引言
没有人知道量子计算何时可以为全球的现实应用做好准备。但已经很明显的是，该项技术具有改变整个经济和社会的潜力。对欧洲各行各业的高管进行的一项调查发现，企业期望量子计算在未来十年对业务模式产生越来越大的影响：多数受访者期待超快计算技术带来重大变革，因为它将有助于加速正在进行的数字化转型并引发全新的变革。因此，近三分之二的高管打算在他们的战略规划中更加重视这个主题。
量子计算的突破何时到来？
本文作者：罗兰贝格全球高级合伙人Martin Streichfuss、全球合伙人Michael Alexander、全球合伙人Frederik Hammermeister、以及高级顾问Alexander Heuer
内容摘要
尽管仍存在着新型冠状病毒肺炎和一些尚未解决的技术问题，对于量子计算的乐观似乎已经在许多欧洲企业中占据主流。在我们调查的不同行业和国家的高管中，大部分都认为当量子计算机得到广泛应用时，“数字化转型”的速度将会得到提升。 

人们普遍认为，汽车、制药、化工、金融和交通运输行业是最有可能被颠覆的行业。在这些领域，从比特到量子比特的转换将对现存商业模式和价值链产生最大的影响。出于这个原因，高管们还计划在未来的战略规划中赋予量子技术更大的地位。 
虽然近年来量子计算确实取得了相当大的进步，但我们的分析显示，一些技术障碍仍然存在。举个例子，该技术容易出现故障，并且不容易去规模化应用。然而，令人惊讶的是，这似乎并没有削弱投资该领域的普遍意愿。政府和全球各地的风险资本家都在进行创纪录的投资，因此，很有可能会产生足够的动力去触发一个技术突破。 
不想错失良机的公司现在就应该制定量子战略。我们认为有四个重要步骤：
1.密切关注技术进步并迅速采取相应行动 
2.获得关键战略合作伙伴的支持 
3.为量子时代升级IT基础设施
4.释放你的想象力并审视自己的商业模式
01
不确定性与机遇：一种新的乐观主义正在蔓延
建立一个通用的量子计算机的进展
近年来，量子计算领域的研究以不可否认的速度发展。成功的报道蜂拥而至。研究人员不得不在实验室里煞费苦心地准备单个量子比特或“量子位”——量子计算中信息的基本单位——的日子一去不复返了。量子比特的实现的位数正在稳步上升，量子计算机的原型机也越来越强大。就连跨国公司也参与了建造第一台通用量子计算机的竞赛。
很明显，这种对“量子至上”的追求一定有原因——即量子计算机相对于传统计算机的优越性。简单来讲，当量子计算机解决了传统计算机无法解决的任务或解决了传统计算机需要耗时很久的项目时，量子至高无上的地位便被认为得到了证明。
研究人员对这一里程碑的实际实现时间存在争议。举例来说，谷歌认为这一里程碑已经得以实现。该公司的科学家最近进行了一项实验，该实验运用他们的53-量子位量子计算机进行了随机抽样计算。谷歌认为，传统的超算机进行类似的计算要耗时10000年。但如果你问IBM，谷歌的竞争者，这个实验只是充其量证明了一种“量子优势”。根据IBM的研究人员，谷歌量子计算机进行的计算可以用传统计算机在两天半内完成，而且更加精确。
对于IBM和谷歌的意见分歧，这里有一种简单的解释：他们的结论基于不同的假设。谷歌的量子研究人员在他们的比较中只考虑了传统计算机的最大RAM(随机存取存储器)，而IBM包括了可用的硬盘存储空间。后一种方法是更合理的，因为它更接近于现如今实际发生的情况，即大量数据首先存储在硬盘上。
事实上，谷歌的实验室实验和IBM的反向模拟都是软件工程领域最令人印象深刻的成就。 谷歌的53量子位计算机不适合解决日常问题。但谷歌的实验表明，至少在理论上，量子计算机完成任务的速度要比传统计算机快得多。2020年12月，在谷歌宣布成功后的14个月，中国研究人员再次证实了这种量子优势的存在。 
商界对这些成功的消息有何反应? 最近几个月，尤其是是欧洲公司，对量子计算的看法发生了变化吗? 他们可能从哪些应用中获益?如果量子计算能够实现，哪些行业将会被最大程度地改变?我们将在下文中讨论这些问题。然而，我们首先简单地解释量子计算是如何工作的。 
