一文帶你了解量子計算 產(chǎn)業(yè)化商業(yè)化仍是長路漫漫

2019年實現(xiàn)“量子霸權(quán)”?

9月20日，谷歌發(fā)布論文稱已經(jīng)利用一臺53量子比特的量子計算機實現(xiàn)了傳統(tǒng)架構(gòu)計算機無法完成的任務(wù)，即全球最強大的超算Summit要花1萬年的計算實驗中，谷歌的量子計算機只用了3分20秒。此舉證實了量子計算機性能超越經(jīng)典計算機，而谷歌研究人員宣布，谷歌已經(jīng)實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

此處并非傳統(tǒng)意義上的霸權(quán)，而是指量子計算機能夠被證實擁有超越傳統(tǒng)計算機性能的絕對優(yōu)勢，則實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。誰先宣布了實現(xiàn)量子霸權(quán)，誰將會在量子計算長跑中占領(lǐng)先機。盡管相關(guān)論文在美國國家航空航天局(NASA)網(wǎng)站上不久后被刪除送與評審，但是關(guān)于量子計算的討論又開始被推上熱門話題。

對于眾多外行來說，量子計算仍是個遙遠的新概念。實際上，早在1981年量子計算機的概念就被提出，衍生于量子通信。量子計算是物理學與信息科學的交叉學科，被稱作是經(jīng)典物理學天空的“烏云”。經(jīng)過多年發(fā)展，量子計算已經(jīng)不再只停留在理論研究階段，2007年加拿大D-Wave公司實現(xiàn)歷史上第一臺商用量子計算機，率先推動量子計算機商業(yè)化，隨后谷歌、IBM、微軟等科技巨頭也開始布局。

全球著名咨詢公司波士頓集團(BCG)曾發(fā)布一份報告稱，量子計算機將可能改變密碼學和化學(以及材料科學、農(nóng)業(yè)和制藥)等領(lǐng)域的游戲規(guī)則，更不用說人工智能和機器學習，此外物流、制造業(yè)、金融和能源，都將因此而改變。盡管谷歌已經(jīng)證實量子計算機可以解決經(jīng)典計算機無法解決的問題，但是谷歌的系統(tǒng)只能進行一次單一的、技術(shù)性很強的計算，真正使用量子計算機解決實際問題還需要數(shù)年時間。

經(jīng)典計算機依賴二進制，信息量的基本度量單位是比特，每一位可以表示為0或1。而量子計算機使用的是量子比特，一個量子比特不僅可以表示為0或1，還能表示0與1的疊加態(tài)(量子疊加)，也就是說，n個“比特”只能表示2n個狀態(tài)中的一個，n個“量子比特”卻能同時表示2n個狀態(tài)。理想狀態(tài)下，50個量子比特一次可以進行2的50次方次運算。因此，量子系統(tǒng)具有比二進制系統(tǒng)更快更高效的潛力，這種特性讓量子計算的工作速度呈雙指數(shù)倍增長，算力優(yōu)勢達到恐怖級別，將實現(xiàn)對傳統(tǒng)計算機的碾壓式跨越。

從上個世紀80年代開始，一場關(guān)于建造功能最強大、量子比特最多的量子計算機研發(fā)競賽就已經(jīng)拉開序幕。1988年IBM、牛津、伯克利、斯坦福和麻省理工學院的研究人員制作了一個2比特的計算系統(tǒng);2017年美國IBM宣布成功研制一款50量子位處理器原型，業(yè)內(nèi)專家稱“量子霸權(quán)”進入爭奪關(guān)鍵期;2018年初英特爾推出了49量子比特超導(dǎo)量子測試芯片，名為“Tangle Lake”，過后兩個月不到，谷歌公司發(fā)布72量子比特計算系統(tǒng)“Bristlecone”，同年8月，從事量子計算研究的新興公司Rigetti預(yù)計2019年將會發(fā)布一個容量為128比特的計算系統(tǒng)，這一實現(xiàn)將是量子領(lǐng)域的重大突破，標志著距離實現(xiàn)量子優(yōu)勢(Quantum Advantage )和量子霸權(quán)(Quantum Supremacy)這兩個目標更近一步。

