量子計算的風口，究竟有多大？
文/ 曹彥君 編輯/ 陳默維
近日，硅谷巨頭們大動作頻頻。
臉書改名Meta，扎克伯格誓要稱霸元宇宙；亞馬遜則宣佈，在美國加州理工學院啓用的新的量子計算中心，劍指構建更大規模、更精準的量子計算機。
該業務歸屬於亞馬遜的現金牛——亞馬遜網絡服務 (AWS) 內，由加拿大物理學家 Oskar Painter進行領導。這意味着，亞馬遜將和谷歌、IBM 和微軟之間，在量子計算領域進一步短兵相接。
此舉頗有貝佐斯當年成立AWS時，高瞻遠矚的意味。量子計算業務是否有望成爲亞馬遜的另一王牌業務，尚且不得而知，不過，有一件事更爲明顯：量子技術正國內外得到空前重視。
亞馬遜CEO貝佐斯
在我國“十四五”規劃和2035年遠景目標中，也都特別提到了量子科技的發展。
量子計算的風口，究竟有多大？
“降維打擊”的算力
量子的概念，最早由德國物理學家普朗克提出。海森堡、薛定諤和狄拉克等科學家開始有方程去求解的量子力學，完成了量子力學的理論框架。
1982年，美國物理學家理查德·費曼提出了量子計算的概念，並指出，以量子力學爲基礎的計算機在處理特定問題時，具有遠超經典計算機的能力優勢。
美國物理學家理查德·費曼
經典計算機按照二進制進行運算，參與邏輯計算的信息單元稱爲比特，以“0”和“1”表示，通過經典算法實現對信息的線性處理。
北京大學信息科學技術學院研究員王永鋒解釋道，量子計算機同樣使用比特進行運算，但其遵循的運行原理是量子力學，採用量子比特，除了“0”“1”之外，二者還可以構成更多的“疊加態”。構建量子比特的基元可能是光子、原子、電子、微小的超導環，或者更神奇的“任意子”。
相比經典計算機，量子計算機的算力，說是“降維打擊”也不爲過。
以一臺3比特的經典計算機舉例，它只能儲存與處理2的 3次方個可能的二進制字符串中的一個，即八個數據中的一個，而一臺3比特的量子計算機，可以同時儲存與處理全部的八個數據。
有人指出，理論上，經典計算機需要150萬年才能完成的工作，量子計算機僅需不到1秒。
這樣的優越性，在現實中也得到了驗證。
2019年9月，谷歌宣佈研製出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，執行一個特定的計算任務只用3分20秒，而同樣的任務，即便是目前最強的超級計算機，在經過理論優化後，完成這項任務也需要2.5天。
谷歌研製的量子比特的計算機“懸鈴木”
中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉表示，目前量子力學的主要應用領域是量子信息技術，該技術又分爲兩方面：一是量子通信，原理上可實現無條件的安全通信方式；二是量子計算，可提供超快計算能力。
值得注意的是，在量子計算領域，與歐美相比，國內的研究水平並不遜色。
近幾年，隨着國家政策支持力度加大，量子計算技術研發加速，並以中科院爲代表的高校及研究機構，取得了一些矚目成果。
2017年5月，中科大和中科院物理所共同研發出全球首臺光量子計算機，實現至少2.4萬倍的實驗加速。
2018年2月，中科院和阿里雲共同宣佈，實現11量子比特雲接入超導服務，成爲全球第二家實現10量子比特以上的超導量子計算雲服務的系統。
近日，中國科學院量子信息與量子科技創新研究院的研究團隊，在超導量子和光量子兩種系統的量子計算方面取得重要進展。
據悉，由該團隊研發的可編程超導量子計算原型機，名爲“祖沖之二號”，比目前最快的超級計算機快一千萬倍，計算複雜度比谷歌的“懸鈴木”，高了一百萬倍。
可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”
緩慢的商業化
在國內，也有不少攻入量子計算應用的企業玩家。資本加身的互聯網巨頭們，自然不惜重金投入，搶佔技術高地。
巨頭們的佈局，主要偏向軟件領域。
由段潤堯帶領的百度研究院量子計算研究所，制定了量子人工智能、量子算法 和量子架構三個核心方向。
阿里達摩院量子實驗室，由阿里雲量子技術首席科學家施堯耘主導，2018發佈了量子電路模擬器“太章”，2019完成了第一個可控的量子比特研發工作。
騰訊量子實驗室，負責人爲張勝譽，從量子AI入手切入化學和藥物研發領域。
