德勤2019年预测之量子计算机:下一个超级计算机,但不是下一个笔记本电脑

2019-01-11 08:58:37 文/前瞻网 作者/Emma Chou

大多数CIO将不会在未来两年内提交有关量子计算相关的预算。 但这并不意味着领导者应该忽视这一领域。 由于它正在迅速发展,并且由于其影响可能很大,因此业务和技术战略家应该从现在开始关注量子计算。

当量子计算机到来时,它们将是巨大的,不可移动的,且昂贵的,并且只对某些类型的问题有效。那么为什么现在仍然需要关注量子计算呢?

德勤对2019年及以后的量子计算机(QC)做出了不止一个,而是五个预测:

1. 如果有的话,量子计算机几十年来都不会取代传统计算机。预计2019年或2020年将首次证明“量子霸权”,有时被称为“量子优势”:举个例子就是量子计算机将能够执行一项经典(传统晶体管)电脑无法做到的特定任务。基于数字的计算机可以在实际的时间内解决或使用实际数量的资源。虽然这确实是一个重要的里程碑,但“霸权”这个词可能会误导。没错,某些有用且重要的计算问题会被量子计算机更好地解决,但这并不意味着量子计算机将优于全世界所有,大多数甚至10%的计算任务。

2. 未来的量子计算机市场将达到当今超级计算机市场的规模 - 约500亿美元。相比之下,预计2019年经典计算设备(从消费者智能手机到企业超级计算机)的市场价值将超过1万亿美元。即使在2030年,也不会有数十亿智能手机、电脑、平板电脑和低端企业使用中的计算设备将是量子驱动的,尽管它们有时甚至经常通过云使用量子计算。

3. 第一批商用通用量子计算机最早将在本世纪30年代出现。 本世纪20年代可能是量子计算进步的时期,但本世纪30年代是发展成大型市场的最有潜力的十年。(值得注意的是,一些严肃科学家认为,通用量子计算机将永远不会建立,虽然这是少数派意见。)

4.被视为早期量子计算机的噪声中尺度量子(NISQ)计算,在本世纪20年代每年将价值数亿美元。早期的量子计算机,即所谓的“NISQ”计算机,其计算位“嘈杂”且不如最终构建的更强大和灵活的量子计算机可靠,但其增强的计算能力仍然有用,可能是商用的有价值。能够利用NISQ计算的所有行业尚不清楚,但生物和化学科学领域的组织几乎肯定会发现它非常有用。

5.在本世纪20年代,量子安全的安全行业每年价值可能也达到数亿美元。大型量子计算机几乎肯定能够实现指数级加速的一个领域是安全性和加密技术领域。一种称为Shor算法的技术(当由足够大的量子计算机执行时)能够颠覆许多当前的公钥密码系统,例如RSA和ECC。企业和政府应该从今天开始防范强大的量子计算机的威胁,而不是等到它发生的时候。

一个没有实际影响的理论里程碑

如果不是出现了几十年,量子计算机似乎一直在地平线上徘徊多年。对于那些厌倦等待的人来说,这门学科可能会在未来几年内庆祝一个重要的里程碑:实现“量子霸权”。当这种情况发生时,会发生什么变化?

务实的答案是:起初并不会有太多变化。虽然量子霸权将标志着一个概念上的转折点,但事实上,量子计算机至少在短期仍将难以建造,难以安置,并且难以进行编程,因此不会很快为商业市场做好准备。然而,这个领域的进展正在进行中(虽然时断时续),量子计算对未来(科学和经济)有很大的希望。为了能够从围绕量子霸权的炒作中理清头绪,有必要更全面地理解量子计算背后的一些基本原理。

什么是量子计算机?

量子计算机通过量子位的数量来衡量,量子位相当于传统计算机中的晶体管。今天的量子计算机只包含物理量子比特 - 体现为两态量子系统,例如一对被捕获的离子 - 它们会迅速衰减并容易出错。估计需要1,000个物理量子比特才能生成一个逻辑量子位 - 即一个容错和纠错的量子位 -而这一目标目前还远未实现。反过来,一个普及或通用量子计算机将需要数百个逻辑量子比特,因此需要数十万个物理量子比特。

截至2018年,包含20个物理量子比特和19个物理量子比特的量子计算机已经存在,其性能规格已经公布。还公布了具有50个、72个甚至128个物理量子比特的设备,但这些设备尚未公布其规格,因此其控制和误差水平尚不清楚。人们相信,量子霸权将通过具有60个或更多物理量子比特的机器来实现,但是进展非常缓慢,因为随着数量增加,增加物理量子比特变得越来越困难。尽管如此,到2020年,几乎可以肯定会开发出超过60个物理量子比特的量子计算机并公布其规格布,并且很可能是量子霸权的第一个证据。

有着200个逻辑量子比特的机器,这也是最小的尺寸,预计是商业可用的通用量子计算机(并且将由200,000个物理量子比特组成,或者比2018年现有技术水平高出三个数量级),差不多可以肯定要五年以上,甚至十年以上才能实现。但是当它发生时,设备将是巨大的,不便携的,花费数百万美元,需要专家编程和运行,并且仅在一组特定的、有限的硬计算问题上优于经典的。计算机。因此,无论是在2025年(不太可能发生)还是在2045年(更可能发生),通用量子计算机硬件的全球市场(与其支持的软件和服务不同)每年可能达到500亿美元左右。这与当代超级计算机市场大致相同(当时的超级计算机市场也是由大型的、不便携的百万美元设备组成,仅适用于解决某些难题),2017年的价值约为320亿美元,预计到2022年将增长到450亿美元。

