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内容摘要：
2022年9月13日，世界经济论坛发布《量子计算现状：构建量子经济》报告。本报告全面介绍了量子计算的当前发展情况，包括技术现状、应用领域、各国在量子产业中的战略与投入、构建量子生态系统及其未来发展潜力的关键因素。报告认为，量子计算已被世界主要经济体视为一项战略技术，有望在材料科学与生物学、复杂系统，以及现有技术领域发挥最佳效果，带来相关的重大经济、环境和社会机遇，也带来重大的安全风险。量子计算的经济潜力及其对全球数字经济的影响使其具有地缘政治战略意义。
1 量子计算：快速增长的经济
由于大量的公共和私人投资，来自世界各地的成熟公司和初创公司都看到了技术发展的加速势头。2022年，量子技术相关的公共和私人投资总额达到355亿美元。
1.1 全球倡议和公共融资
亚洲、北美、欧洲和澳大利亚有着截然不同的创新生态系统。因此，各国政府的量子计算之旅也各不相同。
美国2019年发布《国家量子倡议法案》，用以支持量子技术、量子供应链和未来量子产业的发展。英、荷、德、法制定了国家量子计划和战略。欧盟委员会建立了研究和创新计划欧盟量子旗舰，致力于开发和商业化量子技术。欧洲产业界也联合起来加速商业量子解决方案的发展。中国最初专注于量子通信，现在也非常关注量子计算。中国在2016年启动了五年计划，将量子计算作为国家技术主权的首要任务。在过去的十年里，中国在量子技术领域的投资超过10亿美元，另外还有1.5亿美元的启动基金投资长期计划，包括高达150亿美元的公共投资。与此同时，世界其他量子生态系统的资金和技术比较落后的地区也在进行大量活动。
1.2 私募资本
第一家商业量子计算公司成立于1999年，13年后成立了第一家量子计算软件公司。从那时起，全球已有196家初创企业成立。私募资本促成了量子计算初创企业的崛起。许多年轻的初创企业走出隐身状态，在投资推动下急剧的增长。到2020年，超过90%的投资流向了硬件厂商。然而，软件和算法初创企业的数量增长速度快于硬件初创企业。大量资本投资于硬件开发的同时，人们期望在应用领域创造更多价值，就像在当前的ICT一样。
2 量子计算的应用
量子计算是经典计算的互补性技术，在材料科学、生物学、复杂系统方面提供了革新性等影响，并影响到安全、区块链和人工智能。
量子计算可以解决新的数学问题，类似于自然界在原子和亚原子尺度上的运作方式。这些问题对应的基础科学的应用，会改变产业的游戏规则。
2.1 新型计算
量子计算为传统无法解决的问题打开了大门。例如，量子计算机具有可证明的分解大数的潜力，这种能力最直接的应用是破坏RSA加密，而RSA加密是当今大多数安全数据传输方法的基础。量子计算机擅长解决的关键数学和物理问题类型包括量子模拟、优化、量子线性代数和质因数分解。解决这些抽象问题的能力将在三大领域带来机会：材料科学、复杂系统、现有技术和研究。
2.2 关键应用领域
2.2.1 材料科学 – 进入新发现时代
原子和分子的性质以及它们之间的相互作用是由量子力学决定的，这使得量子计算机天然适合物理学、化学和生物学的建模，同时也是制药、能源、农业和材料科学进步的基础。2.2.2 复杂系统建模 – 实现更好的实时决策
量子计算机天然适合于处理数据具有固有结构和许多变量的复杂系统，增强其优化和机器学习过程，以发现新的见解，并做出更好和更精确的决策，例如金融、投资、保险产品、运输、物流、供应链和新产品设计。2.2.3 对现有技术、数字基础设施和研究的影响
量子计算有望加速机器学习算法，并为从物理到化学再到生物学和先进材料的基础科学领域提供前所未有的机遇。另一方面，它对当今数字通信的安全，乃至国家安全，都具有颠覆性的威胁。3 技术现状
随着多种技术途径的并行发展，量子计算已进入技术进步稳定期。即使今天不完美的量子计算机还没有证明量子优势，也不能运行许多有前途的工业应用，但它们已经可以用于研究、试点和商业用例评估。其硬件开发正在稳步发展，可以通过云访问进行实验。
3.1 量子计算机运行的关键部件
量子计算依赖于组件的层次结构或“堆栈”，使形成量子电路的指令能够到达量子处理器，并对量子位执行必要的操作，从而产生计算结果。
