量子計(jì)算，驅(qū)動(dòng)未來(lái)

唐加文

預(yù)測(cè)未來(lái)最好的方式就是創(chuàng)造未來(lái)。

量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。

一、量子計(jì)算，出身不凡

1.正反對(duì)立的世界觀

我們似乎生活在一個(gè)充滿正反對(duì)立的世界：有正數(shù)必有負(fù)數(shù)，有存款必有負(fù)債，有陰必有陽(yáng)，有善必有惡，有天使必有惡魔。

2.狄拉克方程

1928年，偉大的理論物理學(xué)家狄拉克（Dirac）作出驚人的預(yù)言：宇宙中每一個(gè)基本粒子必然有其相對(duì)應(yīng)的反粒子。

3.狄拉克海和反粒子

幾年之后，正電子果然在宇宙射線中被發(fā)現(xiàn)，驗(yàn)證了有史以來(lái)最偉大的理論預(yù)言之一。

4.生活應(yīng)用：正電子發(fā)射斷層掃描

目前，正電子被廣泛應(yīng)用到人類生活之中，醫(yī)學(xué)影像技術(shù)PET（Positron Emission Tomography，正電子發(fā)射斷層掃描）就是其中之一。

5.天使與魔鬼

當(dāng)一個(gè)粒子遇上它的反粒子時(shí)，根據(jù)愛因斯坦E = mc2的質(zhì)能公式，它們會(huì)相互湮滅從而將所有質(zhì)量釋放出成能量。Dan Brown的小說(shuō)及其電影《天使與魔鬼》就描述過(guò)這樣的正反粒子湮滅爆炸的場(chǎng)景。

6.Majorana和他的費(fèi)米子

從此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被認(rèn)為是永恒不變的真理，但是會(huì)不會(huì)有這樣一類沒有反粒子的粒子，或者說(shuō)它們自身就是自己的反粒子？1937年，也就是整整80年前，偉大而神秘的意大利理論物理學(xué)家Ettore Majorana猜測(cè)有這樣神奇粒子的存在，這也就是我們今天所稱的Majorana費(fèi)米子。從那開始，尋找這一神奇粒子也就成了物理學(xué)中許多領(lǐng)域研究工作的崇高目標(biāo)。

7.一份夢(mèng)寐以求的表單

物理學(xué)中有一份表單，囊括了那些人類夢(mèng)寐以求的神秘粒子，其中就有希格斯波色子（也被稱為上帝粒子，最近在歐洲粒子加速器中被發(fā)現(xiàn)）、引力子、磁單極、暗物質(zhì)和Majorana費(fèi)米子。相較其他粒子而言，Majorana費(fèi)米子或許更加神秘，因?yàn)镸ajorana本人在文章泄露天機(jī)之后不久就失蹤而從此銷聲匿跡了。

8.天使粒子

手性Majorana費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)為持續(xù)了整整80年對(duì)這一神秘粒子的搜索畫上了圓滿的句號(hào)。類比Dan Brown描述正反粒子湮滅爆炸的小說(shuō)《天使與魔鬼》，張首晟提出這一新發(fā)現(xiàn)的手性Majorana費(fèi)米子應(yīng)該稱為天使粒子：我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)完美的世界，那里只有天使，沒有魔鬼。

9.量子計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生

量子世界本質(zhì)上是平行的，一個(gè)量子粒子能夠同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)狹縫。所以量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行高度并行的量子計(jì)算，遠(yuǎn)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)有效。然而，一個(gè)量子比特的信息非常難以存儲(chǔ)，微弱的環(huán)境噪聲都能夠引起退相干從而毀滅其量子特性。科學(xué)家最新發(fā)現(xiàn)手性Majorana費(fèi)米子，也稱為天使粒子。粒子的自然傳播導(dǎo)致非對(duì)易的編辮。這樣信息就能夠非局域的存儲(chǔ)，因而不受局域的微擾影響！

二、企業(yè)如何運(yùn)用量子計(jì)算

1.選擇量子精英團(tuán)隊(duì)

企業(yè)可能需要進(jìn)一步了解量子計(jì)算的預(yù)期收益。以下是入門方法：

（1）將企業(yè)內(nèi)的一些領(lǐng)軍專業(yè)人才指定為“量子精英”。

（2）為這些“量子精英”充電，幫助他們了解何為量子計(jì)算、對(duì)行業(yè)的潛在影響、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的應(yīng)對(duì)方式以及企業(yè)的業(yè)務(wù)如何從中受益。

（3）要求“量子精英”定期向高層領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)工作，以便在整個(gè)企業(yè)中開展量子計(jì)算教育，確保該計(jì)劃始終與戰(zhàn)略目標(biāo)保持一致。

