量子技術(shù)發(fā)力計(jì)算、通信和傳感，量子計(jì)算商業(yè)化落地或近在眼前

近日，科學(xué)家提出量子計(jì)算機(jī)處理某些學(xué)習(xí)任務(wù)的速度可以超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。相關(guān)論文發(fā)表在《科學(xué)》(Science)雜志。

隸屬于美國多家機(jī)構(gòu)(包括谷歌Quantum AI)的研究團(tuán)隊(duì)與澳大利亞研究人員，共同提出了一種理論，認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)在處理某些學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)，應(yīng)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)速度更快。在論文中，該團(tuán)隊(duì)描述了他們?cè)诠雀琛皯意從尽盨ycamore量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行測試的理論和結(jié)果。

對(duì)此，荷蘭萊頓大學(xué)副教授Vedran Dunjko在同期《科學(xué)》雜志發(fā)表了一篇Perspective前瞻性觀點(diǎn)文章，概述了這一想法：將量子計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，以研發(fā)一個(gè)具有新水平的、基于計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

機(jī)器學(xué)習(xí)是一種學(xué)習(xí)系統(tǒng)，其通過數(shù)據(jù)集訓(xùn)練過的計(jì)算機(jī)，對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行基于一定信息的猜測。量子計(jì)算則涉及使用亞原子粒子來實(shí)現(xiàn)量子比特，以期比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快執(zhí)行應(yīng)用程序。

用量子計(jì)算機(jī)直接處理量子數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)(右)，可能比用經(jīng)典計(jì)算機(jī)測量量子態(tài)并處理結(jié)果的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)(左)具有更大優(yōu)勢，圖片來自谷歌Quantum AI Hook

前述研究人員認(rèn)為，用量子計(jì)算機(jī)直接處理量子數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)，可能比用經(jīng)典計(jì)算機(jī)測量量子態(tài)并處理結(jié)果的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)具有更大優(yōu)勢。因此，他們提出在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序的想法，這或許可以使機(jī)器學(xué)習(xí)更好地進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而更具實(shí)用性。

為了驗(yàn)證前述想法是否可行，研究人員創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)，該任務(wù)可以通過多次重復(fù)的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時(shí)，他們提出了相關(guān)理論，以描述如何使用量子系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并從中學(xué)習(xí)。

研究人員表示，他們能夠證明量子計(jì)算機(jī)在前述機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)上，可以比經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)表現(xiàn)更優(yōu)異。團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)系統(tǒng)，并在谷歌“懸鈴木”Sycamore量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了測試，通過使用40個(gè)超導(dǎo)量子比特和1300個(gè)量子門進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了其理論。他們發(fā)現(xiàn)，量子計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)一個(gè)概念所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)比經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)要低四個(gè)數(shù)量級(jí)，并且這種優(yōu)勢在預(yù)測物理系統(tǒng)的性質(zhì)、執(zhí)行量子主成分分析和學(xué)習(xí)物理動(dòng)力學(xué)方面均得到了展示。

盡管量子計(jì)算行業(yè)目前仍處于早期探索階段，但是作為頗具前景的科技領(lǐng)域，量子計(jì)算在全球已經(jīng)吸引越來越多企業(yè)布局，谷歌、微軟、亞馬遜、IBM、英特爾等大型科技公司都在開發(fā)自己的量子計(jì)算硬件，IonQ、Rigetti、PsiQuantum、QunaSys等量子技術(shù)公司也已獲得數(shù)億美元的風(fēng)險(xiǎn)投資。根據(jù)前沿科技咨詢公司ICV統(tǒng)計(jì)，2021年全球量子科技公司完成了50筆合計(jì)32億美元融資。進(jìn)入2022年，量子科技公司融資仍保持快速增長，2022年第一季度Q1，全球量子科技公司完成了18筆合計(jì)7億美元融資。

