چرا باید کوانتومی بخریم؟

یک اکوسیستم در حال رشد کوانتومی و موارد استفاده از مشاغل در حال ظهور نوید می دهد ارزش قابل توجهی را برای صنایع ایجاد کند-اگر مدیران هم اکنون آماده شوند.

گزارش مخصوص

تسریع در پیشرفت در محاسبات کوانتومی به عنوان یادآوری قدرتمندی مبنی بر پیشرفت این فناوری به سرعت به سمت زنده ماندن تجاری است. به عنوان مثال ، فقط در چند ماه گذشته ، یک مرکز تحقیقاتی در ژاپن از دستیابی به موفقیت در qubits درگیر (واحد اصلی اطلاعات در کوانتومی ، شبیه به بیت در رایانه های معمولی) خبر داد که می تواند اصلاح خطا را در سیستم های کوانتومی بهبود بخشد و به طور بالقوه باعث ایجاد بزرگ شود-مقیاس رایانه های کوانتومی امکان پذیر است. 1 مایانیک شارما ، "یک موفقیت بزرگ محاسبات کوانتومی دیگر وجود داشته است ،" Techradar ، 9 سپتامبر 2021 ، techradar. com. و یک شرکت در استرالیا نرم افزاری را ایجاد کرده است که در آزمایشات نشان داده است تا عملکرد هرگونه سخت افزار کوانتومی را بهبود بخشد. 2 برد برگان ، "یک روش جدید محاسبات کوانتومی 2500 درصد کارآمدتر است" ، مهندسی جالب ، 5 نوامبر 2021 ، FourceNengineering. com.

اشتراک گذاری

درباره نویسندگان

این گزارش یک تلاش مشترک توسط ماتئو بیونی ، آنا هاید ، نیکولوس هنک ، نیکو محور ، لورنزو پوتاسو ، ایوان اوستوجیک ، لیند وستر و رودنی زمل بود.

با افزایش موفقیت ها ، دلارهای سرمایه گذاری در حال ریختن هستند ، و نوآوری های محاسباتی کوانتومی در حال گسترش هستند. شرکت های بزرگ فناوری همچنان به توسعه قابلیت های کوانتومی خود نیز ادامه می دهند: شرکت هایی مانند Alibaba ، Amazon ، IBM ، Google و Microsoft قبلاً سرویس های ابری تجاری کوانتومی را راه اندازی کرده اند.

البته ، تمام این فعالیت ها لزوماً به نتایج تجاری تبدیل نمی شود. در حالی که محاسبات کوانتومی قول می دهد تا مشاغل را برای حل مشکلاتی که فراتر از دسترس و سرعت رایانه های با کارایی بالا هستند ، حل کند ، موارد استفاده در این مرحله اولیه عمدتاً آزمایش و فرضی است. در واقع ، کارشناسان هنوز در مورد اساسی ترین مباحث مربوط به این زمینه بحث می کنند (برای اطلاعات بیشتر در مورد این سؤالات باز ، به نوار کناری ، "مباحث در محاسبات کوانتومی" مراجعه کنید).

اشتراک گذاری

مباحث در محاسبات کوانتومی

در این مرحله اولیه از محاسبات کوانتومی، مهمترین سوال در مورد تناسب بین فناوری و مشکلات تجاری است، نه خود فناوری. با این حال، موضوعاتی مانند وضعیت توسعه فناوری، استانداردها و معیارهای عملکرد، و ارزش موارد مختلف تجاری هنوز مورد بحث است. به طور مشابه، ترکیب بهینه همکاری و رقابت در مورد استفاده از فناوری در محیط های تجاری هنوز مشخص نیست.

