金融量子計算行業(yè)發(fā)展報告

1、 2020金融量子計算發(fā)展報告 量子計算的發(fā)展現(xiàn)狀與市場格局國內(nèi)外科技巨頭爭相布局國內(nèi)科技巨頭已開始爭相布局量子計算技術(shù)領(lǐng)域，邀請了數(shù)名頂尖學(xué)者、科學(xué)家擔任負責人，并仍在全球大力招攬技術(shù)人才。華為從2012年開始就專門成立量子實驗室，探索量子科技。2018年，華為發(fā)布量子計算模擬器HiQ云服務(wù)平臺。2015年，阿里云與中國科學(xué)院共同成立“中國科學(xué)院-阿里巴巴量子計算實驗室”，開展量子計算的前瞻性研究，聯(lián)合開發(fā)出“量子計算云平臺”，這是阿里跨入量子計算領(lǐng)域的第一步。2018年2月，中科院宣布聯(lián)合阿里云打造11量子比特超導(dǎo)量子計算的云平臺。當年5月，阿里達摩院宣布已經(jīng)開始研發(fā)超導(dǎo)量子芯片和量子計算

2、系統(tǒng)。騰訊于2017年12月宣布成立量子實驗室，網(wǎng)羅量子相關(guān)的算法、復(fù)雜性、通訊、模擬、量子物理、量子化學(xué)等各方面的人才，有計劃跟人工智能技術(shù)相結(jié)合。百度直到2018年3月8日才宣布成立量子計算研究所，開展量子計算軟件和信息技術(shù)應(yīng)用業(yè)務(wù)研究。百度計劃在五年內(nèi)組建世界一流的量子計算研究所，并逐步將量子計算融入到業(yè)務(wù)中。2020年5月，百度飛槳發(fā)布量子機器學(xué)習開發(fā)工具“量槳”(PaddleQuantum)。國際上，早從2015年開始這場競賽就已經(jīng)很激烈了，科技巨頭都在量子計算領(lǐng)域投入數(shù)千萬美元研發(fā)，發(fā)力量子計算押注十年后的未來。主要的玩家有Google，IBM，Intel，Microsoft等。其

3、中，Intel在2018年年初交付了49量子比特的超導(dǎo)測試芯片，這款芯片代表著該公司在開發(fā)從架構(gòu)到算法再到控制電路的完整量子計算系統(tǒng)方面的“一個重要里程碑”，將使得研究人員能夠評估和改進糾錯技術(shù)，并模擬一些計算問題。2017年年底，IBM成功建成并測試全球首臺50個量子比特的量子計算原型機。2020年9月，IBM還發(fā)布了擴展量子技術(shù)路線圖，計劃3年內(nèi)將量子比特數(shù)量拓展到驚人的1000個以上。2018年3月，谷歌宣布推出一款72個量子比特的通用量子計算機Bristlecone，在量子比特數(shù)目上達到全球第一。2020年初，Google推出了量子機器學(xué)習庫Tensor?Flow Quantum，進一

4、步強化量子計算領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。Amazon則于2019年底宣布提供量子計算云服務(wù)，正式入局量子領(lǐng)域，今年8月將其Braket量子計算云平臺推出上市。全球各國政府高度重視2018年11月，美國商務(wù)部工業(yè)安全署（BIS）出臺了最新技術(shù)出口管制先期通知，根據(jù)這份框架，美國政府考慮對14個類別的科技關(guān)鍵領(lǐng)域進行管制，包括人工智能、芯片、量子計算、機器人等被認為涉及國家安全和高技術(shù)的前沿科技。此舉措可見美國對量子計算技術(shù)極其高度重視。因為具有極為重大的應(yīng)用價值，量子技術(shù)受到了各國政府的高度重視，各國攻關(guān)量子計算機的戰(zhàn)略已經(jīng)明確，近年來，多個國家投入巨資啟動量子計算研發(fā)。美國是最早將量子信息技術(shù)列為國防與

5、安全研發(fā)計劃的國家。作為量子理論的發(fā)源地，歐洲高度重視量子信息技術(shù)對國家安全、經(jīng)濟發(fā)展等方面的影響，投入眾多資源大力發(fā)展相關(guān)技術(shù)。此外，日本、韓國、新加坡、加拿大等科技強國均發(fā)布了自己的“量子信息科學(xué)發(fā)展計劃”。日本計劃10年內(nèi)在量子計算領(lǐng)域投資3.6億美元，加拿大已投入2.1億美元資助滑鐵盧大學(xué)的量子研究等。我國政府近年在政策上也給予了大力支持與明確指導(dǎo)（見表2）。2017年，我國宣布斥資100億美元在合肥市建設(shè)一個國家級量子科學(xué)實驗室，將在2020年正式投入使用，該實驗室有兩個主要的研究目標量子計量和建立量子計算機。2018年5月，中國科學(xué)院也宣布最新成果，由中科大、中國科學(xué)院-阿里巴巴量

