IBM商業價值研究院（IBV）最新出版的第四版《量子十年（The Quantum Decade）》裝幀精美、值得一讀，相信會成為每一位高管人士的重要知識補充。這本168頁的巨著由來自各行業的70多位專家撰寫，清晰羅列了目標問題、解決思路以及當前正在發明的令人驚嘆的量子技術。書內包含幾十條用例與深入描述，堪稱每位CEO和CTO們的必讀之作。下面是我認為特別有趣的精選部分摘要，以及書中一些重要用例。
量子思維
商業價值研究院在2021年進行的一項CEO研究顯示，在接受調查的3000多名CEO當中，有89%並不認同量子計算會在未來兩到三年內成為實現業務成果的關鍵技術。雖然這種認可性缺失在短期之內完全可以理解，但考慮到量子計算在未來十年內的顛覆性潛力，CEO們現在應當主動調撥資源以理解並參與量子技術。商業價值研究院還發現，2023年內組織在量子計算領域的研發預算投入為7%，較2021年的數字增長了29%。到2025年，這一比例預計將持續增長至25%。
作者斷言，忽視量子計算技術可能帶來重大風險，其後果也許比錯失十年前的AI熱潮更加嚴重。這本量子計算手冊的第一階段，首先強調計算領域正在經歷一波根本性轉變。也正是這波在量子計算設備上運行前瞻性模型的趨勢，讓以往無法落地的解決方法擁有了實現的可能性。
第二階段則專注提出重要問題：量子計算將如何顛覆並重塑企業的商業模式？它將如何增強現有AI與經典計算工作流程？企業所處行業中的量子計算「殺手級應用」究竟是什麼？組織如何立足內部乃至與生態系統的合作來深化自身量子計算能力？很明顯，當下正是開展實驗、規則疊代場景並培養量子計算人才的最佳時機，也是教育內部利益相關方並充分運用深層技術資源的關鍵當口。
IBM方面還特別強調，量子計算並不會取代經典計算系統。相反，量子計算、經典計算與AI將形成漸進式的互補關係，三者將以疊代方式共同運作，最終形成1 1 1大於3的協同效應。在上圖所示的硬體配置體系下，每台量子設備都將輔以經典電腦，而黑色的機櫃行則代表推理處理伺服器。也就是說，人們將需要精心定製解決方案以運用這些結合緊密但又彼此不同的系統。
第三階段則被稱為「量子霸權」，標誌著重要里程碑的實際降臨。具體來講，這意味著量子計算展現出較傳統電腦更高效、更具成本效益或者更高質量地執行特定任務的能力。如今，IBM的量子系統已經具備實用規模的性能：量子電腦現在可以作為科學工具以探索量子力學中的強作用力、經典模擬之外的新型問題等。而量子電腦與經典系統相結合之時，也就是量子效能邁向「霸權」的重要時刻，其性能將明顯優於單獨的經典計算系統。隨著量子計算領域硬體、軟體與算法的持續進步，其相較於傳統計算將實現顯著的性能改進，為各行各業帶來前所未有的競爭優勢培養機會。
具體用例
然而，從量子計算中實現商業價值仍需要優先考慮正確的用例——那些有潛力真正改變組織或整個行業的用例。發現並關注這些戰略用例，對於實現量子技術的優勢將至關重要。以下是IBM在《量子十年》一書中提及的具體案例。
埃克森美孚及其全球供應鏈
埃克森美孚正在探索利用量子計算優化其全球航線的可能性。當前國際貿易仍高度依賴海運，而全球航線是其中重要的組成部分。全球約90%的貿易通過海上運輸實現，涉及超5萬艘船舶，單船可能裝載2萬個集裝箱。優化這些航線是一項複雜的挑戰，且明顯超出傳統電腦的處理能力。埃克森美孚與IBM合作，利用IBM量子網路（埃克森美孚於2019年作為首家能源企業加入該網路）來開發將商船全球航線映射至量子電腦的方法。
在這一用例下，量子計算的核心優勢在於它能最大限度減少錯誤解法並增強正確解法，因此特別適合處理高度複雜的優化問題。埃克森美孚利用Qiskit量子優化模塊測試了多種量子算法，以期找到最合適此任務的算法。他們發現啟發式量子算法和基於變分量子本特徵解算器（VQE）的優化顯示出光明前景，特別是在配合正確的擬設（物理術語ansatz，指具有一定根據的猜測）時效果尤其突出。
這種對海運優化量子計算用例的探索不僅有望對物流及運輸行業產生重大影響，同時也顯示出在面臨其他行業類似優化挑戰時更為廣泛的應用前景，包括貨物運輸、拼車服務與城市垃圾管理等。
加州大學與機器學習