حتی ملاحظات فنی اولیه نیز مورد بحث است. کارشناسان در مورد اینکه آیا آنها معتقدند برتری کوانتومی - زمانی که یک کامپیوتر کوانتومی مشکلی را حل می کند که قدرتمندترین کامپیوتر معمولی نمی تواند در مدت زمان عملی آن را پردازش کند - تا به حال نشان داده شده است یا خیر، متفاوت هستند. اهمیت نسبی کمیت و کیفیت کیوبیت ها (بلوک های سازنده اساسی یک کامپیوتر کوانتومی) نیز نامشخص است و هیچ معیار جایگزین پذیرفته شده ای برای عملکرد سیستم های محاسبات کوانتومی وجود ندارد. کارشناسان همچنین در مورد اهمیت تحمل خطا (داشتن سیستم هایی که در آن نویز فنی کیفیت و انسجام عملکرد را به خطر نمی اندازد) اختلاف نظر دارند.

در بحث های سخت افزار محاسبات کوانتومی، عدم شفافیت تفسیر یافته های اعلام شده گروه های مختلف و تعمیم این نتایج را به موارد استفاده تجاری دشوار می کند. این و سایر سؤالات باز منجر به برآوردهای متفاوتی از ارزش بالقوه محاسبات کوانتومی برای صنایع مختلف می شود.

برخی از کارشناسان خاطرنشان کرده اند که زمان و منابع کافی برای توسعه موارد استفاده سرمایه گذاری نشده است تا به طور قابل اعتماد مشخص شود که کدام موارد کم و بیش قابل اجرا هستند. بنابراین، گزارش ما باید به عنوان راهنمایی برای مناطقی که باید بیشتر مورد بررسی قرار گیرد، نه یک نقشه راه قطعی یا جامع.

با این حال، این فعالیت نشان می دهد که افسران ارشد اطلاعات و سایر رهبرانی که اخبار محاسبات کوانتومی را زیر نظر دارند، دیگر نمی توانند تماشاچیان صرف باشند. رهبران باید شروع به تدوین استراتژی های محاسبات کوانتومی خود کنند، به ویژه در صنایعی مانند داروسازی، که ممکن است از مزایای اولیه محاسبات کوانتومی تجاری بهره مند شوند. تغییر ممکن است در اوایل سال 2030 رخ دهد، زیرا چندین شرکت پیش بینی می کنند که تا آن زمان سیستم های کوانتومی قابل استفاده را راه اندازی خواهند کرد.

برای کمک به رهبران در شروع برنامه ریزی، تحقیقات گسترده ای انجام دادیم و با 47 متخصص در سراسر جهان درباره سخت افزار، نرم افزار و برنامه های کاربردی کوانتومی مصاحبه کردیم. اکوسیستم محاسبات کوانتومی در حال ظهور؛موارد احتمالی استفاده تجاری؛و مهم ترین محرک های بازار محاسبات کوانتومی. در گزارش محاسبات کوانتومی: یک اکوسیستم نوظهور و موارد استفاده صنعتی، ما در مورد تکامل صنعت محاسبات کوانتومی بحث می کنیم و به کاربردهای تجاری احتمالی این فناوری در داروسازی، مواد شیمیایی، خودرو و مالی می پردازیم - زمینه هایی که ممکن است ارزش قابل توجهی از کوانتوم به دست آورند. محاسبات در کوتاه مدتسپس یک مسیر رو به جلو را ترسیم می کنیم و اینکه چگونه تصمیم گیرندگان صنعت می توانند تلاش خود را در محاسبات کوانتومی شروع کنند.

تامین مالی محاسبات کوانتومی همچنان قوی است، اما شکاف استعدادها باعث نگرانی است

یک اکوسیستم در حال رشد

اکوسیستمی که می تواند صنعت محاسبات کوانتومی را حفظ کند، شروع به گسترش کرده است. تحقیقات ما نشان می دهد که ارزش در معرض خطر برای بازیکنان محاسبات کوانتومی تقریباً 80 میلیارد دلار است (با ارزشی که موارد استفاده از محاسبات کوانتومی می توانند ایجاد کنند، اشتباه نشود).

منابع مالی

از آنجایی که محاسبات کوانتومی هنوز یک حوزه جوان است، اکثر بودجه برای تحقیقات پایه در این منطقه هنوز از منابع عمومی تامین می شود (شکل 1).