6、子核算實驗室、浙江大學(xué)、中科院物理所等單位或公司聯(lián)合研制的光量子計算機正式誕生。量子計算的技術(shù)原理量子的特性物理學(xué)中描述解釋原子、電子、光子等以下層級微觀粒子運動規(guī)律時，有一套區(qū)別于宏觀經(jīng)典物理的世界觀和研究體系，被稱為“量子力學(xué)”（Quantum Mechanics）。日常我們所見的物體 都是海量微觀粒子在宏觀層級的匯聚，可以用經(jīng)典力學(xué)解釋，但要深入到微觀尺度上，粒子的運動規(guī)律與我們的直觀認識大相徑庭，就需要運用量子的視角來解釋和操縱。這些運動規(guī)律和粒子的狀態(tài)不能用經(jīng)典力學(xué)以確定性的方式刻畫，因為它是概率性的、內(nèi)生不確定性的，這些微觀粒子組成了一個量子系統(tǒng)。這個量子系統(tǒng)具有以下幾條非常獨特的

7、性質(zhì)。1.波粒二象性（wave-particle duality）：一個量子對象同時具有波和粒子的性質(zhì)，系統(tǒng)的演化狀態(tài)可以用波的方程表達，但對系統(tǒng)的測度卻要用粒子的方式來對待。2.量子疊加（superposition）：一個量子處于不同狀態(tài)的非常模糊、概率性的疊加態(tài)上，可以同時處于多個狀態(tài)上，測不準其狀態(tài)。3.量子測量（measurement）：粒子一旦被測量，其狀態(tài)就會被根本改變，所以量子世界的測量極其困難。4.量子相干（coherence）：如果一個量子系統(tǒng)的各個狀態(tài)能夠被一組復(fù)數(shù)刻畫，那么這個系統(tǒng)處于“相干態(tài)”，它是量子滿足各種微觀性質(zhì)的必要條件，也有利于人們觀察量子。但是如果量子系統(tǒng)被

8、外部環(huán)境干擾了，每種狀態(tài)就會變得概率化，不再保持理想的量子純態(tài)，發(fā)生逐漸“退相干”（decohere）。相干性和上一條量子測量的特性表明，要觀察和測度量子而不讓它被環(huán)境破壞，本身就是非常矛盾的。5.量子糾纏（entanglement）。量子世界中不同粒子之間有無法用經(jīng)典規(guī)律理解的整體關(guān)聯(lián)性，不能分開來描述個別粒子，一旦改變某個粒子，會影響到其他粒子。這5條量子的特殊性質(zhì)使得量子技術(shù)具有傳統(tǒng)技術(shù)無法匹敵的巨大優(yōu)點，在計算、加密、仿真等方面都有不同尋常的能力，產(chǎn)生了量子計算、量子通信、量子仿真、量子傳感等全新的技術(shù)體系。量子計算的概念和優(yōu)勢量子計算是量子技術(shù)最主要的應(yīng)用之一。經(jīng)典的計算機是通過一串

9、二進制代碼 0 和 1 來編碼和操縱信息，1個經(jīng)典比特（bit）只能存儲0或者1一個值。但量子計算機不同，量子計算機是用“原子”和光子做的。量子計算機運行的物理過程，就是單量子尺度上的原子光子相互作用。它具有像比特一樣攜帶信息的結(jié)構(gòu)組件，稱為“量子比特”（qubit）。量子比特既具有經(jīng)典計算機的0-1數(shù)字電路特性，又因為處于0和1在不同概率下的疊加態(tài)上，就具備了同時存儲多個連續(xù)值的能力，即模擬電路的特性。所以量子計算機與經(jīng)典計算機的設(shè)計思路迥異，具有非常大的計算潛力。考慮一個N個物理比特的存儲器，若它是經(jīng)典存儲器，則它只能存儲2N個可能數(shù)據(jù)當中的任一個；若它是量子存儲器，則它可以同時存儲2N個

10、數(shù)，因為量子疊加的原理使之可用2N個復(fù)系數(shù)就能表達出這些數(shù)字。例如一個250量子比特的存儲器可能存儲的數(shù)達2250,比現(xiàn)有已知的宇宙中全部原子數(shù)目還要多。而且，由于數(shù)學(xué)操作可以同時對存儲器中全部的數(shù)據(jù)進行，因此，量子計算機在實施一次的運算中可以同時對2N個輸入數(shù)進行數(shù)學(xué)運算。其效果相當于經(jīng)典計算機要重復(fù)實施2N次操作，或者采用2N個不同處理器實行并行操作?？梢?，量子計算機相當于提供了一個天然的并行運算，可以節(jié)省大量的運算資源。當量子比特數(shù)量增加到N個時，它的存儲和計算能力比經(jīng)典計算機有了指數(shù)級提升，達到2N?！傲孔影詸?quán)”（quantum supremacy）一詞應(yīng)運而生。量子計算機擁有遠遠超乎

