能源嗎?
量子技術(shù)潛在的社會(huì)效益的另一個(gè)方面是，人們期望該技術(shù)比傳統(tǒng)計(jì)算使用更少的能量。這個(gè)想法是基于量子的潛力，以更少的計(jì)算能力更快地解決問題。
Gartner的分析師Frank Buytendijk表示，他預(yù)計(jì)量子計(jì)算以及光子計(jì)算和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算將在未來5到10年內(nèi)緩解IT的電力限制。
他在10月份的GartnerIT研討會(huì)/expo2024上說：“這個(gè)時(shí)間范圍是實(shí)現(xiàn)節(jié)能計(jì)算承諾的地方?！?/span>
然而，量子儲(chǔ)存能量的能力仍然有些模糊。世界經(jīng)濟(jì)論壇的報(bào)告提到了該技術(shù)作為可持續(xù)計(jì)算范式的潛力，但承認(rèn)這種斷言需要的不僅僅是“簡(jiǎn)單的計(jì)算”作為證據(jù)。
“超級(jí)計(jì)算機(jī)可能需要一個(gè)月的時(shí)間來解決量子計(jì)算機(jī)可以在幾分鐘內(nèi)解決的特定問題，但量子計(jì)算機(jī)的能耗和計(jì)算時(shí)間之間的關(guān)系不是線性的，”報(bào)告指出。也就是說，如果量子機(jī)器在解決更大的問題時(shí)最終使用不成比例的更多能量，那么更快的結(jié)果并不一定更節(jié)能。
Dukatz還指出，量子技術(shù)與能源使用之間存在不確定的關(guān)系。他表示，“這是(世界經(jīng)濟(jì)論壇報(bào)告)最具挑戰(zhàn)性的部分之一?！?/span>
報(bào)告中引用的研究論文提供了在某些工作負(fù)載中使用量子技術(shù)顯著降低能耗的證據(jù)。但Dukatz補(bǔ)充說，量子節(jié)能的案例仍在繼續(xù)分析。
構(gòu)建社會(huì)生態(tài)圈
世界經(jīng)濟(jì)論壇的報(bào)告支持創(chuàng)建一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)量子造福社會(huì)的目標(biāo)。這樣的生態(tài)系統(tǒng)將包括行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者、政府機(jī)構(gòu)、國(guó)際組織、量子科學(xué)家以及健康和能源等領(lǐng)域的專家。該報(bào)告設(shè)想了一個(gè)具有全球和地方組成部分的全球本地生態(tài)系統(tǒng)。
MassTech的生態(tài)系統(tǒng)方法反映了一種本地模式。Larkin表示，該組織在考慮新的生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，將區(qū)域經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張作為一項(xiàng)投資標(biāo)準(zhǔn)。除了在霍利奧克的MGHPCC倡議外，麻省理工的創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)投資還包括在斯普林菲爾德、洛厄爾和勞倫斯等城市，以及該州更明顯的技術(shù)中心。
他指出：“這帶來的社會(huì)效益并不集中在劍橋和波士頓。”
Larkin說，他相信量子技術(shù)也將在麻省理工的職權(quán)范圍內(nèi)為改善公眾健康創(chuàng)造機(jī)會(huì)。
Dukatz說，“追求社會(huì)效益機(jī)會(huì)需要一個(gè)廣泛的生態(tài)系統(tǒng)，超越個(gè)體量子技術(shù)貢獻(xiàn)者的孤島。如果我們希望這些(目標(biāo))在如何開發(fā)和使用這項(xiàng)技術(shù)方面占據(jù)主導(dǎo)地位，就必須共同努力?！?/span>
