近日，科學(xué)家提出量子計算機處理某些學(xué)習(xí)任務(wù)的速度可以超越經(jīng)典計算機。相關(guān)論文發(fā)表在《科學(xué)》(Science)雜志。

隸屬于美國多家機構(gòu)(包括谷歌Quantum AI)的研究團隊與澳大利亞研究人員，共同提出了一種理論，認為量子計算機在處理某些學(xué)習(xí)任務(wù)時，應(yīng)比傳統(tǒng)計算機速度更快。在論文中，該團隊描述了他們在谷歌“懸鈴木”Sycamore量子計算機上進行測試的理論和結(jié)果。

對此，荷蘭萊頓大學(xué)副教授Vedran Dunjko在同期《科學(xué)》雜志發(fā)表了一篇Perspective前瞻性觀點文章，概述了這一想法：將量子計算與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合，以研發(fā)一個具有新水平的、基于計算機的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

機器學(xué)習(xí)是一種學(xué)習(xí)系統(tǒng)，其通過數(shù)據(jù)集訓(xùn)練過的計算機，對新數(shù)據(jù)進行基于一定信息的猜測。量子計算則涉及使用亞原子粒子來實現(xiàn)量子比特，以期比傳統(tǒng)計算機更快執(zhí)行應(yīng)用程序。

用量子計算機直接處理量子數(shù)據(jù)的實驗(右)，可能比用經(jīng)典計算機測量量子態(tài)并處理結(jié)果的傳統(tǒng)實驗(左)具有更大優(yōu)勢，圖片來自谷歌Quantum AI Hook

前述研究人員認為，用量子計算機直接處理量子數(shù)據(jù)的實驗，可能比用經(jīng)典計算機測量量子態(tài)并處理結(jié)果的傳統(tǒng)實驗具有更大優(yōu)勢。因此，他們提出在量子計算機上運行機器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序的想法，這或許可以使機器學(xué)習(xí)更好地進行學(xué)習(xí)，從而更具實用性。

為了驗證前述想法是否可行，研究人員創(chuàng)新性地設(shè)計了一個機器學(xué)習(xí)任務(wù)，該任務(wù)可以通過多次重復(fù)的實驗來進行學(xué)習(xí)。同時，他們提出了相關(guān)理論，以描述如何使用量子系統(tǒng)來進行實驗，并從中學(xué)習(xí)。

研究人員表示，他們能夠證明量子計算機在前述機器學(xué)習(xí)任務(wù)上，可以比經(jīng)典計算系統(tǒng)表現(xiàn)更優(yōu)異。團隊構(gòu)建了一個系統(tǒng)，并在谷歌“懸鈴木”Sycamore量子計算機上進行了測試，通過使用40個超導(dǎo)量子比特和1300個量子門進行實驗，證實了其理論。他們發(fā)現(xiàn)，量子計算機學(xué)習(xí)一個概念所需的實驗次數(shù)比經(jīng)典計算系統(tǒng)要低四個數(shù)量級，并且這種優(yōu)勢在預(yù)測物理系統(tǒng)的性質(zhì)、執(zhí)行量子主成分分析和學(xué)習(xí)物理動力學(xué)方面均得到了展示。

盡管量子計算行業(yè)目前仍處于早期探索階段，但是作為頗具前景的科技領(lǐng)域，量子計算在全球已經(jīng)吸引越來越多企業(yè)布局，谷歌、微軟、亞馬遜、IBM、英特爾等大型科技公司都在開發(fā)自己的量子計算硬件，IonQ、Rigetti、PsiQuantum、QunaSys等量子技術(shù)公司也已獲得數(shù)億美元的風(fēng)險投資。根據(jù)前沿科技咨詢公司ICV統(tǒng)計，2021年全球量子科技公司完成了50筆合計32億美元融資。進入2022年，量子科技公司融資仍保持快速增長，2022年第一季度Q1，全球量子科技公司完成了18筆合計7億美元融資。

在國內(nèi)量子計算領(lǐng)域，目前主要參與者有中國科學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)等高校和科研機構(gòu)，阿里巴巴達摩院量子實驗室、百度量子計算研究所、騰訊量子實驗室、華為、京東探索研究院等企業(yè)科研機構(gòu)以及國盾量子、圖靈量子、本源量子、啟科量子等量子科技公司。

金融行業(yè) “牽手”量子計算

蔡崇信進軍的量子AI計算金融科技領(lǐng)域，正是一個具有足夠想象空間的市場。麥肯錫和摩根大通等機構(gòu)的多份報告均指出，金融是最有可能率先通過量子計算獲益的行業(yè)之一。

有分析指出，由于量子計算使用了量子特有的物理效應(yīng)來處理信息，因此目前的超級計算機需要數(shù)十億年才能解決一些數(shù)學(xué)問題，未來的量子計算可能在幾周、幾天或幾個小時內(nèi)就能找到答案。作為最前沿的科技技術(shù)，量子計算可廣泛賦能金融行業(yè)各細分領(lǐng)域，應(yīng)用涉及資產(chǎn)配置場景優(yōu)化、資本市場的風(fēng)險分析、保險業(yè)的災(zāi)難性風(fēng)險建模、以及加密安全等方面。

以投資組合優(yōu)化這一金融行業(yè)受關(guān)注度最高、收益率最明顯的計算場景為例，當前在金融服務(wù)資產(chǎn)配置上，想要調(diào)整投資組合以跟上市場走勢，在很大程度上受到算力限制和交易成本的限制，此類問題對經(jīng)典計算機來說特別難以解決，需要很長的時間。而量子技術(shù)可能有助于減少當今交易環(huán)境的復(fù)雜性，其組合優(yōu)化能力可使投資經(jīng)理提高投資組合的多樣化和重新平衡投資組合，以便更快地對市場狀況作出反應(yīng)。