11、經(jīng)典計算機的計算能力，現(xiàn)在用經(jīng)典計算機難以破解的加密算法都會被輕易破解。非常著名的一個難題就是大數(shù)的質(zhì)因數(shù)分解，據(jù)我國量子技術(shù)的領(lǐng)軍人物潘建偉院士介紹，利用一臺萬億次的經(jīng)典計算機對一個300位的整數(shù)進行質(zhì)因數(shù)，需耗時大約15萬年，量子計算機上大致只需1秒鐘。但是，量子計算機并不是為了替代經(jīng)典計算機，二者有不同的用處，猶如火箭飛機不能替代汽車自行車，各有所長。它的用處在于解決一些經(jīng)典。計算機不能解決的特殊問題，比如復(fù)雜微觀系統(tǒng)的模擬。BCG在一份研究報告中，提出了相比于經(jīng)典計算，量子計算有以下三類速度優(yōu)勢，不同類型任務(wù)的優(yōu)勢大小不一樣。1、顯著的速度優(yōu)勢當用于化學(xué)相關(guān)研發(fā)時，速度優(yōu)勢非常顯著。目

12、前，對于分子間相互作用的模擬計算復(fù)雜程度隨著分子數(shù)目的增加呈指數(shù)性增長，就跟求大數(shù)因數(shù)分解似的。量子處理器可以一次性考慮所有的可能交互，并求解最低能量狀態(tài)，即對應(yīng)實際的分子交互模式?；诖耍珺CG預(yù)測2030年的，在制藥行業(yè)，量子計算市場規(guī)模將達200億美元，化學(xué)、材料科學(xué)等科技密集型產(chǎn)業(yè)的規(guī)模將達70億美元。2、溫和的速度優(yōu)勢面向非結(jié)構(gòu)化的搜索任務(wù)，包括一些機器學(xué)習的應(yīng)用，運算時間也會隨著問題規(guī)模指數(shù)性增長。此時，量子算法的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。有一個經(jīng)典算法Grover搜索，利用量子態(tài)的糾纏特性和量子并行計算原理，運算時間僅隨著問題規(guī)模線性增長。今天，大規(guī)模的搜索和機器學(xué)習問題是通過大量的、并

13、行的、專門的GPU來解決的。BCG預(yù)測，到2030年，此類取代基于GPU的算法應(yīng)用規(guī)模將超200億美元。3、富有潛力的速度優(yōu)勢當前的經(jīng)典計算在解決物流優(yōu)化等復(fù)雜操作網(wǎng)絡(luò)問題時已經(jīng)顯現(xiàn)了良好的性能。根據(jù)調(diào)研，基于現(xiàn)有算法的可用性，企業(yè)認為暫無必要用量子計算替換經(jīng)典計算。盡管如此，量子計算具有獨特的速度優(yōu)勢，當此類問題規(guī)模達到一定程度時，量子計算依然有其價值潛力。量子計算的技術(shù)難點量子計算目前處于基礎(chǔ)研究和原型開發(fā)階段，甚至在基礎(chǔ)的物理研究上尚未有本質(zhì)突破。量子計算的技術(shù)難點主要有如下三點：第一，操作和控制量子很難。量子相干和測量的特征決定了制造量子計算機的第一步操控單量子，實現(xiàn)單個原子、光子的非

14、破壞測量與控制，就是很大的難點。何況，量子計算機若要進入商業(yè)化，必須提高量子比特的數(shù)量，但量子糾纏的特性使量子數(shù)目提高后的操控難度加大，出錯概率上升。目前科學(xué)家發(fā)明了若干種可控的量子系統(tǒng)，最領(lǐng)先的量子計算實驗系統(tǒng)只有兩種一個是離子阱，另一個是超導(dǎo)量子電路。其中超導(dǎo)量子電路被視為最有希望的硬件平臺。它是一套可以在宏觀尺度上對光子和原子進行相互控制和測量的“人造工具箱”。它的各種參數(shù)和性質(zhì)不是由大自然設(shè)定，而是可以通過設(shè)計在很大范圍內(nèi)進行調(diào)整，讓科學(xué)家可以通過工程方法解決各種實驗問題。第二，觀察和測量量子的極端困難性。人們要觀察和測量量子，才能用它來制造計算機。但是，要觀察和操作量子，必然會使之與

15、環(huán)境互動。量子在與環(huán)境互動過程中會失去量子的純正特性，發(fā)生“退相干”。量子退相干的時間就是“相干時間”（coherence time），目前所以最好的超導(dǎo)人造原子相干時間只能維持10到100微秒，所以量子計算機最多只能連續(xù)工作萬分之一秒。第三，量子糾錯是目前最大的瓶頸。為了克服量子退相干丟失信息的問題，我們會想到糾錯。糾錯在經(jīng)典信息技術(shù)中就很常見，對信息復(fù)制多個副本來防止個別副本的錯誤。在經(jīng)典計算機中，信息能夠在不同的計算機甚至不同文件夾中能夠復(fù)制，能夠在內(nèi)存中讀寫。但是量子具有不可復(fù)制的特性（no-cloning principle），因為復(fù)制之前需要量子觀測，這會改變量子的特性。于是人們發(fā)