摩爾定律瀕臨上限量子計算成為重要突破點

傳統(tǒng)計算機遵循摩爾定律，即每隔18個月，集成電路上可容納的元器件數(shù)目約增加一倍，計算機的計算性能也增加一倍。當前集成電路在材料和制程工藝方面已經(jīng)逼近瓶頸，2018年臺積電公司推出的7納米硅基芯片制程理論上已達到物理極限，要想繼續(xù)突破除了改用碳元素制作芯片，量子計算則是另外一種重要的選擇方式。

歐美日韓積極布局

當前，量子力學已經(jīng)成為世界的科技研究一大熱點。全球主要國家高度關(guān)注量子信息技術(shù)發(fā)展，紛紛加大政策和資金支持，力爭搶占新興信息技術(shù)制高點。

美國是量子計算布局里最早也最積極的玩家之一，2018年美國通過《國家量子倡議法案》，在此之前，美國商務(wù)部的國家標準與技術(shù)研究院(NIST)，以及非營利組織SRI International簽署了合作研發(fā)協(xié)議。通過財團的力量，幫助美國推動量子計算行業(yè)的發(fā)展。2019年，美國政府發(fā)布未來工業(yè)發(fā)展計劃，將量子信息技術(shù)等四大關(guān)鍵技術(shù)視為未來科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“基礎(chǔ)設(shè)施”，認為發(fā)展量子信息科學能夠保持美國在全球產(chǎn)業(yè)變革中的主導(dǎo)地位。政策上的持續(xù)加碼，讓美國在全球量子計算研發(fā)上占據(jù)主導(dǎo)地位。

此外，英國、德國、荷蘭等國也相繼出臺了針對量子計算、量子通信等量子領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃;日本、韓國起步較晚，但是憑借著本身的技術(shù)積累，在量子計算領(lǐng)域的發(fā)展也來勢洶洶。

我國在推動量子技術(shù)方面也不甘落后，先后啟動“自然科學基金”、“863”計劃和重大專項，2016年多個“十三五”規(guī)劃文件中提及量子計算的戰(zhàn)略地位，支持量子計算的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化落地。2019年9月，濟南市政府正式批復(fù)了《濟南市人民政府關(guān)于加快建設(shè)量子信息大科學中心的若干政策措施》，這是我國城市出臺的首個量子信息產(chǎn)業(yè)專項政策。文件提出2019-2021年，每年安排經(jīng)費600萬元，重點支持量子信息青年科研人員，強化量子科技與人才儲備;在建設(shè)高水平量子研發(fā)機構(gòu)方面，濟南市政府最高支持1億元。

隨著量子計算技術(shù)不斷發(fā)展，一個由硬件和軟件架構(gòu)師及開發(fā)人員、貢獻者、投資者、潛在用戶和附屬參與者組成的量子計算生態(tài)系統(tǒng)雛形顯現(xiàn)。總的來說，目前量子信息產(chǎn)業(yè)的主要參與者有五大類：端對端提供商、硬件和系統(tǒng)參與者、軟件和服務(wù)參與者、專家級參與者。

其中，端對端集成公司仍然是技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)的中心。它們往往是大型科技公司和資金充足的初創(chuàng)公司，前者中如IBM一直是量子計算的先驅(qū)，并一直走在產(chǎn)業(yè)發(fā)展最前沿;后者如Rigetti是初創(chuàng)公司中領(lǐng)頭羊。

基礎(chǔ)研究方面，谷歌、IBM、英特爾等科技巨頭積極展開全球合作，與耶魯大學、麻省理工學院、加州大學等科研機構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)共性技術(shù)，主要集中在超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域，并且這些企業(yè)已經(jīng)在超導(dǎo)量子計算取得了一定的成果。

超導(dǎo)量子計算是目前進展最好最快的一種固體量子計算實現(xiàn)方法。超導(dǎo)陣營的所有主要參與者都已讓軟件和服務(wù)公司以及首選合作伙伴能夠從外部訪問他們的小型芯片，有的已經(jīng)向整個社區(qū)開放了性能較差的版本和模擬器。未來三到四年內(nèi)超導(dǎo)量子元位可能領(lǐng)先于其他技術(shù)。

