近年來，在生成式人工智能驚人崛起的陰影下，量子計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。

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)和計算問題的處理速度。量子計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)等各個行業(yè)，以及政府和國防部門。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——他們在這樣做的時候可能會發(fā)現(xiàn)一些熟悉的模式。

事實上，量子領(lǐng)域已經(jīng)開始顯示出幾十年前標(biāo)志著傳統(tǒng)計算出現(xiàn)的進化跡象。這些趨勢包括向軟件開發(fā)的轉(zhuǎn)變，而不是以硬件為中心的計算觀，這在上世紀(jì)60年代大型機軟件的拆分中曾出現(xiàn)過。此外，美國軍方對量子技術(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年代早期使用計算機(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。錯誤處理是一項特別困難的挑戰(zhàn)，因為研究人員正在努力創(chuàng)造減少量子計算中常見的大量錯誤的方法。其他問題包括需要更強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。這一轉(zhuǎn)變將標(biāo)志著量子計算機在某些用例(如模擬、優(yōu)化和密碼學(xué))中的性能可以超過經(jīng)典計算機。什么時候會發(fā)生是一個懸而未決的問題。估計的時間一般在5到10年之間。但最近軟件和硬件的進步——以及意想不到的突破的潛力——可能會加速量子優(yōu)勢的到來。

金融服務(wù)、醫(yī)療保健、生命科學(xué)和政府等行業(yè)都可能從量子計算中受益。

要達到這一點需要大量資金，這對量子供應(yīng)商來說最近已經(jīng)證明有點棘手。來自風(fēng)險投資公司和其他來源的私營部門投資在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。但量子計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)的財務(wù)回報更快。

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)知識以及資金來源方面發(fā)揮重要作用，以促進量子計算的商業(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)對量子技術(shù)做出反應(yīng)。這是因為量子優(yōu)勢機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。安全專家表示，他們認(rèn)為準(zhǔn)備后量子加密將是耗時的，因此預(yù)計風(fēng)險最大的企業(yè)將很快開始這項任務(wù)。今年早些時候，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)發(fā)布了第一個量子就緒的加密算法，開啟了一場可能持續(xù)多年的采用競賽。

然而，量子技術(shù)既可以用于安全攻擊，也可以用于社會公益。在健康和環(huán)境傳感方面的應(yīng)用可以改善對人類和生態(tài)福祉的診斷。此外，量子支持者認(rèn)為這種計算方式將比傳統(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算范式。

量子背景和NISQ的本質(zhì)

為了了解量子計算的發(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)。這是因為量子比特——一種亞原子粒子，如電子或離子——的行為遵循疊加態(tài)的量子原理：一個粒子在被測量之前代表多種可能性的能力。

疊加可以讓量子計算機并行處理大量計算。量子力學(xué)的另一個方面是糾纏，它將量子位連接在一起，加強了并行性。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)級增長。量子計算機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;最后一步是測量量子位以獲得計算結(jié)果。

這就是問題所在。由于量子比特固有的不穩(wěn)定性，使計算成為可能的量子態(tài)很容易崩潰。振動、輻射或一個錯誤的原子將導(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：量子計算機的計算中出現(xiàn)了許多錯誤。

多年來，量子計算的發(fā)展已經(jīng)從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向錯誤處理方法的細節(jié)。

錯誤處理成為一個頂級的技術(shù)挑戰(zhàn)

在這種背景下，錯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)普爾全球評級首席網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險專家MartinWhitworth表示：“現(xiàn)在，針對錯誤的工作是根本性的?！?/p>

“如果我們做得不對，我們最終會得到很多死量子比特，”這家信用評級和研究公司的首席創(chuàng)新官SudeepKesh補充說。

一個關(guān)鍵的推力是量子糾錯——理論上，這種技術(shù)可以使量子計算機容錯。QEC將包含在一個量子位中的信息分布和編碼到多個量子位中。這種編碼允許錯誤檢測和糾正，旨在抵消單個量子比特的脆弱性。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量子信息。一些人估計，QEC將需要擁有數(shù)千個量子比特的量子計算機才能證明其可行性。對更多量子位的需求帶來了NISQ時代的另一個關(guān)鍵限制：中等規(guī)模機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)前一代的量子計算機，但研究人員正在為當(dāng)今可用的機器創(chuàng)建其他錯誤處理方法。量子技術(shù)專家將這些技術(shù)稱為錯誤抑制和錯誤緩解。在這里，我們的想法不是糾正錯誤，而是減少錯誤的數(shù)量，減弱它們的影響。