16、明了量子糾錯技術(shù)（quantum errorcorrection），把一量子比特信息分散存儲在幾個高度糾纏的量子比特里。單獨的天然或人造原子稱為物理量子比特（physical qubit），人們通過集成多個冗余的物理量子比特和“量子門操作”（quantum gate operation）形成容錯的邏輯量子比特（fault-tolerant logical qubit），定期地測度這些額外的物理量子比特，發(fā)現(xiàn)錯誤征狀來查錯糾錯。經(jīng)過量子糾錯，邏輯量子比特的壽命會遠超過物理量子比特的相干時間，這才是真正能實用的量子比特。不過，量子糾錯會產(chǎn)生大量的資源消耗，因為一個邏輯量子比特需要多個物理量子比特以

17、及邏輯操作時的門電路，所以盡量降低資源消耗和錯誤概率成為量子糾錯算法領(lǐng)域的重要研究問題，但仍然比較困難。到目前，任何實驗系統(tǒng)都沒能做出邏輯量子比特。沒有量子糾錯的“量子計算機”就只能在相干時間內(nèi)做一些最簡單的運算。Google、IBM等公司近兩年一直在比拼芯片上“量子比特”的數(shù)量，但其實只是壽命幾十微秒的物理量子比特，邏輯量子比特的數(shù)量都是零。研究者們退而求其次，發(fā)明了“量子錯誤減少”（quantum error mitiga?tion）策略，較為溫和地減少量子計算的錯誤率，支持簡單計算，延長退相干時間。技術(shù)現(xiàn)狀和市場未來1、技術(shù)現(xiàn)狀和趨勢正如上一節(jié)所述，量子技術(shù)的難度非常大，圖 1是Scie

18、nce 雜志上的“量子計算難度臺階圖”。下一層實驗是上一層實驗的基礎(chǔ)，但這并不是一個直線升級過程為了上一個新臺階，在它之下的所有臺階都必須不斷優(yōu)化。所以，臺階越高，工作量就越大，量子計算機難度倍增。目前世界上的所有研究還停留在第三層以下，尚未突破第四層。Gartner在2018年新興技術(shù)熱度圖中，量子計算正處于創(chuàng)新點燃的爬坡期，受到較為狂熱的關(guān)注度。但Gartner指出，量子計算距離商業(yè)化至少還有5-10年時間。同樣地，美國國家科學(xué)工程和醫(yī)學(xué)院在近日的一份重要報告量子計算的進展和未來中2 ，明確提煉出一個重要觀點：“鑒于量子計算的現(xiàn)狀和最近取得進展的速度，在未來十年內(nèi)制造出能夠破解RSA204

19、8或類似的基于離散對數(shù)的公鑰加密系統(tǒng)的量子計算機是非常意外的事?！?該報告聲稱：“如果計算足夠可靠以支持大規(guī)模環(huán)境下的糾錯，如今較龐大的量子設(shè)備中量子比特的平均錯誤率需要降低至十分之一或百分之一；在這樣的錯誤率下，這些設(shè)備所擁有的物理量子比特數(shù)量就需要至少增加10萬倍，那樣才能制造出實用數(shù)量的有效邏輯量子比特。”2、市場規(guī)模預(yù)測盡管技術(shù)達到比較成熟的商業(yè)化至少需要10年時間，但量子計算作為一項備受關(guān)注的重要新興技術(shù)，被Gartner列為“2019年Top 10 戰(zhàn)略技術(shù)”之一，業(yè)界對于量子計算的商業(yè)化路徑和市場空間進行了多種預(yù)測。（1）IDC預(yù)測知名的信息技術(shù)、電信行業(yè)和消費科技咨詢公司IDC

20、認為，量子計算商業(yè)化的過渡路徑是將量子和古典計算結(jié)合成一個“混合量子/古典”層來加速計算，應(yīng)用程序可以通過API選擇量子計算（或傳統(tǒng)計算）作為計算層。這種方法使應(yīng)用程序能夠分時共享基于云的量子計算資源，這些資源由公共云服務(wù)提供商提供。在商業(yè)化早期，該異構(gòu)解決方案將成為標準的應(yīng)用模式。在該異構(gòu)方案基礎(chǔ)上，IDC提出了量子計算三步走的預(yù)測：第一，現(xiàn)有的工作負載隨著時間推移而轉(zhuǎn)移到混合量子計算，并最終成為量子計算的用例。第二，全新的基于量子計算的工作負載，這些工作負載只能在量子計算機上運行。第三，到2027年大多數(shù)云計算的應(yīng)用程序?qū)⑥D(zhuǎn)變?yōu)榱孔觾?yōu)先的用例，在處理超出傳統(tǒng)計算機處理能力的數(shù)據(jù)集時，會自動

