目前，各個(gè)行業(yè)數據信息體量不斷增加，提高算力的同時(shí)又降低能耗是各國亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。量子計算則為該問(wèn)題的解決提供了顛覆性思路。近日，全球前沿科技咨詢(xún)機構 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(jiǎn)稱(chēng)報告）。

“從概念構想，到實(shí)驗室成果，再到商業(yè)價(jià)值初探，探索量子計算物理實(shí)現方式和增加量子比特數量，是全球研究機構及科技企業(yè)追逐的關(guān)鍵目標?！盜CV前沿科技咨詢(xún)總監朱迪·格林在解讀報告時(shí)說(shuō)。

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)規律，對信息進(jìn)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(lái)質(zhì)的飛躍。

2021年是量子計算備受矚目的一年。報告指出，量子比特數量實(shí)現較大規模增長(cháng)的同時(shí)，各量子計算硬件技術(shù)均有所發(fā)展；越來(lái)越多的機構開(kāi)始研發(fā)上層軟件和算法，并有越來(lái)越多的算法在小規模實(shí)際問(wèn)題上得到應用。

而量子計算機能夠解決問(wèn)題的規模在很大程度上取決于量子比特的數量。2021年以來(lái)，主要研究團隊都實(shí)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(lián)合開(kāi)發(fā)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(jì)十分亮眼。由中國科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的66量子比特的“祖沖之號”實(shí)現量子計算優(yōu)越性，計算復雜度比谷歌“懸鈴木”提高了6個(gè)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(gè)月內還將推出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，傳統上光量子計算的缺點(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(chǎng)規模約為8億美元，預計到2024年市場(chǎng)規模將增長(cháng)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(shí)代進(jìn)入容錯量子計算時(shí)代?！澳菚r(shí)，量子計算優(yōu)勢將更為廣泛和明顯，全球量子計算市場(chǎng)規模將在容錯量子計算時(shí)代開(kāi)啟時(shí)呈現指數上升趨勢，達千億美元甚至更高?！?/p>

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

從全球量子計算公司的技術(shù)路線(xiàn)圖來(lái)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(shí)現100萬(wàn)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(gè)維度是量子比特的質(zhì)量，主要指標包括相干時(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(mén)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上刷新了單量子比特相干時(shí)間紀錄，達到5500秒。而此前最長(cháng)相干時(shí)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(shí)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(gè)量子比特只與周?chē)?4個(gè)量子比特相連。若能提高連接性，那么可解決問(wèn)題的規模將呈指數級增長(cháng)。

在門(mén)保真度方面，目前最先進(jìn)的量子計算系統的2量子比特門(mén)（糾纏門(mén)）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(guò)半導體技術(shù)實(shí)現的99.99%，但他們僅僅開(kāi)發(fā)了2個(gè)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(chǎng)商發(fā)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(xué)提出了可以控制數百萬(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打下了堅實(shí)基礎。

應用場(chǎng)景向多領(lǐng)域擴散

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億美元的風(fēng)險投資，實(shí)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(jìn)，但國內領(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?？傮w上，國內外量子計算產(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(xiàn)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，中微達信、國盾量子和本源量子與國外廠(chǎng)商并無(wú)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(lái)能解決的所有問(wèn)題，目前還沒(méi)有達成共識。報告分析認為，從行業(yè)上來(lái)說(shuō)，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(chē)、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(guò)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(yè)藥品研發(fā)和新型材料開(kāi)發(fā)。

在金融領(lǐng)域，量子計算適合復雜金融建模，在投資組合及衍生品定價(jià)等方面有潛在優(yōu)勢。

在汽車(chē)領(lǐng)域，多家汽車(chē)廠(chǎng)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(gè)變量的大量數據，而并行計算和不斷優(yōu)化算法，有助于提高天氣預報的準確性。

來(lái)源：《中國科學(xué)報》