IBM Quantum與加州大學伯克利分校的研究人員開發出一種量子機器學習領域的突破性算法，在理論層面證明了量子霸權的力量。傳統量子機器學習算法往往需要數據處於量子態，但雙方提出的新方法也同樣適用於經典數據，因此更能契合現實場景的客觀條件。
該團隊專注於監督機器學習，他們嘗試利用量子電路將經典數據映射至更高維度的空間——由於多個量子比特處於高維狀態的性質，這項任務天然適合量子計算方法。之後，他們估測出一個量子核心，即各數據點間相似性的衡量尺度，再利用它在經典支持向量機中有效實現數據分離。
2020年末，研究人員曾給出堅實的證據，證明當只有經典數據可用時，他們的量子特徵圖電路仍優於一切可能的二元經典分類器。這一進步為量子計算在各類應用場景下開闢了新的可能性，包括前瞻、數據屬性預測乃至風險分析等，標誌著量子機器學習再次向前邁出了重要一步。
E.ON與機器學習
作為歐洲主要能源運營商，E.ON正利用量子計算技術加強風險管理並實現其碳減排目標。憑藉龐大的客戶群體以及預計到2030年可再生資產的大幅增加，該公司面臨著管理氣候相關風險並保證能源成本處於可負擔範圍內的現實挑戰。為此，E.ON選擇與IBM合作並實施量子計算策略，針對不同位置、合同及天氣條件等因素運行複雜的蒙特卡洛模擬。
關鍵量子計算應用包括：
使用量子非線性變換通過量子泰勒展開式為能源合同計算毛利率。
通過量子振幅估算進行風險分析，藉此提高動態電路的利用率。
在經典蒙特卡洛方法中集成二次加速以優化硬體資源。
這些策略真正讓實時規劃、更精細的風險分散化以及更頻繁的投資組合風險即時評估成為了可能，有助於重新調整對沖合同的具體條款。E.ON還將量子計算視為推進機器學習、風險分析、加速蒙特卡洛技術以及物流/調度組合優化的關鍵手段，標誌著能源相關挑戰的管理思路正在迎來重大轉變。
富國銀行與金融交易
富國銀行正積極探索量子計算在金融領域的實踐應用潛力，並與IBM在IBM Quantum Network量子網路聯盟內開展合作。此番合作使富國銀行得以通過雲服務訪問IBM量子電腦，進而在量子計算應用領域開展創新性工作，包括採樣、優化與機器學習等，嘗試從量子技術中獲取有價值結果。
富國銀行與IBM之間一大值得關注的研究領域就是序列建模，特別是預測金融市場的中間價格變動。這具體涉及到分析限價委託簿（一種記錄買賣雙方限價委託的清單，通常用於金融市場交易，以顯示市場上的買賣需求和價格），並重點關注中間價格——即任意時刻最低賣價與最高買價之間的平均值。
富國銀行還探索使用量子隱馬爾可夫模型（QHMM）進行隨機生成，這是一種序列建模的量子方法。QHMM的目標是從給定的起始狀態生成可能的符號序列（例如代表價格上漲或下跌的序列），類似於大語言模型生成文本的方式。這種量子方法已被證明比其經典同類方法隱馬爾可夫模型（HMM）更加有效，能夠高效定義隨機過程語言以提供有助於增強金融領域AI技術的新方法。
捷時雅與晶片製造
IBM與日本捷時雅正在探索量子計算如何重塑電腦晶片製造的未來形態。Gordon Moore曾在1965年做出著名預測，認為電腦晶片上的電晶體數量每兩年左右就會提高一倍，這項預測數十年來長期有效，並以「摩爾定律」的名號為人們的熟知。這樣的進步很大程度上得益於半導體製造領域的創新舉措，特別是IBM在20世紀80年代開發的基於光刻膠的製造方法。這種使用光敏材料在晶片上印刷電晶體的技術後來得到廣泛應用，捷時雅集團等公司就是其中的領先生產商。
但如今晶片的不斷小型化與性能改進，正受到新光刻膠分子設計那高昂成本與複雜性的挑戰。由於模擬量子尺度上的現象極為困難，現代超級電腦已經很難完成這項任務。而量子計算則基於量子力學原理運行，能夠有效模擬分子結構（包括光刻膠材料的分子結構）來提供潛在的解決方案。
IBM與捷時雅正合作探索量子計算在該領域的實踐應用。2022年的一項研究顯示，使用IBM量子硬體來模擬類似於光刻膠特定部分的小分子確有可行性。這項研究代表著利用量子計算開發新材料的第一步，也有望推動摩爾定律繼續與半導體技術同步發展，在可預見的未來繼續發揮指導性效力。
總結
如大家所見，新版《量子十年》是一本乾貨滿滿的好書，有望在全球各地的董事會和高管團隊中引發討論、引導思維。這也正是IBM的目標所在——通過與早期思考者們的合作，人人都可以啟動自己的量子探索之旅，加快量子方案在實踐層面落地的執行速度。
