量子技术：如何让您的组织为量子优势做好准备（英）
量子技术：现在如何让您的组织为获得量子优势做好准备 介绍量子技术可以操纵电子、光子和原子来解决以前认为无法解决的问题–并开辟令人兴奋的新机遇。量子甚至使我们能够使用违反直觉的原理，例如叠加（一个粒子同时处于两种或多种状态的能力）和纠缠（改变一个粒子的状态可以影响另一个粒子在远处的行为的理论）。相对于最好的超级计算机，量子技术承诺指数级加速，防窃听通信，以及超精确和快速的测量–这种现象通常被称为“量子优势”——相对于当今使用的经典系统。此类技术可以为企业解决优化、机械模拟和机器学习等问题的方式带来巨大转变。量子可以在风险管理、网络安全、物流、调度操作、轻质材料或新药的发现以及应对气候变化等领域带来比现有技术更高的效率。量子技术仍处于早期阶段——组织仍在探索原理和概念的证明。例如，使用当前量子计算机可以解决的大多数问题，也可以使用传统计算机更快、更经济地解决。古典在可预见的未来，这些方法将继续存在，量子技术将主要与它们一起使用。然而，近年来，研究进展加速，该技术已开始走出实验室环境并进入实际应用。2 量子技术：如何让您的组织立即为获得量子优势做好准备 组织正在创建生态系统，他们可以在其中进行协作和实验，以扩大他们对量子技术的理解，以及如何将它们用于他们自己的特定语境。例如，空中客车公司至少五年来一直在探索量子技术的应用，例如通过识别复杂问题在其飞机制造过程中，为航空航天平台开发安全通信，或在天基重力仪上工作。12018年成立量子技术应用中心，致力于解决该领域的一系列问题。2在 2019 年的量子挑战赛中，它与世界各地的专家合作，通过量子计算解决了与飞行物理学有关的五个问题。3两年后来，它收购了量子传感初创公司 Q-Ctrl 的股份。4同样，一些大型组织已经开始在选定领域开发量子技术用例：•摩根大通使用混合经典量子方法来确定最佳金融资产组合，声称可以扩展以适用于任何规模的投资组合。5•大众汽车集团展示了第一个基于量子计算的实时交通路由系统，以最大限度地减少等待和旅行时间。6•药学专业葛兰素史克正在探索量子优化方法在未来药物开发领域的潜在规模。7•韩国天然气公司正在测试一种基于量子传感的气体安全系统。与广泛使用的红外系统相比，它有望从更远的地方检测泄漏，并以较低的气体浓度识别泄漏。8尽管围绕量子技术进行了大量炒作，但最近的突破表明它将在未来几年内进入生产阶段。一些量子技术已经在测试/试点。本研究旨在回答以下问题：1.企业现在应该投资量子技术吗？2.对于组织来说，量子计算、通信和传感方面有哪些机会？3.组织如何识别潜在的量子优势？为了带来实施的视角，我们调查了全球组织的 200 名高管，他们要么已经在使用或计划使用量子技术（总共 857 个组织）。此外，我们对这一领域的 30 多名行业高管、研究人员、学者、生态系统专家和风险投资家进行了详细采访。该研究还考虑了模拟量子粒子行为的经典技术。在接下来的许多年里，量子技术将继续成为经典的组成部分。3 执行摘要——关键要点少数组织已进入早期实施阶段总体而言，23% 的组织表示他们正在使用或计划使用量子技术。然而，许多尚未达到测试/试点阶段。尽管如此，投资正在增加，43% 的量子技术组织预计它们将在未来 3-5 年内用于至少一个主要的商业应用。开展实验的组织正瞄准变革性影响方面的巨额回报早期进入量子领域的公司将受益于更高的流程效率和增强的安全性。在我们的调查中，十分之七的组织同意，由于产品开发周期长，他们现在需要将量子技术集成到他们的流程中，以避免错过。先行者行业包括能源、化工、汽车、航空航天、生命科学和银行业。对于大型企业（年收入超过 10 亿美元）而言，在量子技术中站稳脚跟所需的投资金额相对较小。量子计算只需 5-10 年即可为商业应用提供动力已推出成功概念验证 (PoC) 的组织对实现量子优势更为乐观：对于量子计算，20% 的组织认为这一目标不到五年，而总体而言这一比例为 13%。