با این حال، بودجه خصوصی به سرعت در حال افزایش است. تنها در سال 2021، سرمایه گذاری های اعلام شده در استارت آپ های محاسبات کوانتومی از 1. 7 میلیارد دلار فراتر رفته است که بیش از دو برابر میزان جمع آوری شده در سال 2020 است (شکل 2). ما انتظار داریم که سرمایه گذاری خصوصی به افزایش قابل توجهی ادامه دهد، زیرا تجاری سازی محاسبات کوانتومی افزایش می یابد.

سخت افزار

سخت افزار یک گلوگاه مهم در اکوسیستم است. چالش هم فنی و هم ساختاری است. اول، مسئله مقیاس بندی تعداد کیوبیت ها در یک کامپیوتر کوانتومی در حالی که به سطح کافی کیفیت کیوبیت دست می یابد وجود دارد. سخت افزار همچنین موانع زیادی برای ورود دارد زیرا به ترکیبی نادر از سرمایه، تجربه در فیزیک کوانتومی تجربی و نظری، و دانش عمیق - به ویژه دانش دامنه از گزینه های مربوطه برای پیاده سازی نیاز دارد.

چندین پلتفرم سخت افزاری محاسبات کوانتومی در دست توسعه هستند. مهمترین نقطه عطف دستیابی به محاسبات کوانتومی کاملاً تصحیح شده با خطا و تحمل خطا خواهد بود که بدون آن یک کامپیوتر کوانتومی نمی تواند نتایج دقیق و ریاضی دقیقی ارائه دهد (شکل 3).

کارشناسان در مورد اینکه آیا رایانه های کوانتومی می توانند قبل از تحمل کامل تقصیر ، ارزش تجاری قابل توجهی ایجاد کنند ، مخالفند. با این حال ، بسیاری می گویند که تحمل گسل ناقص لزوماً باعث نمی شود سیستم های محاسباتی کوانتومی غیرقابل استفاده شوند.

چه زمانی ممکن است به تحمل گسل برسیم؟بیشتر بازیکنان سخت افزار در فاش کردن نقشه های جاده ای خود مردد هستند ، اما تعداد معدودی برنامه های خود را به اشتراک گذاشته اند. پنج تولید کننده اعلام کرده اند که تا سال 2030 برنامه هایی را برای داشتن سخت افزار کوانتومی مقاوم در برابر خطا اعلام کرده اند.

نرم افزار

تعداد نوآوری های متمرکز بر نرم افزار سریعتر از هر بخش دیگر از زنجیره ارزش کوانتومی و محاسباتی در حال افزایش است. در نرم افزار ، شرکت کنندگان در صنعت در حال حاضر خدمات سفارشی ارائه می دهند و هدف از آن در زمینه بالغ تر این صنعت ، خدمات کلید در دست را توسعه می دهند. از آنجا که نرم افزار کمیته کوانتومی همچنان در حال توسعه است ، سازمان ها قادر به ارتقاء ابزارهای نرم افزاری خود هستند و در نهایت از ابزارهای کاملاً کوانتومی استفاده می کنند. در ضمن ، محاسبات کوانتومی به یک الگوی برنامه نویسی جدید و پشته نرم افزار نیاز دارد. برای ایجاد جوامع توسعه دهندگان پیرامون پیشنهادات خود ، شرکت کنندگان در صنعت بزرگتر غالباً کیت های توسعه نرم افزار خود را بصورت رایگان ارائه می دهند.

خدمات مبتنی بر ابر

در پایان ، خدمات کوانتومی مبتنی بر ابر ممکن است با ارزش ترین بخش اکوسیستم تبدیل شوند و می توانند برای کسانی که کنترل آنها را دارند ، پاداش های بزرگ ایجاد کنند. در حال حاضر اکثر ارائه دهندگان خدمات رایانه ای ابر دسترسی به رایانه های کوانتومی را در سیستم عامل های خود ارائه می دهند ، که به کاربران بالقوه امکان آزمایش این فناوری را می دهد. از آنجا که محاسبات کوانتومی شخصی یا موبایل بعید است در این دهه ، ابر ممکن است راه اصلی برای کاربران اولیه باشد تا این فناوری را تا زمان بلوغ اکوسیستم بزرگتر تجربه کنند.

