什么是量子计算 ？

麦肯锡解释者 什么是量子计算？ 量子计算是一种新的计算方法，它利用基础物理学原理快速解决极其复杂的问题。 翻转硬币。正面或反面，对吗？当然，一旦我们看到硬币如何着陆。但是，尽管硬币仍在空中旋转，但它既不是正面也不是反面。两者都有可能。 此外，量子位可以相互作用。这被称为纠缠。纠缠允许量子位指数缩放；例如，两个量子位可以存储和处理四位信息，三个可以处理八位信息，依此类推。这种指数缩放赋予量子计算机比经典计算机更多的功能。 这个灰色区域是量子计算的简化基础。 重量级科技组织已经在量子技术上下注。在2019年，谷歌声称其量子计算机在短短200秒内就解决了一个问题，这个问题将需要经典计算机10000年的时间（尽管其他科技组织和学者对谷歌索赔的有效性产生了怀疑)。 数字计算机已经变得更容易 我们几十年来一直在处理信息。但是量子计算机准备将计算带入 全新的水平。量子计算机代表了一种全新的计算方法 。他们 有潜力解决非常复杂的统计问题，这些问题超出了当今计算机的限制。量子计算具有巨大的前景和动力，麦肯锡已将其确定为技术的下一个大趋势之一。仅量子计算-只是新兴量子技术的三个主要领域之一-就可以解释到2035年价值近1.3万亿美元。各种投资者都在竖起耳朵，打开钱包：仅政府投资者就承诺了340亿美元的投资。2022年，美国政府宣布了18亿美元的融资，使其总投资达到37亿美元。 即使谷歌的说法是准确的，这一成就更多的是理论上的飞跃，而不是实践上的飞跃，因为它的量子计算机解决的问题没有实际使用。但是我们正在迅速接近量子计算机将对我们的生活产生真正影响的时代。 量子计算机的用途是什么？ 今天的经典计算机相对简单。它们使用有限的输入集，并使用算法并吐出答案-编码输入的位彼此之间不共享信息。量子计算机是不同的。一方面，当数据输入到量子位中时，量子位与其他量子位相互作用，允许同时进行许多不同的计算。这就是量子计算机的原因。能够比经典计算机更快地工作。但这还不是故事的结局：量子计算机不像经典计算机那样提供一个清晰的答案；相反，它们提供了一个可能的答案范围。 了解有关麦肯锡数字的更多信息。 量子计算机是如何工作的？ 以下是量子计算的工作原理：经典计算，即为笔记本电脑和智能手机提供动力的技术，是建立在位上的。比特是可以存储零或一的信息单元。相比之下，量子计算建立在量子比特或量子比特上，它可以存储零和一。量子位可以同时表示零和一的任何组合-这被称为叠加，它是任何量子态的基本特征。 对于范围有限的计算，经典计算机仍然是首选工具。但是对于非常复杂的问题，量子计算机可以通过缩小可能答案的范围来节省时间。 芯片是存储量子位的物理硬件，就像在经典计算中一样。 经典计算机解决具有多个变量的问题时，每次变量发生变化时都必须进行新的计算，每次计算都是然而，量子计算机可以通过叠加并行探索许多路径。 量子计算机什么时候可以使用？ 可能会丢失或改变，从而降低结果的准确性。发展的另一个障碍是，以实现重大突破所需的规模运行的量子计算机将需要潜在的数百万个量子比特连接。今天存在的少数量子计算机远不及这个数字。 在接下来的几年中，量子计算的主要参与者以及一小部分初创企业将稳步增加其计算机可以处理的量子比特数量，并改善技术的功能。然而，预计量子计算的进展将仍然缓慢。 以下是可以大规模支持量子计算的技术面临的一些其他挑战： 根据我们与量子计算领域的科技高管、投资者和学者的对话， 72％的人认为到2035年我们将看到完全容错的量子计算机。剩下的 —大规模的高保真双量子位门。容错量子计算机需要保持高保真度（意味着精度和可靠性大于99.99％）。大规模这样做将很困难。 28%的人认为这一里程碑要到2040年或更晚才能实现。 但在此之前，一些企业将开始从量子阱中获得价值。起初，企业将通过云接收量子服务。几家主要的计算公司已经宣布了他们的量子云产品。 —速度。量子比特需要保持它们的量子态才能彼此相互作用。