21、調(diào)用量子代碼，與此同時這樣的應(yīng)用程序?qū)⒃谠S多中大型企業(yè)中運行，用來解決一些新的計算問題。IDC預(yù)測，2027年時全球的量子計算規(guī)模將比現(xiàn)在高出40倍，市場空間將達到107億美元。（2）BCG預(yù)測BCG認為，量子計算要進入商業(yè)化運作，至少要讓邏輯量子比特達到一定數(shù)量。2017年底，已經(jīng)有研究人員以99.9%的邏輯成功率實現(xiàn)了14個量子比特的糾纏。量子模擬大約需要150個邏輯量子比特，每一個邏輯量子比特都由10到數(shù)千個物理量子比特組成。為了達到這一步，它與IDC一樣，預(yù)計需要“三步走”，只是這個“三步走”要經(jīng)過未來25年的發(fā)展。在第一階段(2018年-2028年)，工程師們將開發(fā)非通用量子計算機，

22、用于低復(fù)雜性模擬等應(yīng)用。這些計算機的大部分開發(fā)將在未來幾年進行，它們將一直使用到第二代到來之前。第二階段(2028年-2039年)將是量子計算機擴展到50個邏輯量子比特并在經(jīng)典計算的基礎(chǔ)上取得“量子優(yōu)勢”的時期這意味著它們將能夠在特定的應(yīng)用中更快地執(zhí)行某些算法。第二代量子計算將集中在分子模擬、研發(fā)和軟件開發(fā)等問題上。在此期間，可用的應(yīng)用程序?qū)⑦M入市場，創(chuàng)造重大價值。與此同時，量子信息處理作為一個領(lǐng)域?qū)M一步發(fā)展，企業(yè)將會更加熟悉量子模擬的方法。在第三階段(2031年-2042年)中，量子計算機將在高級模擬、搜索和優(yōu)化的商業(yè)應(yīng)用取得比經(jīng)典方法更有顯著優(yōu)勢的規(guī)模?？傮w看來，BCG預(yù)計量子計算將在

23、未來十年穩(wěn)步發(fā)展，到2030年左右將出現(xiàn)顯著加速發(fā)展。BCG預(yù)測，假設(shè)量子糾錯技術(shù)的發(fā)展速度按照摩爾定律前進，并且技術(shù)遵循S型曲線，那么該基準情景下的量子計算應(yīng)用市場在2035年將達到20億美元左右；到2050年，隨著應(yīng)用的增多，市場將飆升至2600億美元以上。如果在樂觀情景下，量子糾錯技術(shù)的發(fā)展很快，那么2030年在制藥行業(yè)，量子計算市場規(guī)模將達200億美元，化學(xué)、材料科學(xué)等科技密集型產(chǎn)業(yè)的規(guī)模將達70億美元；2035年的市場規(guī)模約為600億美元，到2050年將增長至2950億美元。如果僅看近10年情況，BCG在另一份研究報告中預(yù)測3 ，2022年前，學(xué)術(shù)界的量子計算市場年增長率為44.8%

24、，政府為46.5%；從2022年到2027年，企業(yè)應(yīng)用市場被打開，其中金融界會以72.4%的年增長率進入到這個市場，還有化工界（增長率72.4%）和能源界（增長率64.9%）。按應(yīng)用領(lǐng)域分，從2022年到2027年，金融分析市場的年增長率為62.6%，隨后是廣告和機器學(xué)習。2027年，整個市場將達到13億美元。（3）其他預(yù)測除了IDC和BCG之外，也有若干家機構(gòu)預(yù)測了量子計算的未來市場。Tratica預(yù)測，2025年的全球市場規(guī)模將達到22億美元；Market ResearchFuture預(yù)測，2022年就是2.5億美元；PersistenceMarket Research預(yù)測，2025年的全

25、球市場規(guī)模為230億美元，年復(fù)合增長率是30.9%；著名統(tǒng)計機構(gòu)Statistica則大膽預(yù)測2024年的市場規(guī)模則將達107億美元，其中企業(yè)界貢獻84.5億美元，而政府的科研資助金額將達到22.5億美元。各家機構(gòu)對量子計算的市場空間規(guī)模、時間點的預(yù)測相差迥異。其中BCG的基準情景預(yù)測是基于摩爾定律推算。美國國家科學(xué)院的報告指出，量子世界是否適用于摩爾定律還有待觀測，因為摩爾定律本質(zhì)上是生產(chǎn)、投資正向反饋下的加速學(xué)習曲線，如果量子計算無法呈現(xiàn)出正向反饋的加速學(xué)習，那么就無法達到摩爾定律。因此，BCG的基準情景預(yù)測雖然在各種預(yù)測中最為悲觀，但相對謹慎可靠。綜合而言，十年后即2030年左右，全球量