“糾錯需要有開銷，”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算可行所需的量子比特數(shù)量?！拌b于我們目前擁有的量子比特數(shù)量，錯誤抑制和緩解是很好的附加技術(shù)?！?/p>

量子基礎(chǔ)設(shè)施軟件公司Q-Ctrl是在業(yè)界致力于糾錯時尋求錯誤抑制的技術(shù)提供商之一。錯誤抑制技術(shù)旨在保護量子位免受周圍環(huán)境噪聲的影響，以減少錯誤的數(shù)量。

Q-Ctrl的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Michael Biercuk表示，在未來的5到10年里，QEC可能會帶來鼓勵廣泛使用的優(yōu)勢。他說，與此同時，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同時使用錯誤抑制(Q-Ctrl是其軟件合作伙伴之一)和錯誤緩解來提高其量子硬件的“執(zhí)行性能”。這些技術(shù)是IBM用于量子計算的Qiskit軟件棧的一部分。

在IBM看來，減少錯誤是制造有用量子計算機的關(guān)鍵近期技術(shù)。Johnson指出，緩解方法包括多次運行量子計算，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，因為更好的結(jié)果是以運行多個計算和花費更多時間為代價的。相比之下，糾錯是用空間換取質(zhì)量，Johnson說，他引用了該技術(shù)在許多量子位上對信息進行冗余編碼。

混合錯誤處理方法

IBM的量子團隊正在研究將錯誤緩解和錯誤糾正結(jié)合起來的方法。Johnson說，IBM計劃在2029年推出的第一臺糾錯機器可能會提供這兩種技術(shù)的結(jié)合。

Biercuk還看到了未來量子計算的混合錯誤處理技術(shù)。他說，抑制錯誤是有效糾錯的必要條件，并用下面的空調(diào)類比來說明他的觀點。

Biercuk說，“當(dāng)空調(diào)開著的時候，你要做的第一件事就是關(guān)上所有的門窗。在沒有錯誤抑制的硬件上運行量子糾錯，就像在打開所有門窗的情況下運行空調(diào)一樣?！?/p>

Biercuk說，如果沒有錯誤抑制，糾錯量子計算機必須處理系統(tǒng)中迅速擴散的所有錯誤。實際上，這臺機器加倍努力，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，它會消耗大量的電力，而且不會讓東西變得那么冷。錯誤抑制加上錯誤糾正就像你關(guān)上了門窗。出錯的幾率大大降低，我們只需付出很少的努力就能感到非常舒服。”

Kesh說，在量子計算機擴展到量子優(yōu)勢水平之前，培養(yǎng)錯誤處理方法非常重要。

他說，“一旦你擴大規(guī)模，你就不想在事后處理(高錯誤率)了，這變成了一個需要清理的大爛攤子?！?/p>

QEC顯示出加速的跡象

雖然抑制和減輕錯誤的工作仍在繼續(xù)，但一些事態(tài)發(fā)展表明，有可能加速實現(xiàn)實際的糾錯。

微軟在2024年4月表示，其提供錯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，能夠從30個物理量子比特中創(chuàng)建4個“高度可靠的邏輯量子比特”。微軟表示，串聯(lián)系統(tǒng)每10萬次操作中會出現(xiàn)一次錯誤。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量子位機器將邏輯量子位數(shù)提高到12。

微軟高級量子發(fā)展技術(shù)研究員Krysta Svore表示，該公司將需要擴大邏輯量子比特的數(shù)量，并提高它們的錯誤率，以推進其糾錯技術(shù)。

Svore在提供給TechTarget的一份聲明中說，“最終，達到科學(xué)量子優(yōu)勢將需要超過100個邏輯量子比特，每1億個邏輯運算最多出現(xiàn)一個錯誤。為了實現(xiàn)這種能力，它還需要擴大(量子處理單元)中的物理量子比特數(shù)量，并繼續(xù)提高物理量子比特的錯誤率?！?/p>

2024年8月，量子計算機制造商IonQ表示，其研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種“部分糾錯”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)千個量子比特來進行糾錯”，該公司補充說。

同樣在8月，谷歌量子人工智能研究人員報告說，通過使用更持久的邏輯量子比特，糾錯能力得到了改善。發(fā)表在ArXiv科學(xué)報告存儲庫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)展稱為邁向容錯量子計算的一步。但它也指出，需要更多的物理量子比特來實現(xiàn)低邏輯錯誤率，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。這里的進步為有意義的應(yīng)用鋪平了道路，并從量子計算早期的硬件重點轉(zhuǎn)向了關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變。