افزایش محاسبات کوانتومی

موارد استفاده صنعت

شناخته شده ترین موارد استفاده شده در چهار آرکتیپ قرار می گیرد: شبیه سازی کوانتومی ، جبر خطی کوانتومی برای AI و یادگیری ماشین ، بهینه سازی کوانتومی و جستجو و فاکتورسازی کوانتومی. ما این موارد را به طور کامل در گزارش شرح می دهیم ، و همچنین سؤالاتی که رهبران باید هنگام ارزیابی موارد استفاده بالقوه در نظر بگیرند ، باید در نظر بگیرند.

ما بر روی موارد استفاده بالقوه در چند صنایع که تحقیقات نشان می دهد می تواند بیشترین مزایای کوتاه مدت را از این فناوری کسب کند: داروسازی ، مواد شیمیایی ، خودرو و امور مالی. در مجموع (و به طور محافظه کارانه) ، ارزش این صنایع می تواند بین 300 میلیارد دلار تا 700 میلیارد دلار باشد (نمایشگاه 4).

داروسازی

محاسبات کوانتومی پتانسیل ایجاد انقلابی در تحقیق و توسعه ساختارهای مولکولی در صنعت بیوداروها و همچنین ارائه ارزش در تولید و ادامه زنجیره ارزش را دارد. برای مثال در تحقیق و توسعه، داروهای جدید به طور متوسط ۲ میلیارد دلار و بیش از ده سال طول می کشد تا پس از کشف به بازار برسند. محاسبات کوانتومی می تواند تحقیق و توسعه را به طور چشمگیری سریع تر، هدفمندتر و دقیق تر کند، زیرا شناسایی هدف، طراحی دارو و آزمایش سمیت را کمتر به آزمون و خطا وابسته می کند و بنابراین کارآمدتر می شود. یک جدول زمانی تحقیق و توسعه سریع تر می تواند محصولات را سریع تر و کارآمدتر به بیماران مناسب برساند - به طور خلاصه، کیفیت زندگی بیماران بیشتری را بهبود می بخشد. تولید، تدارکات و زنجیره تامین نیز می توانند از محاسبات کوانتومی بهره مند شوند. در حالی که تخمین این که چنین پیشرفت هایی چقدر می تواند تأثیری بر درآمد یا بیمار ایجاد کند، دشوار است، در یک صنعت 1. 5 تریلیون دلاری با میانگین حاشیه سود قبل از بهره و مالیات (EBIT) 16 درصد (بر اساس محاسبات ما)، حتی 1 تا 5 درصد درآمد. این افزایش منجر به 15 تا 75 میلیارد دلار درآمد اضافی و 2 تا 12 میلیارد دلار EBIT خواهد شد.

مواد شیمیایی

محاسبات کوانتومی می تواند تحقیق و توسعه، تولید و بهینه سازی زنجیره تامین در مواد شیمیایی را بهبود بخشد. در نظر بگیرید که محاسبات کوانتومی می تواند در تولید برای بهبود طراحی کاتالیزور استفاده شود. به عنوان مثال، کاتالیزورهای جدید و بهبود یافته می توانند صرفه جویی در انرژی را در فرآیندهای تولید موجود امکان پذیر کنند - یک کاتالیزور منفرد می تواند تا 15 درصد افزایش بهره وری ایجاد کند - و کاتالیزورهای نوآورانه ممکن است جایگزینی مواد پتروشیمی با مواد اولیه پایدارتر یا تجزیه کربن برای CO را ممکن کنند.₂استفادهدر زمینه صنعت مواد شیمیایی که سالانه 800 میلیارد دلار برای تولید هزینه می کند (نیمی از آن به کاتالیزور وابسته است)، افزایش بازده واقعی 5 تا 10 درصد به معنای افزایش ارزش 20 تا 40 میلیارد دلاری است.

