开启商用时代！量子计算市场复合年增长率达56%，2023年价值近650亿美元

量子力学（quantum mechanics）是物理学的一个分支，它描述原子、光子和电子等粒子的行为。通过利用量子力学的奇特特性，量子技术有望在药物和材料发现、金融投资组合管理、气候和天气建模、制造优化、还有行为分析等领域大展身手。

科技巨头、政府和早期的初创公司正在投资数十亿美元，以实现量子突破，而专家们则在争论量子进步的各种概念与是非。与此同时，量子技术对当前加密技术的威胁，就像“达摩克利斯之剑”一样悬在头顶。

在量子技术准备进军大企业之际，商业领袖应如何正确“进场”？德勤发布的一份报告，试图为商业领袖揭开量子技术的神秘面纱，并阐明三个关键的量子用例——复杂计算问题、通信和传感。我们将探索这些领域中有前途的应用，特别关注量子计算(图1)。

量子计算：加速复杂的计算工作量

量子计算有时被描述为计算的下一个伟大发展，它被吹捧为解决以前认为是棘手的问题的潜力，即那些理论上可以解决，但其复杂性远远超过当今最强大的超级计算机的能力。量子机器将能够在几小时甚至几分钟内解决这些高级计算问题，效率之高显然惊人。

量子计算机利用量子现象进行信息处理和计算，使用量子比特或“量子位”——与传统计算比特有点类似，但用途更为广泛。量子系统核心的量子位与普通笔记本电脑的传统计算位之间，有一个关键的区别：经典的计算机位线性增加计算能力，而每个量子位使量子系统的计算能力翻倍。

不幸的是，由于基本的物理原理，保持量子比特的集合一起工作是非常具有挑战性的。众所周知，量子位元是不稳定的，需要在受控量子态下隔离。有些量子机器通过将量子位冷却到零下几百度的温度——比外太空还要冷——而另一些量子机器则将量子位困在超高真空室中。这也意味着，今天的量子机器是定制的，主要存在于实验室环境中。

此外，复制或读取量子位元，会破坏脆弱的量子态，使编程、测试和调试过程变得复杂。而且，它们对温度、振动等外界干扰非常敏感，这些干扰会引起噪声并导致计算错误由于这些技术需求，一个复杂的、容错的企业级量子系统的可用性将需要一些时间，因为它依赖于全球实验室中不可预测的研发时间表。

量子能力在成倍增长。在十年内，量子计算机有望加速解决许多行业的一系列问题。到目前为止，谷歌和一组中国研究人员都宣布了量子优势的成功展示——也被称为量子霸权——量子计算机解决计算任务的能力超过了速度最快的超级计算机。这两个组织都表示，他们的量子计算机在不到5分钟的时间内完成了精心构建的任务，而古典超级计算机需要数千年甚至数十亿年才能完成最终，当量子计算机能够轻松地解决复杂的现实世界问题时，它们可能会颠覆风险与回报之间的传统长期关系，这可能要求企业和政府领导人重新思考量子解决问题对组织和社会的影响。

未来会是什么样的一番情况？作为完成高度专业化计算的专用工具，量子计算机可能不会取代经典计算机。更有可能的是，它们将与它们的经典对手共存，在需要高级计算时提供使用量子技术的途径。为了进行类似的比较，想想目前图形处理单元(GPU)和中央处理单元(CPU)的共存或许就能清楚：CPU执行大部分任务，而GPU支持复杂的图形、视频渲染，以及越来越多的机器学习。

同样，量子很可能补充——而不是取代——云。就像量子计算将与经典计算共存一样，它也将与云能力共存。更重要的是，许多组织将通过云利用量子——在国际数据公司(IDC)关于量子采用的调查中，65%的参与者表示他们正在使用或计划使用基于云的量子计算。这将使他们能够获得特殊工作负载的超专业能力，而不需要在企业内投资专门的量子计算机。