在市場風(fēng)險分析方面，蒙特卡洛模型(Monte Carlo)是分析該類風(fēng)險的主要方法，它是一種通過統(tǒng)計采樣系統(tǒng)來對系統(tǒng)屬性進行統(tǒng)計的技術(shù)。據(jù)公開資料表明，由于蒙特卡洛模型本身是隨機的，會有誤差，在許多金融場景中，為達到所需的結(jié)果，需要的模擬次數(shù)非常多。而量子算法可以高效改進這些計算，因為量子計算機可以同時運行多個場景，并且通過量子干涉減少模擬中的誤差。只需要在經(jīng)典計算機上模擬這些量子效應(yīng)，就可以利用量子計算方法來設(shè)計更快的蒙特卡洛抽樣策略。

此外，在精算和風(fēng)險建模等資源密集型計算方面，量子計算不僅可以突破經(jīng)典計算的極限，大大加快計算速度，還能提供更準確的結(jié)果?？梢灶A(yù)見，量子計算解決方案將全新改變金融行業(yè)各細分領(lǐng)域的管理優(yōu)化方式。由龐大數(shù)據(jù)驅(qū)動的金融AI是量子計算商業(yè)化落地的首選之一，量子計算也將成為其創(chuàng)新驅(qū)動的核心來源。

當前金融賽道中的量子計算

事實上，量子計算對于金融行業(yè)來說，并不是一件新鮮事。早在2017年，巴克萊銀行就開始率先探索量子技術(shù)在金融領(lǐng)域的應(yīng)用場景，此后摩根大通、高盛集團、富國銀行等國際頭部金融機構(gòu)紛紛組建量子研究團隊開展量子技術(shù)相關(guān)研究。2021年9月，高盛宣布將在最快5年內(nèi)實現(xiàn)使用量子計算為金融工具定價。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球已有超過25家國際大型銀行及金融機構(gòu)與量子計算企業(yè)開展合作研究。

6月14日，霍尼韋爾旗下量子計算公司Quantinuum宣布對其離子阱量子計算機System Model H1進行重大技術(shù)升級，包括擴展到20個全連接量子比特[1]，并增加可以并行完成的量子操作的數(shù)量。

這些改進大大增強了由霍尼韋爾提供支持的H1-1量子計算機的計算能力，自2020年秋季首次亮相以來，該計算機在量子體積(衡量整體性能的指標)方面創(chuàng)下了多項行業(yè)紀錄。

今年4月，Quantinuum宣布12量子比特H1-2量子計算機的性能翻了一番，成為第一臺通過4096量子體積(QV)的商用量子計算機。根據(jù)量子體積計算公式，4096 QV已經(jīng)是12量子比特系統(tǒng)的極限了，隨著將其量子比特數(shù)量增加至20個了，理論上最高可實現(xiàn)100萬QV。

Quantinuum總裁兼首席運營官Tony Uttley說：“通過這些升級，開發(fā)人員能夠在不犧牲性能的情況下運行比以前更復(fù)雜的計算。此次升級是我們獨特商業(yè)模式的又一個例子，我們不斷升級系統(tǒng)，即使在系統(tǒng)投入商業(yè)使用之后，也能為用戶提供最佳性能?！?

量子技術(shù)有潛力解決一些最棘手的全球挑戰(zhàn)，包括限制全球變暖和縮短藥物發(fā)現(xiàn)時間等，解決這些挑戰(zhàn)將會改變游戲規(guī)則。

麥肯錫最新研究報告《量子技術(shù)監(jiān)測》(Quantum Technology Monitor)指出，為了使該技術(shù)實現(xiàn)其承諾，公共和私人資金持續(xù)飆升。制藥、化工、汽車和金融這四個行業(yè)仍然有望成為“量子優(yōu)勢”的第一批受益者，最早在2035年有望實現(xiàn)近7000億美元的價值。

量子技術(shù)(QT)主要分為三個領(lǐng)域：計算、通信和傳感。

量子計算(QC)是一種新的計算技術(shù)：利用量子力學(xué)定律，為一些應(yīng)用提供指數(shù)級的性能改進，有可能實現(xiàn)全新的計算領(lǐng)域。一些早期的量子硬件產(chǎn)品是特殊用途的量子計算機，也稱為量子模擬器。

量子傳感(QS)是由量子系統(tǒng)構(gòu)建的新一代傳感器。它可以提供對各種量(例如，重力、時間、電磁)的測量，比經(jīng)典傳感器的靈敏度高幾個數(shù)量級。

量子通信(QComms)是量子信息的跨空間安全傳輸。它由量子密碼學(xué)實現(xiàn)，即使面對無限的(量子)計算能力也可以確保通信的安全性。

2021年下半年以來，IonQ成功上市，成為史上第一家上市的純量子計算企業(yè);霍尼韋爾量子解決方案公司和劍橋量子公司合并成為Quantinuum;Rigetti也在與特殊目的收購公司(SPAC)Supernova合并后正式上市;本源量子發(fā)布了到2025年交付1024比特量子計算機的路線圖;亞馬遜AWS在加州理工學(xué)院開設(shè)了其量子計算中心。

不同領(lǐng)域的量子技術(shù)中，QS和QComms在2021年下半年資金增幅最高;然而，QC仍然擁有最多的資金(自2001年以來共30億美元)和公司(228家)。