IBM的Johnson表示：“量子計算作為一個行業(yè)，仍在尋找殺手級應(yīng)用，即具有明顯量子優(yōu)勢的應(yīng)用。量子計算技術(shù)發(fā)展的第一階段只關(guān)注硬件，這也許是正確的，因為建造這些機器是復(fù)雜而棘手的。我們確實需要出色的高性能硬件，這樣才有可能獲得優(yōu)勢?！?/p>

然而，這個行業(yè)已經(jīng)到了一個臨界點。Johnson說，“我們開始對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?！?/p>

量子計算作為一個行業(yè)，仍在尋找殺手級應(yīng)用，尋找具有明顯量子優(yōu)勢的應(yīng)用。

Johnson說，他的團隊對IBM的Qiskit充滿信心，Qiskit包括一個用于構(gòu)建量子電路和錯誤處理組件的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就是這樣一個應(yīng)用程序功能，它簡化了解決優(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)為是量子計算的理想用例，以證明與經(jīng)典計算相比，量子計算具有更高的計算速度。其他Qiskit軟件產(chǎn)品是針對特定行業(yè)的。例如，量子創(chuàng)業(yè)公司QunaSys的一個應(yīng)用程序功能就針對化學(xué)問題。

IonQ的糾錯技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展也可以促進該行業(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數(shù)的成本，這增加了人們對該技術(shù)作為軟件開發(fā)平臺的興趣。

IonQ首席執(zhí)行官PeterChapman在一份聲明中說：“任何降低量子計算糾錯成本的創(chuàng)新都使我們離大規(guī)模量子應(yīng)用更近了一步?！?/p>

量子的“去垂直化”

軟件時代的另一個方面是量子行業(yè)高管稱之為“去垂直化”的趨勢。這一發(fā)展標(biāo)志著從頂級量子技術(shù)提供商構(gòu)建硬件和軟件到獨立軟件部門的出現(xiàn)的轉(zhuǎn)變。這種模式在幾十年前的經(jīng)典計算發(fā)展中也出現(xiàn)過。作為商業(yè)計算的先驅(qū)，大型機制造商最初提供單片機器，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，特別是當(dāng)我們談?wù)撚布?yīng)商時，他們會做從構(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?！?/p>

Biercuk說，IBM率先大力推動去垂直化，其他硬件廠商也在朝著這個方向發(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中。

Biercuk說，“我們認(rèn)為這是一個展示成熟生態(tài)系統(tǒng)的模型?？纯丛粕鷳B(tài)系統(tǒng)，你會發(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，我們認(rèn)為這是一個不斷增長的趨勢，支持量子領(lǐng)域的多樣化?！?/p>

量子計算的資金：這很復(fù)雜

像任何新興技術(shù)一樣，量子計算需要足夠的資金支持來推動硬件和軟件的研發(fā)。但麥肯錫2024年的“量子技術(shù)監(jiān)測”報告發(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資本市場數(shù)據(jù)庫中的私人投資數(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。麥肯錫的報告指出，“人們對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(量子計算)是一項長期技術(shù)，其在各個領(lǐng)域的潛力仍有待了解和評估?！?/p>

事實上，在2023年，風(fēng)險投資對生成人工智能的投資使量子計算相形見絀：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，GenAI當(dāng)年的風(fēng)險投資為60億美元，是麥肯錫對量子計算的私人投資數(shù)字的三倍多。

Biercuk指出：“一段時間以來，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?！?/p>

但其他因素也影響了籌資趨勢。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)。

波士頓咨詢集團在2024年7月發(fā)布的關(guān)于量子計算長期前景的研究報告中指出，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、該報告作者之一MattLangione表示：“在不確定時期，所有科技投資都在下降，量子計算也在下降。”

同樣，“量子2024狀態(tài)”報告表明，量子技術(shù)投資的下滑更多地與“整體風(fēng)險資本宏觀趨勢”有關(guān)，而不是對量子技術(shù)的信心下降。技術(shù)供應(yīng)商IQM量子計算機與風(fēng)險投資公司OpenOcean和Lakestar共同編寫了這份報告，該報告于2024年1月發(fā)布。

對量子人才的需求也是一個問題

企業(yè)一直難以聘請到網(wǎng)絡(luò)安全和人工智能等領(lǐng)域經(jīng)驗豐富的專業(yè)人士。現(xiàn)在，他們可以將量子計算添加到這個列表中。

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?！?/p>

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)知識方面存在困難。他補充說，Movate正在與各種教育項目和大學(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，量子計算向軟件的轉(zhuǎn)變可能會改變資金前景?？萍纪顿Y者傾向于青睞軟件，因為與硬件相比，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充說，新一波軟件公司正在激發(fā)一種新興的“投資者時代精神”。