甚至 在特定的环境条件下，它们最终会退化。对于量子计算机为了在规模上运行，在量子位退化之前，门操作将需要非常快地完成计算。 了解有关麦肯锡数字的更多信息。 阻碍量子计算发展的障碍是什么？ —多量子比特网络。从理论上讲，将量子比特相互连接或联网可以使量子计算机更加强大。这里的关键挑战是将量子比特跨芯片连接到另一个物理量子计算机。 量子计算进步的一个主要障碍是量子比特是易失性的。尽管当今经典计算机中的某个比特处于一或零的状态，但量子比特可以是两者的任何可能的组合。当量子比特改变其状态时，输入 72％的科技高管，投资者和学者认为，到2035年，我们将看到完全容错的量子计算机;28％的人认为这个里程碑要到2040年或更晚才能实现。 今天的计算机可以提供精确的模拟，因为每个原子都以复杂的方式与其他原子相互作用。但是专家认为，量子计算机足够强大，甚至可以模拟人体中最复杂的分子。这为更快地开发新药和新的变革性疗法开辟了可能性。 —规模内的单个量子位控制。随着量子比特数量的增加，单个量子比特的控制变得越来越复杂。 —冷却功率和环境控制。随着量子计算机变得越来越大，从成本和环境的角度来看，冷却设备的尺寸和功率要求变得越来越昂贵。目前，为量子计算机供电足够大连接数百万个量子比特是成本高昂的。 2.优化和搜索。每个行业都以这样或那样的方式依赖于优化。机器人最好放在工厂车间的位置？公司送货卡车的最短路线是什么？要优化效率和创造价值，几乎需要回答无限的问题。对于经典计算，公司必须进行一个又一个复杂的计算，考虑到情况的许多潜在变量，这可能是一个耗时且昂贵的过程。由于量子计算机能够同时处理多个变量，因此可以快速缩小可能答案的范围。从那里开始，经典计算可以用来归零一个精确的答案。 —可制造性。生产大量量子计算机需要自动化制造和测试过程。某些量子计算机的生产可能需要开发全新的制造技术。 经典计算机和量子计算机如何协同工作？ 慢慢地，起初。最初，量子计算将与经典计算一起用于解决多变量问题。量子计算机可以缩小金融或物流问题的可能解决方案的范围，帮助公司更快地获得最佳解决方案。这种较慢的进展将是常态，直到量子计算取得足够的进展以实现更多重大突破。 3.量子AI。量子计算机有可能与更好的算法一起工作，这些算法可以改变从汽车到制药等各行各业的机器学习。特别是，量子计算机可以加速自动驾驶车辆的到来。福特、通用汽车、大众汽车和众多移动初创公司等公司正在通过复杂的神经网络运行视频和图像数据。他们的目标？使用。 了解有关麦肯锡数字的更多信息。 人工智能教汽车做出关键的驾驶决策。量子计算机能够同时执行具有许多变量的多个复杂计算，从而可以更快地训练此类AI系统。 量子计算机的一些潜在商业用例是什么？ 量子计算机有四个基本功能，使它们与当今的经典计算机不同： 4.素数因式分解。当今的企业使用大型复杂的素数作为加密工作的基础，数字太大对于经典计算机进行处理。量子计算将能够使用算法轻松求解这些复杂的素数， 1.量子模拟。量子计算机可以对复杂分子进行建模，这最终可能有助于减少化学和制药公司的开发时间。寻求开发新药物的科学家需要检查分子的结构，以了解它将如何与其他分子相互作用。 量子计算可能会导致一个移动生态系统完全连接，智能，环保。 —化学品。量子计算可用于改进催化剂设计，这可以节省现有生产工艺。创新催化剂还可以用更可持续的原料替代石化产品，或者分解二氧化碳的使用。(阅读更多关于量子计算可能如何影响化学工业的信息。) 过程称为素数因式分解。（实际上，理论上已经可以使用称为Shor算法的量子算法；只是没有足够强大的计算机来运行它。）一旦量子计算机足够先进，新的量子加密技术将 需要保护在线服务。科学家们已经在研究量子密码学，为这种可能性做准备。麦肯锡估计，量子计算机最早将在2020年代后期足够强大，可以进行素数因式分解。 —流动性。量子计算可能会导致在完全连接、智能和环保的移动生态系统中。