具體落地應(yīng)用依舊長路漫漫

量子計算的出現(xiàn)，為經(jīng)典計算機算力的躍遷帶來可能，但是目前量子計算技術(shù)仍處于初級階段，距離解決工程規(guī)模的問題可能還需5-7年。據(jù)IDC預(yù)計，2027年，全球量子計算市場規(guī)模將達到107億美元，較2017年相比，10年內(nèi)增長超過40倍;波士頓咨詢發(fā)布的報告預(yù)測，在不考慮量子糾錯算法的進展情況下，保守估計到2035年全球量子計算應(yīng)用市場規(guī)模將達到近20億美元，隨后暴漲到2050年的2600多億美元;若量子計算技術(shù)迭代速度超出預(yù)期，樂觀估計2035年市場規(guī)模可突破600億美元，2050年則有望飆升至2950億美元。

在一些傳統(tǒng)行業(yè)，以現(xiàn)有人類科技的計算能力，所消耗的時間和成本巨大，如生物制藥、化工、能源等;還有另一些本身對計算能力要求較高達到科技行業(yè)，也將會是量子計算實現(xiàn)商用的領(lǐng)域。例如：搜索、數(shù)字安全。人工智能、機器學習等等。

當前量子計算元年無法預(yù)測，但是可以預(yù)見的是，在所有商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不存在偶然爆發(fā)的情況下，前5年的發(fā)展將非常平穩(wěn)。生物醫(yī)藥和化工行業(yè)作為龐大的行業(yè)，在量子元年應(yīng)用市場規(guī)模將占據(jù)大部分份額，隨著時間推移，搜索、機器學習和數(shù)字安全三個行業(yè)憑借本身對計算的直接需求，將以量子計算作為時代跳板，市場規(guī)模占比逐漸擴大，成為量子計算應(yīng)用領(lǐng)域的主流。

近幾年全球范圍內(nèi)在量子計算物理驗證取得的進展是有目共睹的，并且也導(dǎo)致了越來越高的市場興趣和投資活動，但是在實際解決問題方面，國際公認短期內(nèi)無法實現(xiàn)通用量子計算機。根據(jù)賽迪智庫電子信息研究所9月發(fā)布的《量子計算發(fā)展白皮書(2019年)》，量子計算發(fā)展預(yù)計分為近期、中期與遠期三個階段。

近期的量子霸權(quán)僅為技術(shù)研發(fā)初期的一種特有概念形式，距離真正的量子計算機仍有很大距離;中期將利用可控的人造量子系統(tǒng)實現(xiàn)對復(fù)雜物理過程的高效量子模擬;后期通用量子計算機將對大數(shù)據(jù)。人工智能。密碼破譯等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響，并且量子計算機與經(jīng)典計算機將實現(xiàn)功能互補。

BCG預(yù)測量子計算在25年內(nèi)將經(jīng)歷三個發(fā)展階段，最終走向成熟，該預(yù)測比前文所述的原計劃要晚十年。其中，第一個階段是2018到2028年，工程師們將研發(fā)出可用于低復(fù)雜程度的量子模擬問題的非通用量子計算機;

第二個階段是2028到2039年，邏輯量子比特數(shù)量將擴展到50多個，并實現(xiàn)所謂的“量子霸權(quán)”，更快速地執(zhí)行特定算法的應(yīng)用程序，主要包括分子模擬、研發(fā)和軟件開發(fā)等，創(chuàng)造巨大的市場潛力;

第三階段為2031年至2042年，量子計算機將在高級模擬、搜索和優(yōu)化的商業(yè)應(yīng)用取得比經(jīng)典方法更有顯著優(yōu)勢的規(guī)模。由于摩爾定律的擴展，以及量子計算在某些應(yīng)用中超過二進制計算的閾值，第二階段和第三階段量子計算機之間有相當大的重疊。作為一個總體軌跡，BGC預(yù)測2030年左右將出現(xiàn)快速增長。

更多數(shù)據(jù)參考前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造行業(yè)產(chǎn)銷需求與投資預(yù)測分析報告》

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