在國內(nèi)量子計(jì)算領(lǐng)域，目前主要參與者有中國科學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)等高校和科研機(jī)構(gòu)，阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室、百度量子計(jì)算研究所、騰訊量子實(shí)驗(yàn)室、華為、京東探索研究院等企業(yè)科研機(jī)構(gòu)以及國盾量子、圖靈量子、本源量子、啟科量子等量子科技公司。

金融行業(yè) “牽手”量子計(jì)算

蔡崇信進(jìn)軍的量子AI計(jì)算金融科技領(lǐng)域，正是一個(gè)具有足夠想象空間的市場。麥肯錫和摩根大通等機(jī)構(gòu)的多份報(bào)告均指出，金融是最有可能率先通過量子計(jì)算獲益的行業(yè)之一。

有分析指出，由于量子計(jì)算使用了量子特有的物理效應(yīng)來處理信息，因此目前的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要數(shù)十億年才能解決一些數(shù)學(xué)問題，未來的量子計(jì)算可能在幾周、幾天或幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就能找到答案。作為最前沿的科技技術(shù)，量子計(jì)算可廣泛賦能金融行業(yè)各細(xì)分領(lǐng)域，應(yīng)用涉及資產(chǎn)配置場景優(yōu)化、資本市場的風(fēng)險(xiǎn)分析、保險(xiǎn)業(yè)的災(zāi)難性風(fēng)險(xiǎn)建模、以及加密安全等方面。

以投資組合優(yōu)化這一金融行業(yè)受關(guān)注度最高、收益率最明顯的計(jì)算場景為例，當(dāng)前在金融服務(wù)資產(chǎn)配置上，想要調(diào)整投資組合以跟上市場走勢，在很大程度上受到算力限制和交易成本的限制，此類問題對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說特別難以解決，需要很長的時(shí)間。而量子技術(shù)可能有助于減少當(dāng)今交易環(huán)境的復(fù)雜性，其組合優(yōu)化能力可使投資經(jīng)理提高投資組合的多樣化和重新平衡投資組合，以便更快地對(duì)市場狀況作出反應(yīng)。

在市場風(fēng)險(xiǎn)分析方面，蒙特卡洛模型(Monte Carlo)是分析該類風(fēng)險(xiǎn)的主要方法，它是一種通過統(tǒng)計(jì)采樣系統(tǒng)來對(duì)系統(tǒng)屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的技術(shù)。據(jù)公開資料表明，由于蒙特卡洛模型本身是隨機(jī)的，會(huì)有誤差，在許多金融場景中，為達(dá)到所需的結(jié)果，需要的模擬次數(shù)非常多。而量子算法可以高效改進(jìn)這些計(jì)算，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)場景，并且通過量子干涉減少模擬中的誤差。只需要在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬這些量子效應(yīng)，就可以利用量子計(jì)算方法來設(shè)計(jì)更快的蒙特卡洛抽樣策略。

此外，在精算和風(fēng)險(xiǎn)建模等資源密集型計(jì)算方面，量子計(jì)算不僅可以突破經(jīng)典計(jì)算的極限，大大加快計(jì)算速度，還能提供更準(zhǔn)確的結(jié)果?？梢灶A(yù)見，量子計(jì)算解決方案將全新改變金融行業(yè)各細(xì)分領(lǐng)域的管理優(yōu)化方式。由龐大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的金融AI是量子計(jì)算商業(yè)化落地的首選之一，量子計(jì)算也將成為其創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的核心來源。

當(dāng)前金融賽道中的量子計(jì)算

事實(shí)上，量子計(jì)算對(duì)于金融行業(yè)來說，并不是一件新鮮事。早在2017年，巴克萊銀行就開始率先探索量子技術(shù)在金融領(lǐng)域的應(yīng)用場景，此后摩根大通、高盛集團(tuán)、富國銀行等國際頭部金融機(jī)構(gòu)紛紛組建量子研究團(tuán)隊(duì)開展量子技術(shù)相關(guān)研究。2021年9月，高盛宣布將在最快5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)使用量子計(jì)算為金融工具定價(jià)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球已有超過25家國際大型銀行及金融機(jī)構(gòu)與量子計(jì)算企業(yè)開展合作研究。