变化取决于之间快速，平稳地交换大量数据车载计算机和其他地方的计算机。量子计算机可以处理这些现有计算机无法实现的大量数据，从而进行这种类型的数据交换现实的可能性。（阅读更多关于量子技术如何影响移动行业的信息。） 随着这些能力与量子计算能力同步发展，用例将激增。 哪些行业将从量子计算中受益最大？ 研究表明，基于上一节讨论的用例，特定的几个行业将从量子计算中获得最大的短期利益。这些行业的价值可能达到数万亿美元。 —汽车。在移动领域，汽车行业可以从量子计算的研发，产品设计，供应链管理，生产以及移动和交通管理中受益。例如，量子计算可以通过优化复杂的多机器人工艺来降低制造成本，包括焊接，粘合和涂漆（阅读更多关于量子技术如何影响汽车行业的信息）。 —制药。量子计算有可能彻底改变生物制药行业中分子结构的研究和开发。随着量子技术的发展，研究和开发因为药物可能会变得不那么依赖试错，因此效率更高。(阅读更多关于量子计算如何影响制药行业的信息。) —金融。金融领域的量子计算用例在未来会略有进展。 量子计算在金融领域的长期前景在于投资组合和风险管理。一个例子可能是量子优化的贷款投资组合，专注于抵押品，以允许贷方改进他们的产品。到容错量子计算机可用时，我们估计金融中的用例可以创造6220亿美元的价值。(阅读更多关于量子计算如何影响金融服务的信息。) 来自同一问题的不同计算）和盲量子计算（量子通信提供对云中远程大规模量子计算机的访问）。这两种类型的处理都通过量子粒子的纠缠而成为可能。 纠缠是当量子粒子像量子比特具有连接的属性时，这意味着一个粒子的属性可以通过对另一个粒子的作用来调整。 量子传感允许比以往任何时候都更准确的测量，包括温度、磁场和旋转等物理属性。此外，一旦优化和缩小尺寸，量子传感器将能够测量当前传感器无法捕获的数据。 至少在一开始，这五个行业可能会从量子计算中获得最大的收益。但是每个行业的领导者都可以-也应该-为未来几年不可避免的量子进步做准备。 QComms和QS的市场目前比量子计算的市场小，到目前为止，量子计算已经吸引了大部分的头条新闻和资金。但麦肯锡预计Qcoms和QS都将吸引大量的兴趣和资金 了解有关麦肯锡数字的更多信息。 风险很大，但潜在的回报很高：到2030年，QS和QComms可能会产生130亿美元的收入。 除了计算之外，还有什么量子技术？ 根据麦肯锡的分析，量子计算距离广泛的商业应用还有几年的时间。其他量子技术，如量子通信（QComms）和量子传感（QS），可能会更早出现。 了解有关量子传感器和量子通信的更多信息。 量子通信将启用强大的加密协议，可以大大提高敏感信息的安全性。QComms可以帮助促进以下功能： 组织如何确保他们拥有所需的量子计算人才？ 量子计算的业务需求和满足这一需求的量子专业人员数量之间存在巨大的人才差距。这种技能差距可能会危及潜在的价值创造，麦肯锡估计高达1.3万亿美元。 —完全安全当信息在位置之间传输时。量子加密协议比经典协议更安全，一旦量子计算机获得更多的计算能力或可以使用更有效的算法。 —增强的量子计算能力在两种重要类型的量子处理中:并行量子处理(其中多个处理器连接并同时执行 不同规模的公司对人才差距的看法不同。在量子领域工作的小型初创公司通常从大学研究实验室成长起来，通常可以直接接触熟练的候选人。较大的公司可能与这些人才库的联系较少。 麦肯锡的研究发现，每三个量子职位空缺中只有一个合格的量子候选人。麦肯锡预测，到2025年，除非人才库或预测的量子创造率发生重大变化，否则不到50％的量子职位将被填补。 有了量子，商业领袖以及供应链上下的工人，在营销，IT基础设施，金融等方面，都需要在量子主题上有基本的流畅性。 5.不要忘记人才发展战略。在技术繁荣时期，公司非常关注人才的吸引力，但这只是人才难题的一部分。为了留住专家，公司需要为人才发展开辟明确的道路。一家制药公司既注重其工作目的— —开发有助