与此同时，诱人的速度前景继续推动着投资。量子创业生态系统正在蓬勃发展。有研究公司预测，量子计算市场这3年的复合年增长率或将达到56.0%，最终在2023年达到近650亿美元。另一个预测是，在不到三年的时间里，量子计算将给25%的财富500强公司带来竞争优势——这是一个大胆的断言，考虑到技术的成熟，尽管许多行业的各种实验正在推动量子计算的势头。

事实上，量子计算在几乎每个行业都有相关的应用案例。熟悉这些可以帮助您的组织理解在对量子计算技术进行重大投资之前如何为量子计算做准备。

图2 概述了量子计算有望显著加速工作负载的三个关键应用：优化算法、数据科学和数学建模，以及量子化学和材料科学——所有这些都对多个行业和部门产生影响。

优化算法。优化算法帮助确定多个可行方案中的最佳方案或过程。因此，量子计算机预计将对依赖于优化来评估多种潜在结果的行业产生重大影响，每种结果都有许多依赖和约束。

例如，量子计算机可以通过使用来自联网车辆、集装箱和包裹、公路和铁路、仓库、销售点系统和气象卫星等的实时数据，来实时解决路由问题。克森美孚(ExxonMobil)正在研究如何使用量子计算机来优化全球海运船队的航线，这支船队有5万多艘商船，每艘船运载的集装箱多达20万个。

决定如何使商船旅行的距离和时间最小化——涉及到诸如旅行路线、天气和港口之间的可行运动等变量的计算——对经典计算机来说是一个棘手的问题。而使用类似的原理，量子计算可以帮助公司通过解决供应链优化问题，如在不中断多方面供应链的情况下确定制造部件的可用性和价格，从而简化操作和制造过程

数据科学和数学建模。现代企业通过处理大量数据来识别和理解模式、进行预测和解决问题。随着数据集变得越来越大、越来越复杂，企业越来越多地使用实时数据，数学建模可能会证明对传统计算机越来越具有挑战性。毕竟，与经典计算机不同的是，量子机器几乎可以同时有效地执行复杂的并行计算。

量子计算有潜力改变使用大量数据和计算的行业，这些数据和计算过于复杂，无法在传统机器上有效执行。例如，在金融服务领域，银行和证券公司正在探索量子计算在信用评分、资产评估、违规行为分析和欺诈检测、交易策略和投资风险分析等方面的应用。

量子化学和材料科学。经典的计算机不能有效地完成精确计算和微调分子性质所需的计算，预测材料的行为，或理解这种行为将如何随着最轻微的分子变化。为了了解分子的行为，大多数科学家需要进行耗时的反复实验。而未来的量子计算机，预计将比传统计算机更有效地进行分子模拟，使它们成为需要预测材料的性能和性能、模拟或优化材料及其发展过程的行业的关键发现工具。从这个意义上说，量子计算机可以帮助设计工程师开发更好的塑料、燃料电池、芯片和其他产品和材料，并消除艰苦的实验室工作。

同理，量子计算机在复杂的分子相互作用模拟方面，可能会比经典的同类计算机更有能力和效率，而这些分子相互作用是药物发现的基础药品可能需要10年甚至更长时间才能上市，因为制药公司必须评估数十亿种药物在不同人体系统中可能产生的反应和副作用，这些反应和副作用因人而异。通过量子计算改进早期的药物发现，可以降低成本，减少将救命药物推向市场所需的时间。

量子计算带来的安全性：后量子密码（Postquantum cryptography）

当前的加密协议，如SSL (Secure Socket Layer)和TLS (Transport Layer Security)，基于现有的公钥算法，能够保护网络通信免受传统计算机的攻击。

然而，一个容错量子计算机，可以在几小时甚至几秒钟内打破这些协议和其他协议所面临的数学挑战。后量子密码学是一种基于软件的算法技术，也被称为量子证明、量子安全或量子抗密码学。随着量子计算系统的成熟和更广泛的应用，后量子密码学的重要性可能会越来越大。需要在传统计算机上运行的后量子密码系统，将依赖更复杂的技术。