華爲量子軟件與計算首席科學家翁文康，主要研究量子計算物理與操控、量子軟件、量子算法與應用。
在硬件方面，我國的商業化起步較晚，仍顯著落後於歐美。
作爲美國領軍企業，谷歌和 IBM可以實現50+超導量子比特的近鄰連通，邏輯門保真度大約在 99%量級。
中科院院士、南方科技大學校長薛其坤指出，國內在量子計算領域的挑戰在於，還需要更多的人才儲備和基本材料的自主化。
不過，一批具有強大研發背景的硬件初創公司，也在國內迅速崛起。
位於合肥的本源量子，創始人是中科大郭光燦項目組成員，是國內起步比較早的初創公司，主攻超導量子比特，和谷歌、IBM等屬於同一技術路徑。該公司今年1月獲得的數億元A輪融資，由中國互聯網投資基金領投。
由“量子之父”潘建偉創立的國盾量子，走的也是超導量子路線，是國內量子通信領域首家A股上市企業，首日股價上漲近1000%；此外，還有主攻離子阱量子的啓科量子、主攻光量子的圖靈量子等，目前均已獲得天使輪融資。
“量子之父”潘建偉
廣闊的金融前景
量子計算的優越性能，不僅吸引技術玩家入局，在行業側，也不乏積極推動落地應用的遠見者。
在國內，建設銀行的子公司——建信金科，是五大行中首家成立的金融科技子公司，它也成爲金融行業中的量子計算探路者。
2021年2月1日，建信金科量子金融應用實驗室在合肥揭牌“一實兩地”，成立量子金融應用基地。本次儀式上，建信金科和本源量子聯合發佈了業內首批量子金融應用算法——“量子期權定價算法”與“量子VAR值估計算法”。
建信金科量子金融應用實驗室主任吳磊（後排右三）
兩種算法，分別聚焦於金融領域的典型應用場景：金融市場與風險管理。
國有大行和中科大研發團隊的聯手，可謂強強聯合。
在3個月時間內，經過對量子算法方案的反覆論證，藉助建信金科的大資管項目組及建信基金專家資源，以實際市場數據進行回測，不斷迭代演進形成了全新方案。
“量子期權定價算法”，使用了量子振幅估計相關的算法，實現雙對數級別的量子加速，從而可以加速使用蒙特卡羅算法，獲得一個高置信度的價格估計。
值得注意的是，研究人員在相同設備和條件下，與國外同類算法進行了對比驗證，無論是準確性還是計算速度，“量子期權定價算法”均優於國外同類算法。
“量子VAR值估計算法”，則瞄準了至關重要的風控場景。
面對金融機構龐大複雜的資產組合，量子計算的並行計算能力大大縮短了風險價值VaR的計算速度，從而幫助金融機構提前防範市場風險，通過量子計算分析和建模海量的事件和場景，幫助客戶確定最優投資組合。
該算法提供了正態分佈和T分佈兩種常見的擬合模型，也應用了量子振幅估計相關的算法，來實現對經典蒙特卡羅算法雙對數級別的量子加速，最後獲得一個穩定的VaR值計算值。
研究團隊同樣和傳統歷史算法進行了對比，使用2020年A股數據進行計算，發現 “量子VAR值估計算法”很好地擬合了VaR值。
從以上兩種應用算法可以看出，對於先進算力，金融行業有着迫切需求。
現代金融業，每時每刻都有大量數據被記錄和存儲，如何保障計算資源高效處理海量數據的速度，是金融機構的重大挑戰。
有分析認爲，量子計算強大的並行計算能力，能夠實現指數級的計算加速，對於金融領域具有多重意義：
首先，顯著提升金融的數據應用水平。在智能風控、智能營銷、智能信貸、智能監管等是典型應用場景，目前的算力水平對數據的應用程度並不充分。
其次，大幅提升金融服務的智能化響應速度。尤其是反欺詐、反洗錢、授信審批、支付清算等業務，對時滯水平具有很高要求。
最後，節省能耗和設備空間。有專家認爲，經典計算有兩個很顯著的缺陷：一方面，信息處理過程會伴隨大量的能耗產生；另一方面，算力提升需要靠增加服務器架構中的GPU，這就需要不斷擴大機房規模，帶來巨大的系統維護成本。
量子計算則在解決特定問題上具有規避這兩大缺陷的潛力：量子計算機的幺正變換具備可逆計算能力，規避了經典計算的能耗問題；單臺量子計算機所具備的強大計算能力，足以媲美經典計算集羣，節省了設備空間。
在金融領域，量子計算未來可期。
未來，依靠量子計算的強大算力，智能金融將不再侷限於智能客服、智能投顧和智能風控等前端垂直應用，而是會貫穿於金融體系生態鏈，從前端業務條線滲透至中後臺業務，形成系統閉環的決策智能化和流程自動化。
到了這一天，纔是真正實現了金融行業的“All in AI”。