“线性叠加”意味着一个量子粒子可以同时以几种状态存在。 因此，薛定谔的猫可能有70%的死亡和30%的存活。
02
什么是量子计算？
在量子力学的帮助下，进入一个新的计算机时代
要理解量子计算，我们首先需要深入量子力学的奇妙世界——在这个世界里，经典物理的规则并不适用，并且量子力学的发现有时会奇怪地令人不安。据报道，就连量子理论之父之一的埃尔温·薛定谔也曾说过:“我不喜欢它，我对我曾经和它有过的任何关系表示抱歉。”
薛定谔关于一只假想的猫的著名思想实验，这只猫可以同时被认为是死的和活的，这说明了量子理论的一个关键原理:状态的线性叠加。“线性叠加”是指一个量子粒子可以同时以不同的比例以几种状态存在。更准确地说，量子力学讲的是找到处于某种状态的量子粒子的概率。薛定谔的猫因此可能有70%的概率死亡和30%的概率存活。为了找出实际情况，我们必须进行测量。对于薛定谔的猫这一例子而言，测量便意味着打开盒子，观察盒子中的真实情况。
1、量子位和呈指数式增长的计算力
量子计算机与传统计算机几乎没有任何共同之处。传统的计算机使用比特，对比特只有两种状态:0或1。这种限制不适用于量子计算机。他们的信息单位是更强大的量子比特。
量子比特是像电子这样的量子粒子，它们的两种状态有不同的概率，就像我们上面看到的那样。一个量子比特有两种可能的描述：一种可能的状态1，另一种可能的状态0。然而，一旦进行了测量，即使量子粒子也只能处于一种状态。测量前的两个概率之和总是1，即100%。
一般来说，状态的概率是可以准备、改变和测量的。这是用它们进行计算的先决条件。尤其值得注意的是，特别值得注意的是，任何数字都可以用一个量子比特的状态概率来表示——这是一个古典计算机不可能完成的任务。
2、现实问题与易出故障的技术
然而，事实上，量子比特的纠缠给我们留下了一个问题。为了得到计算的结果，每个量子位元的概率也必须已知。这意味着它们必须被测量、评估和检查错误。量子纠缠导致状态的数量呈指数级增长，同时我们需要控制所有不同的值，这些是好事同时也是坏事。
在量子计算的世界里，区分“物理量子位”和“逻辑量子位”已经变得很常见。逻辑量子位是校验过的，可以用于算术运算而不受进一步的限制。关键问题是:需要多少物理量子位才能获得一个逻辑量子位?简单的答案是1000。所以，如果我们需要1000个逻辑量子位，我们就需要一台总共有100万个物理量子位的量子计算机。创建这种计算机是几乎不可能的任务。从今天的技术能力来看，探讨何时可以实现，如果的确可以，是几乎不可能的。
3、量子的突破难道是一个幻觉？
技术障碍太大而无法克服吗？我们不这么认为，许多硬件开发人员都在努力克服这些挑战，这意味着至少有一个实现量子技术突破的现实机会。IBM的量子路线图设定了100万量子位的门槛，该公司正在全力以赴实现这一目标。其他7家公司正在效仿。近年来，致力于这个问题的硬件开发人员的数量也在稳步增长。目前，超过85个组织正在试图建造量子计算机。
03
做好迎接颠覆性技术的准备了吗？
对不同行业的影响
要估计一个刚刚兴起的行业的市场规模是很困难的。但在量子计算方面，人们做了很多尝试。例如，预测者基于对当前的超级计算机市场的观察，试图推断出量子计算机未来的潜在市场。我们认为，任何这种尝试从根本上来说都是有缺陷的。
正如我们下面所展示的，量子计算打开了一扇通往不同全新应用的大门。从今天的视角来推断这些未来应用的经济价值是几乎不可能的。此外，量子计算机不会使传统计算机完全过时:即使有了量子计算机，在某些领域比特仍然优于量子比特。量子技术究竟会在多大程度上改变现有市场，这个问题仍然悬而未决。
在我们看来，当量子计算机实现市场成熟时，它们将对许多不同行业的许多商业模式产生巨大影响。新的商业模式将会出现。无论批评家怎么想，行业仍然持乐观态度——我们对欧洲经理人的调查证实了这一事实。
1. 关于“量子准备”的高管调查
个别公司尝试量子计算的新“使用案例”的报道很常见。汽车公司、银行和化工行业走在了前面。但是，其他行业的高管如何看待这项新技术呢?量子计算在他们的战略考量中有任何影响吗?他们是否从最新的技术进步和成功案例中得出了正确的结论?