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數(shù)十億美元

然而，到目前為止，公共部門對量子計算的支持要大得多。根據(jù)波士頓咨詢公司的報告，世界各國政府一直在“進行大規(guī)模投資”，在未來三到五年內(nèi)，這些投資可能會超過100億美元。

與此同時，麥肯錫的報告指出，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，該報告將中國列為領(lǐng)先的公共部門投資者，前五名分別是德國、英國、美國和韓國。

IonQ的查普曼在聲明中表示，美國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，與空軍研究實驗室(AFRL)簽訂了價值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，但它也表明國防部是如何押注于量子技術(shù)來加強國防的?！?/p>

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算時，他們必須應(yīng)對一個碎片化的技術(shù)市場。量子技術(shù)供應(yīng)商追求幾種計算風(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)計算機依賴于電子電路。來自IonQ和quantum等廠商的捕獲離子機使用電磁場來限制帶電粒子。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，他們在現(xiàn)階段回避投資，”Soller談到后者時說。

與此同時，國家議程也影響著政府對量子技術(shù)的投資。這些資助項目可能有利于某個地區(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，專注于一項技術(shù)或一家企業(yè)，并不一定是因為對潛在企業(yè)進行了全面評估?！?/p>

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)與政府機構(gòu)合作，創(chuàng)建加速項目，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)知識的融合。

除了量子創(chuàng)業(yè)公司，一些頂級的傳統(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)人員共享稀缺的計算資源。

馬薩諸塞州技術(shù)合作組織(簡稱MassTech)是一家準(zhǔn)公共經(jīng)濟發(fā)展機構(gòu)，于2024年10月宣布了建立這樣一個集群的計劃。量子計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算中心(MGHPCC)。它的資金來自500萬美元的國家撥款和量子供應(yīng)商Qu Era Computing的1100萬美元投資。QuEra計劃在未來兩年內(nèi)在該基地部署一臺中性原子量子計算機。

“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Patrick Larkin說。“它使用戶能夠體驗并從根本上了解量子計算的獨特屬性?！?/p>

該集群將為隸屬于MGHPCC的研究人員提供量子計算訪問，MGHPCC是一家非營利性合資企業(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，并真正創(chuàng)造需求?！?/p>

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)施中建造一臺量子計算機，并計劃在2024年底投入使用。

查普曼說：“并不是每個人都能在現(xiàn)場購買和安裝量子系統(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的生態(tài)系統(tǒng)?！?/p>

量子生態(tài)系統(tǒng)和中心將大學(xué)研究人員、政府機構(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。但地理碎片化是否會限制更廣泛的知識共享并制約經(jīng)濟發(fā)展?是否有集體努力的空間?

Gschwendtner說，在某個時候，一個地區(qū)的多個創(chuàng)新集群可能會決定將各自的量子計算機連接起來，以促進更大的合作。她補充說，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)和參與對我們在我們的邊界內(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。”

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)的合作機會。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)生國家利益沖突。麥肯錫的索勒表示，可能很難分享與國防或電信提供商相關(guān)的量子研究——后者是由于國家基礎(chǔ)設(shè)施主權(quán)?！拔覀冋J(rèn)為這種合作不會輕易執(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算模式時，生態(tài)系統(tǒng)還必須應(yīng)對技術(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：“我們從一個絕對的前提開始，那就是我們是多模式的。我們還不夠聰明，不知道這場競選的贏家會是誰?！?/p>

Larkin表示，MassTech會根據(jù)每個投資機會的優(yōu)點來考慮，并為非營利學(xué)術(shù)機構(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

對量子計算的投資是基于較長的時間跨度。相比之下，后量子計算安全的安全和后勤挑戰(zhàn)對時間更敏感。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。但他們強調(diào)，沒有必要過度焦慮。

ISC2是一家非營利性會員協(xié)會和安全專業(yè)人員培訓(xùn)機構(gòu)。ISC2的首席信息安全官JonFrance說。“后量子密碼學(xué)被預(yù)測到是件好事。太多次了，我們沒有足夠快地預(yù)測到技術(shù)的威脅?！?/p>

NIST在2024年8月發(fā)布了三個后量子算法，第四個算法計劃在今年年底發(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，他補充說，技術(shù)提供商應(yīng)該很快啟動采用過程。

France說：“第一步是清點你的加密資產(chǎn)和部署的算法，這樣你就能了解變化的幅度。我們認(rèn)為這是一個變革問題，而不是技術(shù)問題?！?/p>