在投资者兴趣、扩大用例和技术前沿突破的推动下，发展步伐加快。量子硬件、算法和技术的改进可以提供显着的比经典技术模型加速。量子安全信息解决方案已经可用量子通信提供牢不可破的加密。量子安全信息解决方案已经以有限的规模在商业上可用。基础设施和软件提供商、初创公司、政府机构、标准制定组织和最终用户组织正在共同形成一个蓬勃发展的量子通信生态系统。•58% 的组织在优先考虑量子安全安全之前正在等待标准出现。但是，组织可以从使用已证明的量子加密技术保护敏感和关键信息开始。43%的从事量子技术工作的组织预计它们将在未来 3-5 年内至少用于一项主要的商业应用4 量子技术：如何让您的组织立即为获得量子优势做好准备 量子传感的新应用可以证明对某些行业具有革命性意义最近，许多量子传感器正在从实验室环境发展到工业应用。尽管量子传感是利基市场，但量子传感器可以在以下方面发挥变革性作用：1）在采矿、建筑、电信、国防领域勘探或测量土地或水域； 2) 航空航天、汽车和国防领域的无 GPS 导航； 3）生物医学成像； 4) 工业过程控制和安全。您的组织如何准备量子优势？我们建议采用五步法来利用量子到货后的优势：•评估投资量子技术是否对您的业务有意义。例如，量子计算对于特定类别的问题是有利的；只有当这些问题是本组织业务挑战的一部分时，才应谨慎地探讨这些问题。•建造一个小的专家团队。理想情况下，该团队由一名首席研究员集中组织，向该组织的研发或创新负责人报告。•翻译小规模量子实验最有效的用例。它将有助于评估是否有可能获得量子优势，并测试您的团队的能力。•建立长期合作伙伴关系与技术提供商一起渡过技术障碍。大约三分之一的组织更愿意与具有该领域专业知识的 IT 服务/软件/硬件公司合作建立创新中心。•开发扩大人才和技能基础的长期战略。随着具有更大范围和规模的量子计划开始实施，计划在内部发展适当的技能。5 定义量子技术这项研究侧重于三种广泛的量子技术：量子计算、量子通信与安全、和量子传感. “传统”或“经典”计算是指当前使用的不利用量子特性的计算系统。量子计算它是什么以及它是如何工作的？使用量子特性进行计算。量子计算的最基本单位称为量子位.量子位可以同时获取 0 到 1 之间的任何值。在某些情况下，量子计算提供了一种计算能力的指数级加速.个人量子比特...制造它这允许写入......同时也启用表示许多可能携带量子算法解决方案或简化可能的状态复杂的可以运行订单的的问题是同时...计算在量级更快，为经典节省了困难并行......计算资源...计算机，例如，生命科学中的药物发现金融服务衍生品定价设计或供应量子比特量子量子链优化，处理器算法生产调度交付一个跨越各种加速制造业当前状态•量子计算机解决了代表现实世界问题的“玩具”问题•组织正在确定要用量子计算机解决的正确问题，并试验潜在的用例，一旦有足够数量的量子比特的无错误量子计算机可用，就可以扩大规模。关键机会•解决需要复杂优化、模拟或机器学习的问题。主要挑战•当前的量子计算机具有“嘈杂”的输出（即具有高错误率）。•它们需要特定的条件（例如，超导量子比特需要超低温才能高效运行）。•大规模应用需要数千个量子比特，而当前的量子计算机只提供其中的一小部分。6 量子技术：如何让您的组织立即为获得量子优势做好准备 量子通信与安全它是什么以及它是如何工作的？使用量子力学定律传输和控制信息，即使用量子比特而不是比特。量子安全涉及使用量子理论保护信息传输。量子密钥分发(QKD) 是一种密钥分发协议，用于生成“量子”密钥，该密钥可用于使用经典加密技术在经典通道上进行安全信息交换。密钥是使用量子力学规则分配的，其中任何监听行为都会留下可检测到的窥探迹象。1.Alice 和 Bob 生成和分享3. 只有 Bob，他可以使用以下方式访问量子量子密钥QKD键，可以访问此消息。2.爱丽丝然后加密她的消息使用4. 当用于可证明安全的加密时，此量子密钥和任何古典像一次性密码一样，量子密钥加密算法保证消息不能被黑。