26、子計算市場規(guī)模至少達到20億美元，最樂觀情境下達到200億美元。市場規(guī)模年增長率至少在20%以上，并持續(xù)到將近2050年。量子計算的應(yīng)用價值作為具有超強計算能力的未來計算機，量子計算在多種計算場景上能發(fā)揮獨特的應(yīng)用，并在多個垂直行業(yè)中體現(xiàn)應(yīng)用的價值。下圖 3從計算問題和垂直行業(yè)兩個視角構(gòu)建了量子計算的應(yīng)用矩陣?？梢钥吹剑孔佑嬎氵m用于優(yōu)化、仿真、傳感測量、密碼學(xué)、人工智能等多個計算場景，從而適用于金融、化工、材料、醫(yī)療、制藥、通訊、能源、基礎(chǔ)物理和計算機科學(xué)等多個不同的垂直行業(yè)需要。計算場景1)量子優(yōu)化（quantum-assisted optimization）運籌學(xué)、物理學(xué)、社會科學(xué)以及各

27、個行業(yè)中所有 涉及量化計算的一個核心與困難的計算任務(wù)是優(yōu)化。這些問題往往有指數(shù)級的計算復(fù)雜度（業(yè)內(nèi)術(shù)語稱為NP-hard），經(jīng)典計算機的計算速度太慢。想象一個由成千上萬個由橋梁連接起來的群島，需要找到一條只穿過每個島嶼一次的道路所謂的“一筆畫”問題）?？赡艿慕鉀Q方案的數(shù)量隨著島嶼的數(shù)量呈指數(shù)級增長。如果我們假想的 島嶼難題有100萬種可能的解決方案，那么一臺 經(jīng)典計算機平均需要50萬次嘗試才能找到合適 的解決方案。運行量子搜索特定的Grover算法，需1000次就能解決問題速度快500倍。短期內(nèi)，人們可以開發(fā)將量子計算和經(jīng)典計算機混合的“量子近似優(yōu)化算法”（quantum approximat

28、e optimization algorithm），經(jīng)典計算機來指揮量子處理器如何排布量子比特，量子處理器來具體解決優(yōu)化。2)量子仿真（quantum simulation）經(jīng)典計算機在仿真模擬高度動態(tài)復(fù)雜的問題時會出現(xiàn)很大困難，例如對環(huán)境參數(shù)變動高度靈敏的天氣預(yù)報系統(tǒng)。對于微觀粒子的運動模擬，經(jīng)典計算機更是捉襟見肘。而量子計算機則具有很大優(yōu)勢來仿真量子力學(xué)。3)量子傳感測量（quantum sensing）量子技術(shù)對于某些傳感測量問題具有很好的優(yōu)勢，由于量子不可測原理，它能偵測到極度輕微的力的變化，因此比其他傳感技術(shù)具有更高的靈敏度和分辨率。4)量子密碼學(xué)（quantum cryptogra

29、phy）由于量子計算機驚人的計算能力，它對能抵御經(jīng)典計算機的當前公鑰密碼體系具有極強的破壞力。經(jīng)典的非對稱加密體系運用RCA算法、ECC橢圓曲線算法等來創(chuàng)建公私鑰，但這些算法根基在于大數(shù)字的質(zhì)因數(shù)分解、離散對數(shù)等數(shù)學(xué)難題上。常規(guī)計算機對這些難題的解決能力很弱，但量子算法例如Shor算法能夠?qū)⒅笖?shù)級運算時間降低到多項式級，Grover算法也可將O(N)級時間降到開方級，大大加快了運算時間。有估計，2027年量子計算能夠在10分鐘左右破解加密簽名。哈希加密的信息同樣很可能會在很短時間內(nèi)得到破解。為了解決潛在的威脅，密碼技術(shù)同樣在不斷改進，人們正在研發(fā)改進新的加密技術(shù)，即“抗量子的加密技術(shù)”（qua

30、ntum-resistantcryptography）。5)量子計算與人工智能以機器學(xué)習、深度學(xué)習為主要技術(shù)代表的人工智能是量子計算應(yīng)用的另一大重要場合，是量子優(yōu)化和仿真技術(shù)在特定領(lǐng)域的延伸。搜索算法以及基于機器學(xué)習的大型多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要在大型數(shù)據(jù)集以及通過反復(fù)試驗和監(jiān)督學(xué)習獲得大量結(jié)果的基礎(chǔ)上進行訓(xùn)練。雖然機器學(xué)習和人工智能已經(jīng)通過大型數(shù)據(jù)集和并行、低成本GPU、專用AI芯片的結(jié)合成為現(xiàn)實，但量子計算機可以加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，并增加它們能夠處理的數(shù)據(jù)量。該項應(yīng)用是一個活躍的研究領(lǐng)域，因為科學(xué)家和工程師試圖識別可以用于解決機器學(xué)習的量子算法。BCG預(yù)測，量子計算機相對于傳統(tǒng)計算機的基本優(yōu)勢可能