为了找到这些问题的答案，我们调查了来自欧洲所有不同行业的110位高管。我们的目标是获得尽可能有意义的关于量子计算的普遍感受的的描述。结果很有启发性。绝大多数的受访者相信量子计算中使用的商业模式将在未来的十年内大大改变他们自己的组织或公司。要么因为技术将加速已经发生的改变(42%)，或是因为量子计算会导致全新的颠覆(23%)。
有趣的是，在绝大多数公司的战略考量中，量子计算还没有发挥主要作用。只有一小部分受访者(8%)表示，他们在规划时特别考虑了即将到来的转型。鉴于他们对前一个问题的回答，这有点自相矛盾:高管们意识到这个话题的重要性，但还没有采取任何行动。一种解释可能是首先需要克服变革的内部阻力，或者是量子计算预期的好处仍然遥遥无期的事实。
然而，情况即将发生变化。近三分之二的受访者(63%)认为，量子计算应该在他们未来的公司议程中占据重要地位。
2. 四个关键应用
量子计算机可以以许多不同的方式使用。我们确定了四个关键的应用领域，它们可以真正发挥作用:最优化问题、模拟、机器学习和密码学。其他用例很可能会在将来添加到这个列表中;一旦量子计算机被更广泛的用户所尝试，全新的、迄今无法想象的应用将可能出现。
下面，我们将简要介绍量子计算机目前最重要的四个用例。我们已按我们认为它们将在实践中逐渐证明有效的顺序进行了排序。因此，“最优化问题”是第一位的。最优化问题已经在原型量子计算机上进行了处理，很可能代表着量子计算的首次成功应用。另一方面，模拟和机器学习可能需要更长的时间，因为它们需要更强大的计算机和一种新的算法。排在最后面的是密码学，因为在这里需要拥有100万或更多量子位的量子计算机(见上文)。
a. 最优化问题
当面临涉及许多变量的最优化问题时，传统计算机很快就达到了极限。在实践中，使用了简化，往往导致次优结果。量子计算机做事情的方式不同。借助叠加，他们可以同时研究所有可能的解。因此，他们能够处理一个全新层次的优化问题。即使一开始我们只使用绝热量子计算机，它不能保证找到全局最优解(也就是说，可能的最佳解)，它们至少能找到局部最优解(某种类型的解)。一个用传统计算机无法解决的问题就这样可以被量子计算所解决，这可以让物流公司获得决定性的竞争优势。
混合解决方案也是可能的。例如，量子计算机可以首先缩小潜在答案的范围，然后传统计算机可以计算出精确的解。这种方法十分有前途，因为它利用了这两种处理器的优点。
b. 机器学习
人工智能(AI)和机器学习的最新进展在很大程度上是归因于算力的提升。随着硬件变得越来越强大，使用越来越复杂的方法和模型已经成为可能。算力的提升是一种正向的发展，但仅仅使用传统计算机是不可能永远保持这种增长的。
根据著名的摩尔定律，密集集成电路中的晶体管数量大约每两年翻一番。但这一定律正不断接近其物理极限。现在已经有很多的晶体管紧密地堆砌在计算机芯片上，这样持续的扩展将变得越来越困难。硬件的指数增长可能即将结束。这是否也意味着数字革命失去势头?
简单来说:不一定。量子计算机不像传统的芯片产业那样面临同样的限制。它可以使用全新的算法并且可以更好地训练神经网络。然而，传统的数据首先要转移到量子系统，这需要时间。实际上，转换和重新计算这些数据并不是在所有情况下都是值得的。
c. 密码学 
数学家彼得·肖尔（Peter Shor）是量子世界的杰出人物之一。早在1994年，他就证明了在量子计算的帮助下，质数因子分解(将一个数分解成几个质数的乘积)是相对容易的。对于大质数，传统计算机需要几十年才能完成这项任务，而量子计算机可能只需要几个小时的时间。 
肖尔的发现对基于质因数分解的加密方法有影响。RSA就是这样一种方法，它被用于互联网上的安全数据传输，量子计算机可以相对轻松地击败它。但是其他的方法——AES, SHA-2, SHA- 3——即使使用Shor算法的量子计算机也仍然是安全的。这些方法并不是基于可以被量子计算轻松解决的基础算法。事实上，这些加密方法，已经像RSA一样在互联网上被广泛使用于电子邮件和数据加密。而这在公众讨论中经常被遗忘。因此，即使在量子计算出现后，企业仍要依赖能够实现安全通信的算法也显得尤为重要。
d. 什么行业获利最多
不同的行业将从量子计算中获得不同程度的好处。在一些行业，它将继续扮演次要角色，然而在其他行业，公司将被迫接受新技术——如果他们想跟上竞争。
行业是属于第一类还是第二类，主要取决于它们商业模式“数据密集型”的程度。数据强度可以通过三个v来衡量:容量、种类和速度(数据必须处理的速度)。我们假设数据强度越大，量子计算带来的颠覆就越大。
