量子计算，驱动未来

唐加文

预测未来最好的方式就是创造未来。

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。

一、量子计算，出身不凡

1.正反对立的世界观

我们似乎生活在一个充满正反对立的世界：有正数必有负数，有存款必有负债，有阴必有阳，有善必有恶，有天使必有恶魔。

2.狄拉克方程

1928年，伟大的理论物理学家狄拉克（Dirac）作出惊人的预言：宇宙中每一个基本粒子必然有其相对应的反粒子。

3.狄拉克海和反粒子

几年之后，正电子果然在宇宙射线中被发现，验证了有史以来最伟大的理论预言之一。

4.生活应用：正电子发射断层扫描

目前，正电子被广泛应用到人类生活之中，醫学影像技术PET（Positron Emission Tomography，正电子发射断层扫描）就是其中之一。

5.天使与魔鬼

当一个粒子遇上它的反粒子时，根据爱因斯坦E = mc2的质能公式，它们会相互湮灭从而将所有质量释放出成能量。Dan Brown的小说及其电影《天使与魔鬼》就描述过这样的正反粒子湮灭爆炸的场景。

6.Majorana和他的费米子

从此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是永恒不变的真理，但是会不会有这样一类没有反粒子的粒子，或者说它们自身就是自己的反粒子？1937年，也就是整整80年前，伟大而神秘的意大利理论物理学家Ettore Majorana猜测有这样神奇粒子的存在，这也就是我们今天所称的Majorana费米子。从那开始，寻找这一神奇粒子也就成了物理学中许多领域研究工作的崇高目标。

7.一份梦寐以求的表单

物理学中有一份表单，囊括了那些人类梦寐以求的神秘粒子，其中就有希格斯波色子（也被称为上帝粒子，最近在欧洲粒子加速器中被发现）、引力子、磁单极、暗物质和Majorana费米子。相较其他粒子而言，Majorana费米子或许更加神秘，因为Majorana本人在文章泄露天机之后不久就失踪而从此销声匿迹了。

8.天使粒子

手性Majorana费米子的发现为持续了整整80年对这一神秘粒子的搜索画上了圆满的句号。类比Dan Brown描述正反粒子湮灭爆炸的小说《天使与魔鬼》，张首晟提出这一新发现的手性Majorana费米子应该称为天使粒子：我们发现了一个完美的世界，那里只有天使，没有魔鬼。

9.量子计算机应运而生

量子世界本质上是平行的，一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。所以量子计算机能够进行高度并行的量子计算，远比经典计算机有效。然而，一个量子比特的信息非常难以存储，微弱的环境噪声都能够引起退相干从而毁灭其量子特性。科学家最新发现手性Majorana费米子，也称为天使粒子。粒子的自然传播导致非对易的编辫。这样信息就能够非局域的存储，因而不受局域的微扰影响！

二、企业如何运用量子计算

1.选择量子精英团队

企业可能需要进一步了解量子计算的预期收益。以下是入门方法：

（1）将企业内的一些领军专业人才指定为“量子精英”。

（2）为这些“量子精英”充电，帮助他们了解何为量子计算、对行业的潜在影响、竞争对手的应对方式以及企业的业务如何从中受益。

（3）要求“量子精英”定期向高层领导汇报工作，以便在整个企业中开展量子计算教育，确保该计划始终与战略目标保持一致。

2.开始确定量子计算用例和相关价值主张

待量子精英团队了解了量子计算的原理及其如何助您应对业务挑战和把握机遇之后，让他们开始确定企业可在哪些领域借助量子计算领先竞争对手。

根据量子系统的独特能力及其加速解决问题的优势来评估机遇。要求量子精英团队监控量子应用的进展，确定哪些用例可以更快地实现商业化。为确保量子探索与业务成果紧密联系在一起，请选择前景最光明的量子计算应用，例如创建突破性产品和服务或者以全新方式优化供应链。

3.试用真正的量子系统

通过试用真正的量子计算机，揭开量子计算的神秘面纱。要求量子精英团队了解量子计算如何解决业务问题，以及如何与现有工具互动。单一量子解决方案并不能“包治百病”。量子精英团队应专注于解决传统计算机无法有效解决的最高优先级用例。

4.绘制量子路线图

绘制量子计算路线图，包括可行的后续步骤，目的是解决可能会对企业参与竞争以及获得可持续业务优势产生巨大阻碍的问题。为了加速备战量子计算，应考虑加入新出现的量子社区。这样能够帮助您更好地接触了解技术基础架构、不断发展的行业应用，以及有助于增强特定量子应用开发能力的研究人员。

