目前，各個行業(yè)數(shù)據(jù)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(guān)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(jī)構(gòu) ICV 與光子盒研究院聯(lián)合發(fā)布了《2022全球量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》（以下簡稱報告）。
“從概念構(gòu)想，到實(shí)驗(yàn)室成果，再到商業(yè)價值初探，探索量子計算物理實(shí)現(xiàn)方式和增加量子比特數(shù)量，是全球研究機(jī)構(gòu)及科技企業(yè)追逐的關(guān)鍵目標(biāo)。”ICV前沿科技咨詢總監(jiān)朱迪·格林在解讀報告時說。
量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展亮眼
量子計算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律，對信息進(jìn)行高速運(yùn)算、存儲、處理的新型計算。與傳統(tǒng)計算機(jī)相比，量子計算機(jī)具有天然的量子并行計算能力，存儲能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快，將給現(xiàn)有計算能力帶來質(zhì)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(shù)量實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模增長的同時，各量子計算硬件技術(shù)均有所發(fā)展；越來越多的機(jī)構(gòu)開始研發(fā)上層軟件和算法，并有越來越多的算法在小規(guī)模實(shí)際問題上得到應(yīng)用。
而量子計算機(jī)能夠解決問題的規(guī)模在很大程度上取決于量子比特的數(shù)量。2021年以來，主要研究團(tuán)隊(duì)都實(shí)現(xiàn)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(jī)，哈佛—MIT聯(lián)合開發(fā)了256量子比特基于中性原子的量子模擬器。
在超導(dǎo)方面，中國團(tuán)隊(duì)的成績十分亮眼。由中國科技大學(xué)開發(fā)的66量子比特的“祖沖之號”實(shí)現(xiàn)量子計算優(yōu)越性，計算復(fù)雜度比谷歌“懸鈴木”提高了6個數(shù)量級。
此外，Rigetti公司提出了模塊化的量子處理器架構(gòu)，預(yù)計在幾個月內(nèi)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(tǒng)上光量子計算的缺點(diǎn)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(xué)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(guī)模約為8億美元，預(yù)計到2024年市場規(guī)模將增長至40億美元左右。
朱迪·格林預(yù)計，2030 年前后，全球?qū)?含噪聲量子計算時代進(jìn)入容錯量子計算時代。“那時，量子計算優(yōu)勢將更為廣泛和明顯，全球量子計算市場規(guī)模將在容錯量子計算時代開啟時呈現(xiàn)指數(shù)上升趨勢，達(dá)千億美元甚至更高。”
技術(shù)進(jìn)展推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展
從全球量子計算公司的技術(shù)路線圖來看，2021—2022年左右將突破100量子比特，3年內(nèi)突破1000量子比特，到2030年有望實(shí)現(xiàn)100萬量子比特量子計算機(jī)的突破。
但報告也指出，量子計算機(jī)是否有用的另一個維度是量子比特的質(zhì)量，主要指標(biāo)包括相干時間（決定量子態(tài)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(xué)金奇奐研究組在離子阱系統(tǒng)上刷新了單量子比特相干時間紀(jì)錄，達(dá)到5500秒。而此前最長相干時間紀(jì)錄為660秒。
在量子比特之間的連接程度方面，離子阱系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全連接，但量子比特數(shù)量較少。超導(dǎo)量子計算機(jī)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(guī)模將呈指數(shù)級增長。
在門保真度方面，目前最先進(jìn)的量子計算系統(tǒng)的2量子比特門（糾纏門）保真度都在99%以上，最高紀(jì)錄是澳大利亞硅量子計算公司通過半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)的99.99%，但他們僅僅開發(fā)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(fā)布了可以測控100+量子比特的測控系統(tǒng)。最大的突破則是澳大利亞新南威爾士大學(xué)提出了可以控制數(shù)百萬個硅自旋量子比特技術(shù)，為未來百萬量子比特處理器的出現(xiàn)打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。
應(yīng)用場景向多領(lǐng)域擴(kuò)散
報告顯示，量子計算行業(yè)目前處于早期探索階段，核心參與者不多，產(chǎn)業(yè)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(yè)領(lǐng)先地位，IonQ、Rigetti、PsiQuantum 等量子計算新貴已獲得數(shù)億美元的風(fēng)險投資，實(shí)力同樣雄厚。
在國內(nèi)，科技巨頭阿里巴巴、百度、騰訊、華為等也在跟進(jìn)，但國內(nèi)領(lǐng)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(nèi)外量子計算產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初具雛形。
從產(chǎn)業(yè)鏈來看，量子計算設(shè)備供應(yīng)商以國際公司為主，特別是稀釋制冷機(jī)和低溫同軸線纜。但在其他領(lǐng)域，中國企業(yè)已占有一席之地，特別是測控系統(tǒng)，中微達(dá)信、國盾量子和本源量子與國外廠商并無差距，甚至可以達(dá)到更高水平。
報告顯示，對于量子計算機(jī)未來能解決的所有問題，目前還沒有達(dá)成共識。報告分析認(rèn)為，從行業(yè)上來說，量子計算的潛在應(yīng)用主要包括供應(yīng)鏈、金融、交通、物流、制藥、化工、汽車、航空、能源、氣象等領(lǐng)域。
在制藥或化工領(lǐng)域，量子計算有望通過計算機(jī)數(shù)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(yè)藥品研發(fā)和新型材料開發(fā)。
在金融領(lǐng)域，量子計算適合復(fù)雜金融建模，在投資組合及衍生品定價等方面有潛在優(yōu)勢。
在汽車領(lǐng)域，多家汽車廠商正致力于利用量子計算技術(shù)研發(fā)性能更好的電池。
在氣象領(lǐng)域，量子計算可以有效和快速處理包含多個變量的大量數(shù)據(jù)，而并行計算和不斷優(yōu)化算法，有助于提高天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性。
來源：《中國科學(xué)報》
