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目前，各個(gè)行業(yè)數(shù)據(jù)信息體量不斷增加，提高算力的同時(shí)又降低能耗是各國(guó)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。量子計(jì)算則為該問(wèn)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(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱報(bào)告）。

“從概念構(gòu)想，到實(shí)驗(yàn)室成果，再到商業(yè)價(jià)值初探，探索量子計(jì)算物理實(shí)現(xiàn)方式和增加量子比特?cái)?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(bào)告時(shí)說(shuō)。

量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展亮眼

量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律，對(duì)信息進(jìn)行高速運(yùn)算、存儲(chǔ)、處理的新型計(jì)算。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)具有天然的量子并行計(jì)算能力，存儲(chǔ)能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快，將給現(xiàn)有計(jì)算能力帶來(lái)質(zhì)的飛躍。

2021年是量子計(jì)算備受矚目的一年。報(bào)告指出，量子比特?cái)?shù)量實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模增長(zhǎng)的同時(shí)，各量子計(jì)算硬件技術(shù)均有所發(fā)展；越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)開始研發(fā)上層軟件和算法，并有越來(lái)越多的算法在小規(guī)模實(shí)際問(wèn)題上得到應(yīng)用。

而量子計(jì)算機(jī)能夠解決問(wèn)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(lái)，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(jì)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(guó)團(tuán)隊(duì)的成績(jī)十分亮眼。由中國(guó)科技大學(xué)開發(fā)的66量子比特的“祖沖之號(hào)”實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性，計(jì)算復(fù)雜度比谷歌“懸鈴木”提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)。

此外，Rigetti公司提出了模塊化的量子處理器架構(gòu)，預(yù)計(jì)在幾個(gè)月內(nèi)還將推出80量子比特處理器；IBM公司則推出了127個(gè)量子比特的處理器Eagle。

光量子方面，傳統(tǒng)上光量子計(jì)算的缺點(diǎn)是難以編程，但越來(lái)越多的研究表明，光量子計(jì)算同樣可以編程，例如 Xanadu公司和國(guó)防科技大學(xué)都展示了可編程光量子計(jì)算芯片。

報(bào)告顯示，2021年，全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模約為8億美元，預(yù)計(jì)到2024年市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至40億美元左右。

朱迪·格林預(yù)計(jì)，2030 年前后，全球?qū)?含噪聲量子計(jì)算時(shí)代進(jìn)入容錯(cuò)量子計(jì)算時(shí)代。“那時(shí)，量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)將更為廣泛和明顯，全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模將在容錯(cuò)量子計(jì)算時(shí)代開啟時(shí)呈現(xiàn)指數(shù)上升趨勢(shì)，達(dá)千億美元甚至更高。”

技術(shù)進(jìn)展推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

從全球量子計(jì)算公司的技術(shù)路線圖來(lái)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(wàn)量子比特量子計(jì)算機(jī)的突破。

但報(bào)告也指出，量子計(jì)算機(jī)是否有用的另一個(gè)維度是量子比特的質(zhì)量，主要指標(biāo)包括相干時(shí)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(shí)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(shí)間紀(jì)錄，達(dá)到5500秒。而此前最長(zhǎng)相干時(shí)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?cái)?shù)量較少。超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)例如“祖沖之號(hào)”和“懸鈴木”，單個(gè)量子比特只與周圍 4個(gè)量子比特相連。若能提高連接性，那么可解決問(wèn)題的規(guī)模將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

在門保真度方面，目前最先進(jìn)的量子計(jì)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(jì)算公司通過(guò)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(gè)量子比特。

在測(cè)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(cè)控100+量子比特的測(cè)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(wàn)個(gè)硅自旋量子比特技術(shù)，為未來(lái)百萬(wàn)量子比特處理器的出現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

應(yīng)用場(chǎng)景向多領(lǐng)域擴(kuò)散

報(bào)告顯示，量子計(jì)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(guó)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(jì)算新貴已獲得數(shù)億美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，實(shí)力同樣雄厚。

在國(guó)內(nèi)，科技巨頭阿里巴巴、百度、騰訊、華為等也在跟進(jìn)，但國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的量子計(jì)算公司主要是以本源量子、國(guó)盾量子等為代表的依托高校的公司。總體上，國(guó)內(nèi)外量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初具雛形。

從產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，量子計(jì)算設(shè)備供應(yīng)商以國(guó)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(guó)企業(yè)已占有一席之地，特別是測(cè)控系統(tǒng)，中微達(dá)信、國(guó)盾量子和本源量子與國(guó)外廠商并無(wú)差距，甚至可以達(dá)到更高水平。

報(bào)告顯示，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)未來(lái)能解決的所有問(wèn)題，目前還沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。報(bào)告分析認(rèn)為，從行業(yè)上來(lái)說(shuō)，量子計(jì)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(jì)算有望通過(guò)計(jì)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(jì)算適合復(fù)雜金融建模，在投資組合及衍生品定價(jià)等方面有潛在優(yōu)勢(shì)。

在汽車領(lǐng)域，多家汽車廠商正致力于利用量子計(jì)算技術(shù)研發(fā)性能更好的電池。

在氣象領(lǐng)域，量子計(jì)算可以有效和快速處理包含多個(gè)變量的大量數(shù)據(jù)，而并行計(jì)算和不斷優(yōu)化算法，有助于提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》