خودرو

صنعت خودرو می تواند از محاسبات کوانتومی در تحقیق و توسعه ، طراحی محصول ، مدیریت زنجیره تأمین ، تولید و تحرک و مدیریت ترافیک بهره مند شود. به عنوان مثال ، این فناوری می تواند برای کاهش هزینه های مربوط به فرآیند تولید و کوتاه کردن زمان چرخه با بهینه سازی عناصری مانند برنامه ریزی مسیر در فرآیندهای پیچیده multirobot (مسیری که یک ربات برای انجام یک کار دنبال می کند) استفاده شود. حتی سود 2 تا 5 درصد بهره وری - در زمینه صنعتی که 500 میلیارد دلار در سال برای هزینه های تولید هزینه می کند - 10 تا 25 میلیارد دلار ارزش در سال ایجاد می کند.

دارایی، مالیه، سرمایه گذاری

سرانجام ، موارد استفاده کوانتومی در امور مالی در آینده کمی بیشتر است و مزایای استفاده های کوتاه مدت احتمالی سوداگرانه است. با این حال ، ما معتقدیم که امیدوار کننده ترین موارد استفاده از محاسبات کوانتومی در امور مالی در نمونه کارها و مدیریت ریسک است. به عنوان مثال ، پرتفوی وام بهینه شده کوانتومی که روی وثیقه تمرکز می کنند می توانند به وام دهندگان اجازه دهند تا پیشنهادات خود را بهبود بخشند ، احتمالاً نرخ بهره را کاهش داده و سرمایه را آزاد کنند. برای برآورد پتانسیل ارزش مدیریت وثیقه با محاسبات کوانتومی ، اما از سال 2021 ، بازار وام دهی جهانی 6. 9 تریلیون دلار است ، که تأثیر بالقوه قابل توجهی از بهینه سازی کوانتومی را نشان می دهد. براساس تحقیقات و بازارها ، کل بازار وام دهی جهانی 6. 9 تریلیون دلار است. داده های جهانی در مورد نرخ پیش فرض مشخص نیست ، اما ما به طور محافظه کارانه تخمین می زنیم که 5 درصد باشد و فرضیه ضرر داده شده (ارزش دارایی را که در صورت پیش فرض از بین می رود) فرض می کنیم 50 درصد از ارزش اولیه وام.

مسیر رو به جلو برای محاسبات کوانتومی

در این میان ، رهبران تجارت در هر بخش باید برای بلوغ محاسبات کوانتومی آماده شوند.

تا حدود سال 2030 ، ما معتقدیم که موارد استفاده کوانتومی از یک مدل عملیاتی ترکیبی برخوردار خواهد بود که تلاقی بین محاسبات با کارایی بالا و معمولی است. به عنوان مثال ، رایانه های با کارایی بالا ممکن است از الگوریتم های الهام گرفته از کوانتومی بهره مند شوند. 4 خوان میگوئل آرازولا و همکاران ، "الگوریتم های الهام گرفته از کوانتومی در عمل" ، کوانتوم ، آگوست 2020 ، جلد 4 ، صص 307-31 ، کوانتومی-ژورنال . org.

فراتر از سال 2030 ، تحقیقات شدید در حال انجام توسط شرکت های خصوصی و موسسات دولتی برای بهبود سخت افزار کوانتومی و امکان استفاده بیشتر - و پیچیده تر - موارد استفاده بسیار حیاتی خواهد بود. شش عامل اصلی - تأمین هزینه ، دسترسی ، استاندارد سازی ، کنسرسیوم صنعت ، استعداد و زیرساخت های دیجیتال - مسیر فناوری را برای تجاری سازی تعیین می کند.