量子计算堆栈中，底层硬件和量子电路是最关键的组件。量子硬件（例如量子比特处理器或QPU）是运行量子电路的地方。量子电路是应用于多个量子位的量子操作序列。量子电路结果的组合可以推进一个程序来解决计算。
许多量子计算硬件平台需要在特定的环境中运行，包括低温冷却、超高真空和磁屏蔽。高硬件要求意味着大多数商业系统都是“即服务”的，通常是与领先的云提供商合作。
3.2 量子计算机的先进性评估
不同硬件平台的量子计算系统的发展里程碑是相同的：
1）系统必须能够创建特征良好的46量子位；
2）系统必须允许量子位被初始化，普遍控制和可测量的计算；
3）系统必须能够纠正量子比特的物理硬件实现中固有的错误；
4）系统必须能够在规模上完成上述所有工作。从长远来看，多种硬件方法很可能会共存，并基于其固有的优势，在新的量子计算生态系统中找到自己的定位。
此外，一种现有方法是量子退火，专门用于解决某些优化问题。它不是通用量子计算机，但在某种程度上更容易构建和扩展，是首批商业化可用的平台之一，目前有几千个量子位。
3.3 量子计算机的评估标准
构建具有现实应用优势的量子计算机要解决三个主要挑战：规模、质量和速度。量子位的数量解释了硬件的可扩展性，但它不能解释量子位和量子操作的质量或速度。每个指标都有其局限性，不应将其作为平台评估的独立指标。
规模：根据量子位的不同，数字可能会有很大的波动。例如，中性原子平台已经演示了289个相干量子位；然而，其纠缠的量子比特数量仅为24个量子比特。
速度：对于量子计算机，计算速度是在给定时间有效执行操作的数量。
质量：通过运行量子电路的结果的准确性来衡量的，不同复杂性的量子电路具有不同的误差性能。
其他评估系统性能的方法包括“应用程序驱动法”：着眼于执行一个特定的算法时，速度和质量的结合，以实现有用的量子优势。
3.4 运行应用程序需要的硬件
根据量子计算硬件的要求，量子应用可以分为两种类型：容错型（要求硬件级别高于三级）和短期型（可以在二级和三级硬件上运行）。
容错型：与现有计算方法相比具有可证明优势的应用，这可能需要更先进的量子计算机，能够进行量子纠错。
短期型：可以在现有的量子计算机上运行的应用程序，虽然还不清楚这些应用程序相对于经典计算机的优势。
量子应用尚未在现实场景中证明它们的优势。研究人员和企业正在试验短期型量子应用，以评估该技术的潜力。
4 解锁技术潜力
要将量子计算技术应用于现实世界，需要在几个“赋能”领域取得进展：1）劳动力的可用性和开发，2）政策和法规，3）标准化。
4.1 劳动力的可用性和发展
量子劳动力包括广泛的相关人员，如量子物理学家、计算机科学家、工程师、技术人员以及有商业、销售和政策背景的人。
除了现有的劳动力，还要注意培养未来劳动力，确保有足够多的具备相应技能的人来填补未来20年工作岗位的爆炸式增长。
4.2 政策和法规
政策告知相关工作人员如何开发和应用技术。目前的政策和法规必须考虑到量子硬件的获取、技术的伦理以及国际合作。鉴于其战略重要性，世界各地正在制定一系列广泛的政策干预措施，包括出口管制、投资筛选和战略伙伴关系。
4.3 标准化
标准化使量子产业之间能够更好地协作和交流，是将供应链连接在一起的粘合剂。标准包括量子硬件、工具、软件和算法等方面。多个国际标准组织已经参与进来。
总结
新冠疫情期间，特别是在过去一年中，量子计算在技术开发和通过云的可访问性方面取得了很大进展，推动了早期试验。促使政府和企业采取行动的强大动力包括：
首先，当量子计算机达到可用水平时，它们可能会出现供应短缺。投资或与一家开发量子计算机的公司合作则可以占尽先机。
其次，量子计算开发者需要商业合作伙伴来引导技术发展，量化技术对行业的潜在影响，找到最有效的用例，同时帮助加速技术理解和开发。
第三，除了关键应用领域，其他组织仍会受到量子计算对网络安全问题的影响。应了解潜在量子计算攻击的暴露程度，并确定必要的保护步骤。
政府和企业需要采取进一步行动，推动更多的公私合作和竞争前合作，以扩大现有劳动力发展和研究方案的规模，并就共同语言和性能标准达成共识，结合新的政策和法规，以确保合乎伦理和可靠的技术开发和使用。
文章来源｜世界经济论坛
Last modified: 2022年 11月 4日