6月14日，霍尼韋爾旗下量子計(jì)算公司Quantinuum宣布對(duì)其離子阱量子計(jì)算機(jī)System Model H1進(jìn)行重大技術(shù)升級(jí)，包括擴(kuò)展到20個(gè)全連接量子比特[1]，并增加可以并行完成的量子操作的數(shù)量。

這些改進(jìn)大大增強(qiáng)了由霍尼韋爾提供支持的H1-1量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，自2020年秋季首次亮相以來，該計(jì)算機(jī)在量子體積(衡量整體性能的指標(biāo))方面創(chuàng)下了多項(xiàng)行業(yè)紀(jì)錄。

今年4月，Quantinuum宣布12量子比特H1-2量子計(jì)算機(jī)的性能翻了一番，成為第一臺(tái)通過4096量子體積(QV)的商用量子計(jì)算機(jī)。根據(jù)量子體積計(jì)算公式，4096 QV已經(jīng)是12量子比特系統(tǒng)的極限了，隨著將其量子比特?cái)?shù)量增加至20個(gè)了，理論上最高可實(shí)現(xiàn)100萬QV。

Quantinuum總裁兼首席運(yùn)營官Tony Uttley說：“通過這些升級(jí)，開發(fā)人員能夠在不犧牲性能的情況下運(yùn)行比以前更復(fù)雜的計(jì)算。此次升級(jí)是我們獨(dú)特商業(yè)模式的又一個(gè)例子，我們不斷升級(jí)系統(tǒng)，即使在系統(tǒng)投入商業(yè)使用之后，也能為用戶提供最佳性能?！?

量子技術(shù)有潛力解決一些最棘手的全球挑戰(zhàn)，包括限制全球變暖和縮短藥物發(fā)現(xiàn)時(shí)間等，解決這些挑戰(zhàn)將會(huì)改變游戲規(guī)則。

麥肯錫最新研究報(bào)告《量子技術(shù)監(jiān)測》(Quantum Technology Monitor)指出，為了使該技術(shù)實(shí)現(xiàn)其承諾，公共和私人資金持續(xù)飆升。制藥、化工、汽車和金融這四個(gè)行業(yè)仍然有望成為“量子優(yōu)勢”的第一批受益者，最早在2035年有望實(shí)現(xiàn)近7000億美元的價(jià)值。

量子技術(shù)(QT)主要分為三個(gè)領(lǐng)域：計(jì)算、通信和傳感。

量子計(jì)算(QC)是一種新的計(jì)算技術(shù)：利用量子力學(xué)定律，為一些應(yīng)用提供指數(shù)級(jí)的性能改進(jìn)，有可能實(shí)現(xiàn)全新的計(jì)算領(lǐng)域。一些早期的量子硬件產(chǎn)品是特殊用途的量子計(jì)算機(jī)，也稱為量子模擬器。

量子傳感(QS)是由量子系統(tǒng)構(gòu)建的新一代傳感器。它可以提供對(duì)各種量(例如，重力、時(shí)間、電磁)的測量，比經(jīng)典傳感器的靈敏度高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

量子通信(QComms)是量子信息的跨空間安全傳輸。它由量子密碼學(xué)實(shí)現(xiàn)，即使面對(duì)無限的(量子)計(jì)算能力也可以確保通信的安全性。

2021年下半年以來，IonQ成功上市，成為史上第一家上市的純量子計(jì)算企業(yè);霍尼韋爾量子解決方案公司和劍橋量子公司合并成為Quantinuum;Rigetti也在與特殊目的收購公司(SPAC)Supernova合并后正式上市;本源量子發(fā)布了到2025年交付1024比特量子計(jì)算機(jī)的路線圖;亞馬遜AWS在加州理工學(xué)院開設(shè)了其量子計(jì)算中心。

不同領(lǐng)域的量子技術(shù)中，QS和QComms在2021年下半年資金增幅最高;然而，QC仍然擁有最多的資金(自2001年以來共30億美元)和公司(228家)。