黑客Alice Quantum-secure Bob 通信链路当前状态•量子通信网络虽然很简单（主要是点对点或需要非量子、安全性较低的接口，如“可信节点”），但已经成为现实。•荷兰网络运营商KPN最近展示了一个 QKD 系统，其中多个用户可以连接到一个中心节点并安全地交换信息。9关键机会•安全的通信和网络。•对机密计算、数据存储和共享至关重要的安全数据传输。主要挑战•长距离安全传输量子信息。7 量子传感它是什么以及它是如何工作的？使用量子特性或现象以高精度测量物理量定时使用量子效应来测量：加速和旋转引力电场或磁场量子传感器提供前所未有的测量精度。这些传感器已经部署在生物医学成像、卫星时间同步和气体泄漏检测等领域。当前状态•有许多不同的量子传感方法，它们具有不同的技术准备水平和应用领域。•最近，许多量子传感器已经从实验室环境中出现，用于工业应用程序。关键机会•准确测量电场和磁场。•根据原子特性测量物理量。•当前技术难以部署的领域，例如复杂地形中的导航（地下/水下）。从长远来看，量子传感的发展可以推动自动驾驶汽车的无 GPS 导航和自然灾害的预警系统、对神经系统疾病的了解等。主要挑战•成本与性能改进之间的不经济权衡。8 量子技术：如何让您的组织立即为获得量子优势做好准备 任何今天没有开始这一旅程的公司都是一家在未来 5 到 10 年内面临失去行业内任何有意义地位的严重风险的公司，”安德烈·柯尼希管理合伙人纠缠资本9 10 量子技术：如何让您的组织立即为获得量子优势做好准备尽管这项技术是新生的，但它的影响可能具有变革性许多关键的量子技术仍处于起步阶段。一些项目已达到概念验证阶段，但相对于现有技术的切实、现实世界的优势仍然难以捉摸。然而，量子的影响可能是广泛的和变革性的。跨行业的用例比比皆是，从优化到机器学习、模拟、精密传感和安全。对于企业而言，这意味着更快的速度、即时的结果、更精确的测量和更安全的通信。因此，在这种变革性技术中站稳脚跟对于获得超越同行的竞争优势非常重要。相反，在投资之前等待技术出现是没有回报的。组织，在实施，声明至少有两年的时间来确定要解决的正确问题，学习如何使用技术来解决问题，并建立人才库来实施它。大多数组织已经在努力实现“量子就绪”——拥有适当的资源和流程来测试和调整量子技术，以便在其独特的环境中使用。此外，他们正在投入更多资源——根据我们的研究，20%所有组织以及 85% 的工作或计划与量子合作的组织都希望在明年增加对该技术的投资。23%根据Nadia Haider，荷兰 QuTech 首席应用电磁科学家，由应用科学研究机构TNO和代尔夫特理工大学共同创立的量子计算和量子互联网研究所，“现在我们能够更好地控制量子系统，我们可以使用纠缠或叠加。我们的能力真正使用这项技术的人数呈指数增长。人们更加相信这不仅对基础研究有用，而且我们可以将其应用于实际应用。”量子技术的进步正在加快步伐，预计下一个早期应用5年量子技术已获得主流工业关注：•中国于2021年建成全球首个综合量子通信网络，将地面光纤与两条地对星链路相结合，实现4600多公里的量子密钥分发（QKD）。可服务于银行、市政电网、电子政务网站。10•高盛从 2021 年开始的一项预测表明，量子计算可能会在未来五年内开始在实际金融应用中产生量子优势。11的组织正在或计划研究量子技术。01为什么投资在量子？ 11我们真正使用这项技术的能力呈指数级增长。人们更加相信这不仅对基础研究有用，而且我们可以将其应用于实际应用。”娜迪亚·海德尔首席应用电磁科学家 QuTech美国和中国在与量子技术相关的出版物方面处于领先地位推进量子技术的竞赛正在升温。美国、中国和欧洲国家已宣布为这些技术提供大量公共资金。他们在该领域的出版物数量上也处于领先地位。在前五名的国家中在量子技术方面的出版物（2010 年至 2020 年）中，美国和中国处于领先地位，而英国和德国紧随其后。图1。美国在 2010-2020 年期间在量子技术研究论文的发表方面处于领先地位各国量子出版物（2010-20