رهبران خارج از صنعت شاهد کوانتومی می توانند پنج مرحله بتونی را برای آماده سازی برای بلوغ محاسبات کوانتومی بردارند:

1. از پیشرفت های صنعت پیروی کنید و به طور فعال موارد استفاده از کوانتومی را با یک تیم داخلی از کارشناسان کوانتومی و یا با همکاری با اشخاص صنعت و با پیوستن به یک کنسرسیوم کوانتومی محاسباتی نمایش دهید.
2. مهمترین خطرات و اختلالات و فرصت ها را در صنایع خود درک کنید.
3. در نظر بگیرید که آیا برای تسهیل دسترسی به دانش و استعداد ، با بازیکنان کوانتومی-محاسباتی-عمدتا نرم افزار-همکاری یا سرمایه گذاری کنید.
4. در نظر بگیرید که استعدادی در خانه کوانتومی را استخدام کنید. حتی یک تیم کوچک از حداکثر سه متخصص ممکن است برای کمک به یک سازمان در کشف موارد استفاده احتمالی و غربالگری سرمایه گذاری های استراتژیک بالقوه در محاسبات کوانتومی کافی باشد.
5. با ساختن زیرساخت های دیجیتالی که می تواند تقاضای اصلی عملیاتی محاسبات کوانتومی را برآورده کند ، آماده شود. داده های مربوطه را در پایگاه داده های دیجیتال در دسترس قرار داده و گردش کار محاسباتی معمولی را تنظیم کنید تا یک بار سخت افزاری کوانتومی قدرتمندتر در دسترس باشد.

رهبران در هر صنعت فرصتی غیر معمول دارند تا نسبت به یک فناوری تعریف کننده نسل هوشیار باشند. بینش استراتژیک و افزایش ارزش تجاری می تواند این جایزه باشد.

Matteo Biondi و Aa Heid مشاور در دفتر زوریخ مک کینزی هستند ، جایی که ایوان اوستوژیک شریک است. نیکولوس هنک شریک ارشد در دفتر لندن است ، جایی که لورنزو پوتاسو مشاور است. نیکو مهر در دفتر دوسلدورف شریک زندگی است. لیند وستر مشاور در دفتر آمستردام است. و رودنی زمل شریک ارشد دفتر نیویورک است.

نویسندگان آرزو می کنند از افراد زیر بخاطر مشارکت خود در این گزارش تشکر کنند: احمد عبدالله ، محمد ارداتی ، فلورین بودی ، روبن مسابقه ، سامر کوهلی ، توماس لمان ، آنیکا پفلانزر ، هنینگ سولر ، اسکندر توب ، دانیل ولز و ماتیجا Zesesko. آنها همچنین مایل به تشکر از چندین عضو شورای فناوری مک کینزی ، گروهی از کارشناسان جهانی برای ردیابی و ارزیابی روندهای نوظهور در تجارت و فناوری ، از جمله: Alán Aspuru-Guzik ، مدیر ارشد علمی در محاسبات Zapata ؛چارلز بیگبدر ، شریک بنیانگذار در Quantonation ؛سرگی بلوسوف ، بنیانگذار و رئیس SIT ، بنیانگذار و مدیر ارشد ریسک در Acronis و همکار در Runa Capital. مایکل برت ، رهبری توسعه جهانی تجارت جهانی ، محاسبات کوانتومی در خدمات وب آمازون ؛جری چو ، مدیر توسعه سیستم سخت افزار کوانتومی در IBM ؛Tommaso DeMarie ، مدیر اجرایی آزمایشگاه های Entropica ؛چاد ادواردز ، رئیس استراتژی و محصول در Quantinuumcambridge Quantum ؛اندرو هورسلی ، مدیر ارشد اجرایی Quantum Brilliance ؛جان مارتینیس ، استاد فیزیک UCSB ؛مارک ماتینگلی-اسکات ، مدیر کل EMEA در Quantum Brilliance ؛سلیا Merzbacher ، مدیر اجرایی QED-C در مدیر بین المللی SRI در QED-C ؛سام موگل ، مدیر ارشد فناوری در Multiverse Computing ؛جرمی اوبراین ، بنیانگذار و مدیر اجرایی Psiquantum ؛کریستوفر ساووی ، مدیر ارشد اجرایی محاسبات Zapata ؛میشل سیمونز ، مدیر موسس و مدیر اجرایی در سیلیکون کوانتوم محاسبات ؛Arun Karthi Subramaniyan ؛و مت Trevithick ، مدیر عامل در Google Quantum AI.