5.灵活敏捷地应对未来量子格局的变化

量子计算在迅速发展。应寻找有望成为行业标准并且推动生态系统整合的技术和开发工具包。应认识到，新的技术突破可能会促使企业调整量子开发方法，包括更换生态系统合作伙伴。应留意企业的量子计算需求如何与时俱进，特别是当您进一步深入地了解哪些业务问题可从量子计算解决方案中获得最大收益之后。

三、为何需要立即采取行动

1.迎接未来的冲击

为何需要立即开始为量子计算做准备？在技术力量和竞争力量的双重作用下，量子时代的到来要比你想象中早得多。若能立即开始关注量子计算，企业就能占得先机，拉开与同行之间的距离。以下是企业应该立即开始备战量子计算的三个理由：

（1）量子计算机具有转变行业价值链的潜力，特别是在化学、生物、医疗保健、材料科学、金融和人工智能（AI）等领域。

（2）由于量子计算的学习难度非常大，因此，“快速跟随”的方法不仅花费巨大，而且只会被先行者越拉越远。

（3）建立内部“量子能力中心”需要一定时间。

2.量子计算机具有转变行业价值链的潜力

量子计算机有潜力解决传统计算机无能为力的超级复杂的问题，因此有望转变整个行业的面貌。未来的量子计算机有能力在化学、生物、医疗保健、金融、人工智能和材料科学等领域实现产品突破，帮助富有战略眼光、采用量子计算的企业快速抢占市场份额，提高盈利能力。因此，量子计算的问题解决能力能够彻底重新定义竞争优势，转变企业运营模式和价值链，最終彻底颠覆整个行业。

例如，物流系统的优化通常基于“中心辐射”型网络模型。要在大规模物流网络中，设计一条能够满足各种不同需求的点到点最优路线，是非常复杂的问题，完全超出传统超级计算机的能力范围。即使对于只有几百个集散地的物流网络，要逐一探索所有的可能性，传统计算机也要花上数十亿年的时间。而量子计算有能力显著缩短这种探索所需的时间。例如，为了优化航空公司的调度工作，量子计算可以创建专为在特定日期飞往数百个目的地的数千名乘客而量身定制的每日航班时刻表，从而帮助旅客缩短旅行时间、避免空中交通拥堵并降低航空燃油成本。如果企业能为物流网络设计优化工作开发量子解决方案，那么，在物流作为关键成功因素的所有行业，这样的企业都能够迅速成为市场领导者。

3.“快速跟随”的方法不仅花费巨大，而且只会被先行者越拉越远

量子计算不同于线性或渐进式的技术进步，“快速跟随”的方法不太可能奏效。原因有以下几点：

（1）量子计算的学习难度非常大。

（2）与“追赶”领先者相关的成本过高。

可以考虑以下用例：通过量子计算机为电子或运输行业设计比现有物质更轻、更强韧的专用材料，而且与传统计算机相比，解决问题的速度呈指数级提升。这种革命性材料的加速发展可以帮助制造商在短时间把竞争对手远远甩在身后。

借助量子技术成功上位的新晋市场领导者以既有知识为基础，学习难度相对较低，因此能够更上一层楼，进一步优化其突破性的材料，以及发现专为其他应用领域量身定制的新材料，不断扩大与竞争对手的差距。

虽然只是假设，但这个示例却生动说明了由于存在巨大的学习难度，使得所谓的“快速追随者”极难赶上先行企业，从而可能导致某些行业出现“赢者通吃”的情景。即便对于特定用例，快速追随者有可能追上先行企业，也需为此付出高昂的代价，例如，培养内部专业知识，采购最合适的基础设施，投资与实力派企业建立合作关系和/或收购具有相关能力的企业等。

4.建立内部“量子能力中心”需要一定时间

尽管大多数企业现在都听说过量子计算，但他们中有许多都因缺乏相关人才和专业知识而无法充分利用即将到来的业务转型的优势，而且获得量子计算技术也并非易事。量子计算的人才供不应求，高技能资源更是炙手可热。

即使招聘到了合适的人才，也可能需要数年时间才能深入了解量子计算对特定业务的潜在影响。最近发生的技术转变，例如，为加速处理大数据工作负载而迁移到图形处理器（GPU）的过程花了近十年时间，使得我们深深了解到，为采用新技术而培养专业能力是一个漫长的过程。

鉴于量子计算有潜力彻底转变行业，能够以指数级提升解决问题的速度，再加上量子领域的专业人才难以获得，因此，领先的企业应考虑立即采取行动。

综上所述，量子世界本质上是平行的，一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。所以量子计算机能够进行高度并行的量子计算，远比经典计算机有效。

量子计算，驱动未来。

[作者通联：北京市海淀区清华大学西楼8号2单元101室]