2.開始確定量子計(jì)算用例和相關(guān)價(jià)值主張

待量子精英團(tuán)隊(duì)了解了量子計(jì)算的原理及其如何助您應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)和把握機(jī)遇之后，讓他們開始確定企業(yè)可在哪些領(lǐng)域借助量子計(jì)算領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

根據(jù)量子系統(tǒng)的獨(dú)特能力及其加速解決問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)來(lái)評(píng)估機(jī)遇。要求量子精英團(tuán)隊(duì)監(jiān)控量子應(yīng)用的進(jìn)展，確定哪些用例可以更快地實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。為確保量子探索與業(yè)務(wù)成果緊密聯(lián)系在一起，請(qǐng)選擇前景最光明的量子計(jì)算應(yīng)用，例如創(chuàng)建突破性產(chǎn)品和服務(wù)或者以全新方式優(yōu)化供應(yīng)鏈。

3.試用真正的量子系統(tǒng)

通過(guò)試用真正的量子計(jì)算機(jī)，揭開量子計(jì)算的神秘面紗。要求量子精英團(tuán)隊(duì)了解量子計(jì)算如何解決業(yè)務(wù)問(wèn)題，以及如何與現(xiàn)有工具互動(dòng)。單一量子解決方案并不能“包治百病”。量子精英團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)專注于解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法有效解決的最高優(yōu)先級(jí)用例。

4.繪制量子路線圖

繪制量子計(jì)算路線圖，包括可行的后續(xù)步驟，目的是解決可能會(huì)對(duì)企業(yè)參與競(jìng)爭(zhēng)以及獲得可持續(xù)業(yè)務(wù)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生巨大阻礙的問(wèn)題。為了加速備戰(zhàn)量子計(jì)算，應(yīng)考慮加入新出現(xiàn)的量子社區(qū)。這樣能夠幫助您更好地接觸了解技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)、不斷發(fā)展的行業(yè)應(yīng)用，以及有助于增強(qiáng)特定量子應(yīng)用開發(fā)能力的研究人員。

5.靈活敏捷地應(yīng)對(duì)未來(lái)量子格局的變化

量子計(jì)算在迅速發(fā)展。應(yīng)尋找有望成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并且推動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)整合的技術(shù)和開發(fā)工具包。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，新的技術(shù)突破可能會(huì)促使企業(yè)調(diào)整量子開發(fā)方法，包括更換生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴。應(yīng)留意企業(yè)的量子計(jì)算需求如何與時(shí)俱進(jìn)，特別是當(dāng)您進(jìn)一步深入地了解哪些業(yè)務(wù)問(wèn)題可從量子計(jì)算解決方案中獲得最大收益之后。

三、為何需要立即采取行動(dòng)

1.迎接未來(lái)的沖擊

為何需要立即開始為量子計(jì)算做準(zhǔn)備？在技術(shù)力量和競(jìng)爭(zhēng)力量的雙重作用下，量子時(shí)代的到來(lái)要比你想象中早得多。若能立即開始關(guān)注量子計(jì)算，企業(yè)就能占得先機(jī)，拉開與同行之間的距離。以下是企業(yè)應(yīng)該立即開始備戰(zhàn)量子計(jì)算的三個(gè)理由：

（1）量子計(jì)算機(jī)具有轉(zhuǎn)變行業(yè)價(jià)值鏈的潛力，特別是在化學(xué)、生物、醫(yī)療保健、材料科學(xué)、金融和人工智能（AI）等領(lǐng)域。

（2）由于量子計(jì)算的學(xué)習(xí)難度非常大，因此，“快速跟隨”的方法不僅花費(fèi)巨大，而且只會(huì)被先行者越拉越遠(yuǎn)。

（3）建立內(nèi)部“量子能力中心”需要一定時(shí)間。

2.量子計(jì)算機(jī)具有轉(zhuǎn)變行業(yè)價(jià)值鏈的潛力

量子計(jì)算機(jī)有潛力解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)能為力的超級(jí)復(fù)雜的問(wèn)題，因此有望轉(zhuǎn)變整個(gè)行業(yè)的面貌。未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)有能力在化學(xué)、生物、醫(yī)療保健、金融、人工智能和材料科學(xué)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品突破，幫助富有戰(zhàn)略眼光、采用量子計(jì)算的企業(yè)快速搶占市場(chǎng)份額，提高盈利能力。因此，量子計(jì)算的問(wèn)題解決能力能夠徹底重新定義競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)變企業(yè)運(yùn)營(yíng)模式和價(jià)值鏈，最終徹底顛覆整個(gè)行業(yè)。