31、導(dǎo)致到2030年時有200億美元的高性能機器學(xué)習計算市場將被取代。不過，也有專家認為，量子計算機用于深度學(xué)習的優(yōu)勢并不一定有想象中的那么大4 。量子計算的優(yōu)勢在于將在經(jīng)典計算機下的大量經(jīng)典數(shù)據(jù)（classical data）以非常簡潔的形式表達出來，例如將一個N維向量用logN個量子比特即可表達，但真正的瓶頸在于大量經(jīng)典數(shù)據(jù)編碼存入量子網(wǎng)絡(luò)或讀取出來時的成本太大，因為量子狀態(tài)數(shù)據(jù)和經(jīng)典狀態(tài)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換有損耗。因此，量子深度學(xué)習更有優(yōu)勢的場景應(yīng)該是輸入輸出數(shù)據(jù)都是量子態(tài)，處于不確定概率分布的時候。量子深度學(xué)習的元件并不一定要用在一般功能的量子計算器上，更適合作為一個特殊的器件。垂直行業(yè)化工、材料和

32、制藥行業(yè)是量子計算最先可能商用的垂直行業(yè)。無論是飛機制造需要的更強的聚合物、用于汽車的更有效的催化轉(zhuǎn)換器、更高 效的太陽能電池材料，還是療效更好的藥物或 透氣性更好的織物，更快的開發(fā)速度都將帶來 巨大的價值。模擬化學(xué)反應(yīng)和材料、建立計算機 模型是最值得期待的量子計算實際應(yīng)用之一。 從定性描述到定量預(yù)測，量子計算機都將對計 算機材料模擬和發(fā)明帶來根本性的變化，因為 量子計算機顯著的速度優(yōu)勢在于用來了解特定的相互作用和化學(xué)過程的大型分子建模。化學(xué)反應(yīng)率對分子能量非常敏感，其跨度范圍 遠遠超出傳統(tǒng)計算機的處理能力。開發(fā)出穩(wěn)健 的量子算法，就有可能完成一些重要材料的仿 真任務(wù)。不需要花費數(shù)年時間，也不

33、需要數(shù)億美 元的投入，研究人員可以使用量子處理器來創(chuàng) 建一個量子孿生仿真模型（quantum twin），通 過量子計算機仿真對數(shù)以百萬計的候選方案進行研究，開發(fā)出少量新材料并確定其性能。制藥 和化學(xué)公司已經(jīng)在試驗量子模擬的潛力，以加 速藥物的發(fā)現(xiàn)和減少設(shè)計分子的意外副作用。這些行業(yè)的高管估計，以這種方式識別新目標， 可以將藥物發(fā)現(xiàn)率提高5%至10%，并將開發(fā)速 度提高15%至20%。BCG報告指出，僅在美國的 制藥行業(yè)，如果今天能提供處理復(fù)雜原子的量 子仿真，將會有10%的公司愿意為此功能付費，量子計算將提供150億到300億美元的市場機遇。通訊業(yè)是量子通信和量子計算交叉應(yīng)用的重要領(lǐng)域。量子

34、通信的基本原理是量子測量。最經(jīng)典的方式是通過量子通道傳輸密鑰，即量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution, QKD）技術(shù)。在通信過程中，加密信息的密鑰通過專用的量子通道進行傳輸，用量子比特作為密鑰。由于量子測量的原理，觀察或者測量一個量子系統(tǒng)均會造成量子比特的擾動，改變狀態(tài)，造成檢測反常，就會提醒通信雙方泄密，竊聽者本人也很難獲得真實量子信息。相比經(jīng)典通信，量子通信還有時效性高、傳輸速度快、抗干擾能力強、跨多種媒介等優(yōu)點。除了QKD外，另一個應(yīng)用設(shè)想不是分發(fā)密鑰，而是直接將數(shù)據(jù)嵌入到用量子流（Quantum Stream）中，讓竊聽者難以獲得真實信息。除了量子通信技術(shù)外，

35、量子計算在通訊業(yè)中的最直接應(yīng)用則是對加密系統(tǒng)的重大威脅，上一節(jié)，已經(jīng)說明了這個問題。需要優(yōu)化計算的垂直服務(wù)行業(yè)，如醫(yī)療、電力、物流交通、零售等，也有量子計算的用武之地。建立在量子計算和傳統(tǒng)計算機組合基礎(chǔ)上的量子近似優(yōu)化算法解決方案非常強大，可在許多行業(yè)中用于提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量。例如使用優(yōu)化算法實施廣告的在線推薦和報價策略，以最有效的方式應(yīng)對消費者的需求和市場變化；物流公司可以優(yōu)化調(diào)度、規(guī)劃和產(chǎn)品分配。量子算法還可用以提高病人醫(yī)療診斷的速度和準確性，人們可以在數(shù)秒內(nèi)完成DNA排序、放射療法優(yōu)化、腦腫瘤診斷等以往需要數(shù)小時乃至數(shù)周才能完成的任務(wù)。量子計算遇上金融業(yè)：雙刃劍作為非常重要的一門服務(wù)