量子通信：保护通信网络

与后量子密码学不同，量子通信使用在经典计算机上运行的新的量子安全加密算法。量子通信是一种基于硬件的解决方案，利用量子力学的原理来创建安全的，理论上可以防止篡改的通信网络，可以检测到截取或窃听。

虽然实现量子通信的技术有很多，但量子密钥分配(QKD)是其中最成熟的一种。在量子密钥分配技术中，各方使用基于量子的技术交换加密密钥，然后使用这些密钥在传统光网络中传输数据。由于密钥交换不能在没有检测的情况下更改、克隆、复制或拦截，QKD可以提供非常高的网络安全性。

在美国，一些组织已经实现了量子密钥分配，使用连接华盛顿特区、纽约市和波士顿现有的超过600英里的光纤。该解决方案将华尔街金融市场与新泽西的后台业务连接起来，不仅支持量子密钥分配和其他基于物理的加密方法，也支持基于数学的技术(如后量子密码)。

中国研究人员利用地面光纤和空中卫星链路开展了几项量子密钥分配计划，包括最近完成的一个将这两种传输技术结合起来的2990英里网络。这些网络服务于150多个工业用户。中国的一些组织，还试验了依靠无人机传输信号的短程量子通信网络。

目前的技术限制，使得量子密钥分配不可能立即被广泛采用：它速度慢，需要昂贵的发射器和接收器。此外，由于消息在传播约60英里后可能会降级，QKD需要使用信号中继器、中继器和路由器，这些都可能容易受到攻击然而，随着量子通信技术(包括QKD)的不断改进，我们预计它们将成为确保重要通信安全的关键组件。

量子感应：更精确的感应和测量

亚原子粒子对旋转、加速、时间、电场、磁场和重力场以及其他外部效应都很敏感。这使得它们可以用来制作非常灵敏的传感器，其精度和性能超过传统传感器。正在进行的研究计划集中于开发更便宜、更轻、更便携、更节能的量子传感器。

不少目前正在进行的研究，计划集中于开发更便宜、更轻、更便携、更节能的量子传感器。

量子传感器有潜力在许多应用中取代现有的传感器，包括定位和监测石油、天然气和矿藏;测量建筑工地；探测最轻微的环境、地震或天气变化。在交通运输领域，量子传感器有望显著改善精确导航和定位系统。例如，空中客车公司正在探索使用量子传感器来更准确地测量频率、加速度、转速、电场和磁场以及温度等属性，以改进其导航系统。

在医学领域，量子传感器可能被用于分析温度、心率和其他生命体征，并提高磁共振成像的准确性，进一步跟踪癌症治疗的进展，诊断和监测多发性硬化症等退行性疾病的能力。

量子传感器目前在有限的生产情况下可用，而且它们的可用性和能力有望在5-10年内急剧增长。

做好准备：战略制定很关键

几十年来，科学家们一直在思考量子技术，量子动力学充满了障碍。但是量子技术正在获得动力，并且有望在十年内走出研究实验室，走向更现实的商业环境。

观望的态度可能会导致组织错过测试和试验技术的关键机会，而他们的竞争对手正在获得优势。

德勤鼓励采取更具战略性的方式：

了解行业的影响。了解量子技术在你所在行业的潜在影响。量子可以帮助你解决什么复杂的问题？注意重要的技术发展，并关注你所在领域的其他人是如何投资和试验量子技术的。

制定一个策略。将拥有适当技能和知识的现有人才聚集在一起，以制定量子战略。即使战略是不立即采取行动，确定一个触发事件，如竞争或技术发展，将作为进一步量子投资和勘探的提示。决定好何时由谁来领导。

监控技术和行业发展。根据事件需要完善你的策略，不要让你所认定的触发事件在没有采取适当行动的情况下溜走。

提高你的加密敏捷性（crypto-agility）。提出一个解决量子计算的安全影响的计划，并在改进组织的加密敏捷性方面取得进展。

报告完整链接：https://www2.deloitte.com/global/en/insights/topics/innovation/quantum-computing-business-applications.html