目前，各個行業數據信息體量不斷增加，提高算力的同時又降低能耗是各國亟待解決的關鍵問題。量子計算則為該問題的解決提供了顛覆性思路。近日，全球前沿科技咨詢機構 ICV 與光子盒研究院聯合發布了《2022全球量子計算產業發展報告》（以下簡稱報告）。
“從概念構想，到實驗室成果，再到商業價值初探，探索量子計算物理實現方式和增加量子比特數量，是全球研究機構及科技企業追逐的關鍵目標。”ICV前沿科技咨詢總監朱迪·格林在解讀報告時說。
量子計算產業發展亮眼
量子計算是一種遵循量子力學規律，對信息進行高速運算、存儲、處理的新型計算。與傳統計算機相比，量子計算機具有天然的量子并行計算能力，存儲能力強、運算速度快，將給現有計算能力帶來質的飛躍。
2021年是量子計算備受矚目的一年。報告指出，量子比特數量實現較大規模增長的同時，各量子計算硬件技術均有所發展；越來越多的機構開始研發上層軟件和算法，并有越來越多的算法在小規模實際問題上得到應用。
而量子計算機能夠解決問題的規模在很大程度上取決于量子比特的數量。2021年以來，主要研究團隊都實現了這方面的突破，中性原子公司等推出了100+量子比特量子計算機，哈佛—MIT聯合開發了256量子比特基于中性原子的量子模擬器。
在超導方面，中國團隊的成績十分亮眼。由中國科技大學開發的66量子比特的“祖沖之號”實現量子計算優越性，計算復雜度比谷歌“懸鈴木”提高了6個數量級。
此外，Rigetti公司提出了模塊化的量子處理器架構，預計在幾個月內還將推出80量子比特處理器；IBM公司則推出了127個量子比特的處理器Eagle。
光量子方面，傳統上光量子計算的缺點是難以編程，但越來越多的研究表明，光量子計算同樣可以編程，例如 Xanadu公司和國防科技大學都展示了可編程光量子計算芯片。
報告顯示，2021年，全球量子計算市場規模約為8億美元，預計到2024年市場規模將增長至40億美元左右。
朱迪·格林預計，2030 年前后，全球將從 含噪聲量子計算時代進入容錯量子計算時代。“那時，量子計算優勢將更為廣泛和明顯，全球量子計算市場規模將在容錯量子計算時代開啟時呈現指數上升趨勢，達千億美元甚至更高。”
技術進展推動產業發展
從全球量子計算公司的技術路線圖來看，2021—2022年左右將突破100量子比特，3年內突破1000量子比特，到2030年有望實現100萬量子比特量子計算機的突破。
但報告也指出，量子計算機是否有用的另一個維度是量子比特的質量，主要指標包括相干時間（決定量子態可以保持多久）、量子比特之間的連接程度、門保真度等。
在相干時間方面，2021年清華大學金奇奐研究組在離子阱系統上刷新了單量子比特相干時間紀錄，達到5500秒。而此前最長相干時間紀錄為660秒。
在量子比特之間的連接程度方面，離子阱系統可以實現全連接，但量子比特數量較少。超導量子計算機例如“祖沖之號”和“懸鈴木”，單個量子比特只與周圍 4個量子比特相連。若能提高連接性，那么可解決問題的規模將呈指數級增長。
在門保真度方面，目前最先進的量子計算系統的2量子比特門（糾纏門）保真度都在99%以上，最高紀錄是澳大利亞硅量子計算公司通過半導體技術實現的99.99%，但他們僅僅開發了2個量子比特。
在測量和控制方面，2021年以蘇黎世儀器為代表的一些廠商發布了可以測控100+量子比特的測控系統。最大的突破則是澳大利亞新南威爾士大學提出了可以控制數百萬個硅自旋量子比特技術，為未來百萬量子比特處理器的出現打下了堅實基礎。
應用場景向多領域擴散
報告顯示，量子計算行業目前處于早期探索階段，核心參與者不多，產業鏈上下游較為清晰。目前國外科技巨頭如IBM、谷歌、亞馬遜、微軟、英特爾、霍尼韋爾等處于行業領先地位，IonQ、Rigetti、PsiQuantum 等量子計算新貴已獲得數億美元的風險投資，實力同樣雄厚。
在國內，科技巨頭阿里巴巴、百度、騰訊、華為等也在跟進，但國內領先的量子計算公司主要是以本源量子、國盾量子等為代表的依托高校的公司。總體上，國內外量子計算產業鏈已經初具雛形。
從產業鏈來看，量子計算設備供應商以國際公司為主，特別是稀釋制冷機和低溫同軸線纜。但在其他領域，中國企業已占有一席之地，特別是測控系統，中微達信、國盾量子和本源量子與國外廠商并無差距，甚至可以達到更高水平。
報告顯示，對于量子計算機未來能解決的所有問題，目前還沒有達成共識。報告分析認為，從行業上來說，量子計算的潛在應用主要包括供應鏈、金融、交通、物流、制藥、化工、汽車、航空、能源、氣象等領域。
在制藥或化工領域，量子計算有望通過計算機數字形式直接幫助研究人員獲得大型分子性狀，加快制藥行業藥品研發和新型材料開發。
在金融領域，量子計算適合復雜金融建模，在投資組合及衍生品定價等方面有潛在優勢。
在汽車領域，多家汽車廠商正致力于利用量子計算技術研發性能更好的電池。
在氣象領域，量子計算可以有效和快速處理包含多個變量的大量數據，而并行計算和不斷優化算法，有助于提高天氣預報的準確性。
來源：《中國科學報》