量子计算在今天非常重要

虽然量子计算机市场需要数年时间才能到货出现,但不会取代传统计算机,并且在本30年代将价值500亿美元而不是数万亿美元,这仍然远远超过今天基本为零的价值。事实上,QC将成为未来十年内出现的最大“新”技术收入机会之一。在实现量子霸权的领域,整个行业都将发生变革。

此外,重要的不仅仅是量子计算本身,还有量子计算在传统计算中所推动的创新。量子计算机的前景激励着经典计算机行业,在使用经典计算机模拟量子技术方面出现了许多进步。在大型商业量子计算机出现之前,这些进步将是有用的。

量子安全需提前规划

量子计算发展的一个可怕方面是确定性 - 而不仅仅是潜力 - 量子计算将用于破解以前无法解密的代码,并破坏以前不可破解的系统。这可能只发生在商业量子计算机上市时(可能在本世纪30年代11虽然有些学者认为在2026年之前有六分之一的机会),但现在是时候开始计划了。机密数据、无线软件更新、身份管理系统、长期连接设备以及其他任何具有长期安全义务的设备必须在大型量子计算机最终开发之前实现量子安全。实际上,有几个行业开始量子防护的时间已经过去了。目前,汽车、军事和国防、电力和公用事业、医疗保健和金融服务领域的组织正在部署不具有量子安全性的长寿命系统,这将使它们面临重大责任和未来的财务开销。这还不是最坏的情况。从国家安全的角度来看,恶意攻击者今天可以存储经典加密的信息,以便将来使用量子计算解密,这被称为“收割和解密”攻击。

结果

组织和政府现在可以采取措施,帮助在量子计算世界中抓住机会并保护自己:

制定长期量子安全网络安全计划。现在开始计划加强针对量子未来的网络防御绝对不会太早。美国国家标准与技术研究院(NIST,美国商务部的一部分)最近评估了量子计算机的威胁,并建议组织开发“灵活加密” - 也就是说,能够迅速将密码算法切换为新的密码,为NIST发布或批准的产品提供更高安全。各组织应注意这些发展,并制定路线图,以贯彻这些建议。

对于在原子级做研究的公司,请考虑NISQ。 50-100物理量子比特的单任务量子设备虽然不适合大多数任务,但可用于建模原子行为,并且它们将在相对近期内可用。化学和生物学领域的公司几乎肯定会受益。这些领域的许多公司已经在投资传统的高性能计算(HPC)计算资源;添加NISQ计划才有意义。

对于常规级别的公司,也要考虑NISQ。比化学和生物学更多的领域可以使用NISQ计算机。例如,在金融领域,人们认为这些中间QC可以进行投资组合优化,而其他可能的金融应用包括交易策略开发、投资组合业绩预测、资产定价和风险分析。运输业也在关注QC:一些汽车公司正在测试它们的交通模型、机器学习算法和更好的电池。物流行业看到了QC在路线规划、航班调度和解决旅行商问题方面的潜力(这对传统计算机来说是一个众所周知的难题)而且,与HPC不同,NISQ计算机很可能在政府和学术界找到一席之地:仅举两个例子的话,那就是天气建模和核物理。

更新高性能计算架构。已投资HPC的行业,如航空航天和国防、石油和天然气、生命科学、制造业和金融服务,应该熟悉量子计算可能对HPC体系结构产生的影响。将传统HPC系统与量子计算机相连的混合架构可能会变得很普遍。例如,一家公司描述了一种用于模拟和设计配水系统的HPC量子混合系统;它使用量子退火(量子计算的限制版本)来缩小需要在传统系统上模拟的设计选择集,有可能显着减少总计算时间。

重新构想分析工作负载。许多公司定期进行大规模计算,以进行风险管理、预测、规划和优化。量子计算可以做的不仅仅是加速这些计算,它可以使组织重新思考它们的运作方式,并应对全新的挑战。高管们应该问自己,“如果我们能够将这些计算速度提高一百万倍,会发生什么?”答案可能会带来关于运营和战略的新见解。

如前所述,甚至在机器本身可商用之前,公司就可以从量子计算中获得一些好处。量子计算研究人员已经发现了使用传统计算机解决问题的改进方法。一些研究人员正试图将“量子思维”引入经典问题。一家为机器智能提供量子启发式计算技术的初创公司声称,使用这种方法可以看到计算速度的提高。

探索学术研发合作伙伴关系。企业可能会发现,像澳大利亚联邦银行正在做的那样,将研发资金用于与该领域的学术研究机构合作是值得的。学术研究伙伴关系可以成为组织尽早开始建立量子计算知识和探索其应用的有效途径。目前活跃于量子计算的研究机构包括南加州大学、代尔夫特理工大学、滑铁卢大学、新南威尔士大学、马里兰大学和耶鲁量子研究所。

大多数CIO将不会在未来两年内提交有关量子计算相关的预算。 但这并不意味着领导者应该忽视这一领域。 由于它正在迅速发展,并且由于其影响可能很大,因此业务和技术战略家应该从现在开始关注量子计算。 一段时间以来,大规模投资对大多数公司来说都没有意义。 但是,对量子世界的内部培训、研发合作伙伴关系和战略规划的投资可能会产生效益。

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