標(biāo)普全球的Whitworth還強調(diào)了對技術(shù)的規(guī)劃。

“忘掉你將要使用的后量子算法吧，”他建議道?！跋胂肽愦丝陶谧鍪裁础Ｄ阍谀睦锸褂眉用芗夹g(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)有了一個巨大的開端。然后你可以繼續(xù)前進，看看一些被批準(zhǔn)的后量子算法?！?/p>

為改變做準(zhǔn)備

企業(yè)應(yīng)該評估可用的加密選項，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。

“有人可能會發(fā)現(xiàn)一個弱點，如果他們發(fā)現(xiàn)了，這是很正常的，”他說?！斑@個問題會得到解決，或者另一種算法會更受青睞?！?/p>

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。因此，他們必須考慮如何將這些庫納入產(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)想的時間，后量子密碼學(xué)時代還需要幾年的時間。這為企業(yè)規(guī)劃和部署抗抗性算法提供了充足的空間。但法國承認(rèn)，量子技術(shù)的一次意想不到的飛躍“可能會大大縮短這個時間?！?/p>

2024年10月發(fā)表的幾份報告表明，使用加密技術(shù)的企業(yè)的時間表可能已經(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)時快速采用新的加密標(biāo)準(zhǔn)和算法的能力。

社會福利前景

量子技術(shù)對社會有益的潛力為安全風(fēng)險提供了一個對應(yīng)物。改善醫(yī)療保健就是這樣一個潛在的好處。

IT服務(wù)和咨詢機構(gòu)埃森哲公司子項目全球負(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?！?/p>

他舉了心臟磁圖的例子，這是一種利用量子傳感器檢測心臟電活動來標(biāo)記健康問題的技術(shù)。他補充說，這種檢測電子信號的能力也可以用于診斷大腦異常。Dukatz說：“這個領(lǐng)域有很多興趣和動向?！?/p>

2024年9月，世界經(jīng)濟論壇與埃森哲(Accenture)聯(lián)合發(fā)布了《量子社會》報告，其中引用了醫(yī)療保健領(lǐng)域的量子傳感用例。Dukatz是這份報告的顧問。

除了醫(yī)療保健，世界經(jīng)濟論壇的文件還指出了量子傳感器在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用。例如，設(shè)計量子重力儀是為了探測地球引力場的變化。該報告稱，這種設(shè)備可用于跟蹤海平面變化和地震活動。

節(jié)約能源嗎?

量子技術(shù)潛在的社會效益的另一個方面是，人們期望該技術(shù)比傳統(tǒng)計算使用更少的能量。這個想法是基于量子的潛力，以更少的計算能力更快地解決問題。

Gartner的分析師Frank Buytendijk表示，他預(yù)計量子計算以及光子計算和神經(jīng)形態(tài)計算將在未來5到10年內(nèi)緩解IT的電力限制。

他在10月份的GartnerIT研討會/expo2024上說：“這個時間范圍是實現(xiàn)節(jié)能計算承諾的地方?！?/p>

然而，量子儲存能量的能力仍然有些模糊。世界經(jīng)濟論壇的報告提到了該技術(shù)作為可持續(xù)計算范式的潛力，但承認(rèn)這種斷言需要的不僅僅是“簡單的計算”作為證據(jù)。

“超級計算機可能需要一個月的時間來解決量子計算機可以在幾分鐘內(nèi)解決的特定問題，但量子計算機的能耗和計算時間之間的關(guān)系不是線性的，”報告指出。也就是說，如果量子機器在解決更大的問題時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)濟論壇報告)最具挑戰(zhàn)性的部分之一。”

報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補充說，量子節(jié)能的案例仍在繼續(xù)分析。

構(gòu)建社會生態(tài)圈

世界經(jīng)濟論壇的報告支持創(chuàng)建一個生態(tài)系統(tǒng)，以實現(xiàn)量子造福社會的目標(biāo)。這樣的生態(tài)系統(tǒng)將包括行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者、政府機構(gòu)、國際組織、量子科學(xué)家以及健康和能源等領(lǐng)域的專家。該報告設(shè)想了一個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，將區(qū)域經(jīng)濟擴張作為一項投資標(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)造機會。

Dukatz說，“追求社會效益機會需要一個廣泛的生態(tài)系統(tǒng)，超越個體量子技術(shù)貢獻者的孤島。如果我們希望這些(目標(biāo))在如何開發(fā)和使用這項技術(shù)方面占據(jù)主導(dǎo)地位，就必須共同努力。”