36、業(yè)，金融行業(yè)同樣面臨著大量優(yōu)化、智能化、加密等計算問題，同樣需要處理海量數(shù)據(jù)，因此量子計算也有很大用途，但也具有很大潛在威脅，是一把雙刃劍。第一，量子計算能夠大大提高金融機構(gòu)在處理高頻交易、對沖、定價等方面的能力。面對高度波動的證券市場和海量信息，高頻交易比拼的一個關(guān)鍵就是運算速度和信息處理能力。量子計算顯然比傳統(tǒng)計算機具有更大的優(yōu)勢。此外，金融機構(gòu)在對沖策略、定價策略上需要優(yōu)化模型時，量子計算在優(yōu)化算法上的巨大求解能力也有助于模型的提升和應(yīng)用。第二，量子計算加速機器學(xué)習，從而提高人工智能在金融行業(yè)的眾多應(yīng)用能力。不論是反洗錢、客戶識別、信貸風控、智能客服、智能投研等哪一個場景，基于機器學(xué)習的

37、人工智能都具有重要的應(yīng)用，這些場景的金融智能化是大勢所趨。量子計算能顯著有效加速大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的深度學(xué)習，拓展其數(shù)據(jù)處理速度和處理量，從而進一步提高金融智能化水平。第三，量子計算能顯著增強金融區(qū)塊鏈的并發(fā)能力。制約區(qū)塊鏈發(fā)展的一個重要瓶頸是出塊速度不高，并發(fā)量低，這使得區(qū)塊鏈應(yīng)用于需要高并發(fā)的大規(guī)模金融支付清算業(yè)務(wù)時捉襟見肘。系統(tǒng)運用量子計算加快簽名驗證、Hash碼驗證、Merkle樹搜索等所有計算任務(wù)后，能有效提高吞吐量，使金融區(qū)塊鏈的應(yīng)用更加便捷。第四，量子計算能有效拓展金融云的處理能力。未來的云計算可以采用量子計算和經(jīng)典計算混合的異構(gòu)方案，當經(jīng)典計算服務(wù)無法滿足資源調(diào)度和云上數(shù)據(jù)處理需

38、求時，量子計算服務(wù)就被啟動，在短時間內(nèi)重新優(yōu)化調(diào)度云服務(wù)資源，并滿足數(shù)據(jù)計算需求。這樣，在當前云服務(wù)上消耗巨大資源的高性能計算任務(wù)，如超大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、類腦計算等，就能被輕易承載，這樣金融云的作用就能得到極大增強。第五，量子計算也有很大負面威脅，特別是對現(xiàn)有加密算法的威脅，因此對金融安全以及金融區(qū)塊鏈應(yīng)用提出了嚴峻挑戰(zhàn)。正如上兩節(jié)所述，量子計算能輕易破解現(xiàn)有RSA、ECC等加密算法體系，對當前銀行加密技術(shù)體系中的非對稱密碼體系、Hash算法會產(chǎn)生很大威脅，金融區(qū)塊鏈也失去了安全。現(xiàn)在幾乎所有金融公司都有兩個共同的缺陷依賴于現(xiàn)有硬件、很難在短時間內(nèi)修改加密標準，所以給量子解密的黑客攻擊留下了

39、想象空間。盡管量子計算在十年內(nèi)還很難商用，但這個威確實存在，需要提早謀劃，進行量子風險評估，以確定與其當前加密基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的風險。量子計算應(yīng)用于金融科技的市場和效益技術(shù)效益量子計算將與機器學(xué)習、區(qū)塊鏈、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)處理有效結(jié)合，隨著業(yè)務(wù)多樣性增多、復(fù)雜度增強、要求的計算能力越來越高時，量子計算的商業(yè)效益將愈發(fā)明顯：1)AI（機器學(xué)習）：量子計算機的機器學(xué)習可以幫助我們更快、更高效地做很多事情，具體應(yīng)用場景包括人臉識別、圖像理解、音頻語音理解、用戶畫像等，量子算法的研究可能給未來AI算法帶來全新的思路，基于量子硬件的機器學(xué)習算法，可以加速優(yōu)化算法和提高優(yōu)化效果。2)Blockchain（區(qū)塊鏈）：當節(jié)點應(yīng)用量子計算后，能夠極大提升Hash碼驗證、簽名驗證等計算速度，從而增強金融區(qū)塊鏈吞吐量，使區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)更加牢固。3)Cloud Computing（云計算）：量子計算能有效拓展金融云的處理能力，量子計算提供的是大規(guī)模并行處理，原子級存儲和試用物理定律而不是外部加密的安全，未來的云計算可以采用量子計算和經(jīng)典計算混合的異構(gòu)方案，金融云的作用能得到極大增強。在云上架構(gòu)量子處理器就是一個很好的方向。4)Big Data（大數(shù)據(jù)）：量子計算與大數(shù)據(jù)處理一開始結(jié)合的點可能是先針對當前一些計算密集型、對算力要求高，但算法又比較單純的場景，比如數(shù)據(jù)傳輸、存儲的加