为了检验我们模型的可靠性，我们将其与行业专家的定性评估进行了比较。当谈到哪个行业将从量子计算中受益最大时，我们的发现和专家的意见惊人地接近。例如，几乎所有的预测都把制造业放在最前面，而对零售业的影响非常微小。专家们一致认为，量子计算将彻底改变我们处理化学物质和活性物质的方式，甚至可能带来新药物和新材料的发现。
04
展望
量子计算的发展正在好转
没有人能够认真地预测什么时候——或者确切地说，量子计算领域是否会出现技术突破。即使量子位的数量在目前的53位的基础上每年翻一番，也要花上整整20年才能达到重要的100万大关。这仍然不能解决难以控制的量子位的问题，而且我们在校验方面仍处于起步阶段。
首先，用于量子研究的公共支出处于创纪录水平。虽然其他地方的研究预算正在被削减，但大多数国家仍在维持对量子技术的投资。我们相信这个数字在未来几年还会继续上升。子技术(包括量子系统和量子计算机)现在被列为关键基础设施。相应的也可以理解军事部门也对此感兴趣。这些部门传统上就支持对未来技术进行高额投资。
第二，风险投资家正在支持量子技术。随着国家慷慨的支出，私人风险资本家也放弃了他们以前的沉默。直到最近，资助量子研究的几乎都是政府以及谷歌和IBM等大型科技公司。许多创投基金保持低调;因为技术似乎太不可靠，回报也太不确定。
第三，量子系统和溢出效应创造了毗连的商业机会。用于建造量子时钟、量子加速计、量子重力仪和其他量子系统的技术，如激光系统和探测器与建造量子计算机的技术类似。
第四，量子生态系统正在形成。一个正常运转的生态系统的轮廓正在缓慢但稳定地显现。软件供应商的数量正在稳步增长，它们不再像硬件制造商那样只集中在北美。根据量子计算报告（Quantum Computing Report），目前有80多家软件公司正在致力于将日常问题转化为量子比特的范畴。这些公司也越来越受到风险投资公司的关注。 
显然，技术障碍目前仍然存在。但上述四个因素——慷慨的政府支出、风险投资家的积极支持、其他量子领域的溢出效应以及量子生态系统的出现——都可能加速量子计算的发展。换句话说，至少在理论上，量子计算机的性能有可能逐年呈指数级提高，正如许多制造商的预测和许多潜在用户的期盼一样。
05
对企业的建议
为量子时代的到来做好准备
1、密切关注技术进步并迅速采取行动
量子计算机正变得越来越强大，而且速度越来越快。企业需要密切关注量子计算机取得的任何进展或新的里程碑。实际上，它们应该:
  • 成立一个与企业发展部门紧密联系的科技侦察小组，不断追踪量子科技的进展，并为管理层提出建议
  • 修改他们的产品和创新路线图，以防止对量子技术的应对过时，并及时抓住任何新的机会
  • 产品开发中应用新的模拟技术:快速确定在模拟和虚拟测试方面中，需要在下一次创新飞跃发生之前赶上并缩小差距的任何领域
2、获得关键战略合作伙伴的支持
量子计算机既昂贵又难以操作。因此，公司必须寻找能够提高量子适应度的合作伙伴。这将要求在公司内部拥有一个专家团队积极寻找战略合作伙伴。自身处于高科技领域的企业也需要战略科学管理来积极发展量子技术领域的研发伙伴关系和保障技术研发资金。考虑到新兴的量子热潮，在这方面的投资对这些专业公司来说将是双重回报:他们不仅能够获得能力，他们还将确保高投资回报(ROI)。
3、为量子时代升级IT基础设施
公司必须审核其IT基础设施(包括CRM、ERP、电子邮件和通信系统)，并立即替换任何薄弱的加密算法。他们还应该检查自己的产品族谱，确保产品和公司之间的任何数据传输都是安全的。
4、释放想象力量子
计算机提供了独特的机会。如果单纯地将它们视为现有商业模式的效率提升和优化机器，将无法认识到它们真正的潜力。公司必须从他们的日常业务中抽身而出，问问自己:我们目前有哪些问题缺乏解决方案?量子计算如何帮助我们解决这些问题?在这里，我们建议进行一次独立的审计，这样你就可以把公司外部的新鲜想法纳入到自己的考虑中去。
总 结
强大的量子计算机将会在明年上市，并颠覆我们所知的世界吗?几乎可以肯定不会。那么，这项新技术即使还处于早期发展阶段，要进入日常商业生活还需要20年吗?不可能的。最有可能的是，改变将是渐进的，而不是跳跃式的。
正如我们所见，量子计算对某些领域的影响将比其他领域更快。目前没有人知道这种颠覆究竟会在什么时候到来。然而，在不确定的情况下，有一种方法已证明是有效的:用情景假设来思考。罗兰贝格认为，企业越早开始去考虑量子计算越好。任何在组织中实施过全面转型计划的人都知道变革需要时间，越早开始，受益越多。
来源：罗兰贝格
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