例如，物流系統(tǒng)的優(yōu)化通常基于“中心輻射”型網(wǎng)絡(luò)模型。要在大規(guī)模物流網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計(jì)一條能夠滿足各種不同需求的點(diǎn)到點(diǎn)最優(yōu)路線，是非常復(fù)雜的問(wèn)題，完全超出傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力范圍。即使對(duì)于只有幾百個(gè)集散地的物流網(wǎng)絡(luò)，要逐一探索所有的可能性，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)也要花上數(shù)十億年的時(shí)間。而量子計(jì)算有能力顯著縮短這種探索所需的時(shí)間。例如，為了優(yōu)化航空公司的調(diào)度工作，量子計(jì)算可以創(chuàng)建專為在特定日期飛往數(shù)百個(gè)目的地的數(shù)千名乘客而量身定制的每日航班時(shí)刻表，從而幫助旅客縮短旅行時(shí)間、避免空中交通擁堵并降低航空燃油成本。如果企業(yè)能為物流網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作開發(fā)量子解決方案，那么，在物流作為關(guān)鍵成功因素的所有行業(yè)，這樣的企業(yè)都能夠迅速成為市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者。

3.“快速跟隨”的方法不僅花費(fèi)巨大，而且只會(huì)被先行者越拉越遠(yuǎn)

量子計(jì)算不同于線性或漸進(jìn)式的技術(shù)進(jìn)步，“快速跟隨”的方法不太可能奏效。原因有以下幾點(diǎn)：

（1）量子計(jì)算的學(xué)習(xí)難度非常大。

（2）與“追趕”領(lǐng)先者相關(guān)的成本過(guò)高。

可以考慮以下用例：通過(guò)量子計(jì)算機(jī)為電子或運(yùn)輸行業(yè)設(shè)計(jì)比現(xiàn)有物質(zhì)更輕、更強(qiáng)韌的專用材料，而且與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，解決問(wèn)題的速度呈指數(shù)級(jí)提升。這種革命性材料的加速發(fā)展可以幫助制造商在短時(shí)間把競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在身后。

借助量子技術(shù)成功上位的新晉市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者以既有知識(shí)為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)難度相對(duì)較低，因此能夠更上一層樓，進(jìn)一步優(yōu)化其突破性的材料，以及發(fā)現(xiàn)專為其他應(yīng)用領(lǐng)域量身定制的新材料，不斷擴(kuò)大與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的差距。

雖然只是假設(shè)，但這個(gè)示例卻生動(dòng)說(shuō)明了由于存在巨大的學(xué)習(xí)難度，使得所謂的“快速追隨者”極難趕上先行企業(yè)，從而可能導(dǎo)致某些行業(yè)出現(xiàn)“贏者通吃”的情景。即便對(duì)于特定用例，快速追隨者有可能追上先行企業(yè)，也需為此付出高昂的代價(jià)，例如，培養(yǎng)內(nèi)部專業(yè)知識(shí)，采購(gòu)最合適的基礎(chǔ)設(shè)施，投資與實(shí)力派企業(yè)建立合作關(guān)系和/或收購(gòu)具有相關(guān)能力的企業(yè)等。

4.建立內(nèi)部“量子能力中心”需要一定時(shí)間

盡管大多數(shù)企業(yè)現(xiàn)在都聽說(shuō)過(guò)量子計(jì)算，但他們中有許多都因缺乏相關(guān)人才和專業(yè)知識(shí)而無(wú)法充分利用即將到來(lái)的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型的優(yōu)勢(shì)，而且獲得量子計(jì)算技術(shù)也并非易事。量子計(jì)算的人才供不應(yīng)求，高技能資源更是炙手可熱。

即使招聘到了合適的人才，也可能需要數(shù)年時(shí)間才能深入了解量子計(jì)算對(duì)特定業(yè)務(wù)的潛在影響。最近發(fā)生的技術(shù)轉(zhuǎn)變，例如，為加速處理大數(shù)據(jù)工作負(fù)載而遷移到圖形處理器（GPU）的過(guò)程花了近十年時(shí)間，使得我們深深了解到，為采用新技術(shù)而培養(yǎng)專業(yè)能力是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。

鑒于量子計(jì)算有潛力徹底轉(zhuǎn)變行業(yè)，能夠以指數(shù)級(jí)提升解決問(wèn)題的速度，再加上量子領(lǐng)域的專業(yè)人才難以獲得，因此，領(lǐng)先的企業(yè)應(yīng)考慮立即采取行動(dòng)。

綜上所述，量子世界本質(zhì)上是平行的，一個(gè)量子粒子能夠同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)狹縫。所以量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行高度并行的量子計(jì)算，遠(yuǎn)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)有效。

量子計(jì)算，驅(qū)動(dòng)未來(lái)。

[作者通聯(lián)：北京市海淀區(qū)清華大學(xué)西樓8號(hào)2單元101室]