盤點(diǎn)量子計(jì)算2021：厚積薄發(fā) 恰逢其時(shí)

1月21日消息（余予）近幾年，全球量子計(jì)算熱鬧非凡，競(jìng)爭(zhēng)激烈，成果涌現(xiàn)。從我國(guó)在兩種物理體系達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”，到IBM將低溫超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)的物理量子比特?cái)?shù)量增至127等等。從過去幾十年的進(jìn)程來看，量子計(jì)算的增長(zhǎng)可以說是前所未有的快，尤其是在2021年。

其中最令人驚喜的是，就2021年最后一天，由霍尼韋爾 (Honeywell) 提供支持的Quantinuum H系列量子計(jì)算機(jī)繼續(xù)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)性能提升，其最新離子阱系統(tǒng)H1-2達(dá)到2048量子體積，為2021年畫上一個(gè)完美的句號(hào)。

這可以說是突如其來，也可以說是“時(shí)間到了”。

在國(guó)際數(shù)據(jù)公司 (IDC) 臨近年末發(fā)布的首份全球量子計(jì)算市場(chǎng)預(yù)測(cè)中，IDC認(rèn)為，2021年為量子計(jì)算行業(yè)的關(guān)鍵一年。在這一年，為實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)而實(shí)施的戰(zhàn)略方法變得更加明確：供應(yīng)商發(fā)布了量子計(jì)算路線圖，路線圖強(qiáng)調(diào)改進(jìn)量子比特?cái)U(kuò)展和糾錯(cuò)的方法，通過上市或與政府、教育或私人實(shí)體合作尋求新的融資機(jī)會(huì)，或因預(yù)期提供而合并更全棧的方法。

各國(guó)政策、資金加持 量子研發(fā)底氣十足

量子計(jì)算機(jī)是第二次量子技術(shù)革命的產(chǎn)物，一臺(tái)足夠強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)的算力甚至能超越全球經(jīng)典計(jì)算機(jī)的算力總和。隨著谷歌、IBM、英特爾、微軟等科技公司，以及我國(guó)中國(guó)科大等相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在量子研究方面的投入，量子計(jì)算硬件技術(shù)漸趨成熟。這其中不乏以政府政策及資金的支持為底。

2021年1月，法國(guó)總統(tǒng)馬克龍宣布啟動(dòng)法國(guó)量子技術(shù)國(guó)家戰(zhàn)略，計(jì)劃五年內(nèi)在量子領(lǐng)域投資18億歐元，使法國(guó)躋身量子信息領(lǐng)域的“世界前三”；同年3月，加拿大政府向量子計(jì)算機(jī)制造商D-Wave公司撥款3190萬美元，支持一項(xiàng)價(jià)值1.2億美元的項(xiàng)目，該筆款項(xiàng)將用于開發(fā)量子計(jì)算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)，確保加拿大在量子科技發(fā)展方面始終處于領(lǐng)先地位；德國(guó)將斥資約20億歐元（約合人民幣156億元）支持其在未來四年內(nèi)開發(fā)首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)……等等。

IDC預(yù)測(cè)，量子計(jì)算市場(chǎng)的投資將以11.3%的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (2021-2027) 增長(zhǎng)，到2027年底將達(dá)到近164億美元。投資包括公共和私人資助機(jī)構(gòu)的投資、全球政府支出、來自技術(shù)和服務(wù)供應(yīng)商的內(nèi)部撥款（研發(fā)支出），以及來自風(fēng)險(xiǎn)投資家和私募股權(quán)公司的外部資金。

據(jù)麥肯錫數(shù)據(jù)顯示，2021年對(duì)量子計(jì)算初創(chuàng)企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)資本投資同比增長(zhǎng)2倍，超過17億美元。最重要的是，政府和跨國(guó)公司集體投資了數(shù)十億美元。

雖然投資規(guī)模和增長(zhǎng)率都很大，但量子計(jì)算市場(chǎng)的預(yù)期規(guī)模要大得多。有分析師表示，我們正處于量子計(jì)算“從科學(xué)研究和概念驗(yàn)證，轉(zhuǎn)向硬件和軟件工程師構(gòu)建未來幾年具有商業(yè)前景的產(chǎn)品”的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這需要更多投資來提供有利于廣泛的垂直行業(yè)和用例的大規(guī)模的量子計(jì)算。

量子計(jì)算系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)多種并存 探索仍在繼續(xù)

量子計(jì)算本身作為一種全新計(jì)算，在藥物設(shè)計(jì)、人工智能和安全信息處理等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。研發(fā)出具有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)，是量子計(jì)算領(lǐng)域最重要的發(fā)展目標(biāo)。

近年來，各國(guó)相關(guān)科技實(shí)體紛紛布局，在量子計(jì)算系統(tǒng)構(gòu)建上可謂是下足功夫。就目前來說，在量子計(jì)算系統(tǒng)的構(gòu)建上，現(xiàn)在主要有以下幾種硬件技術(shù)：

·超導(dǎo)量子技術(shù)

據(jù)了解，超導(dǎo)量子技術(shù)是量子系統(tǒng)構(gòu)建主要技術(shù)之一，往往具有較高的保真度及快速門控制，比特?cái)?shù)規(guī)模暫時(shí)處于領(lǐng)先位置，并且其在電路設(shè)計(jì)、制備與測(cè)量集成電路方面兼容，以及其平面二維布局與糾錯(cuò)編碼擁有很高的契合度。

但其也具有如需要極低溫制冷、人工制造量子位可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤等等局限。

超導(dǎo)量子技術(shù)方面，最顯著的代表包括谷歌、IBM、中國(guó)科大等科技實(shí)體。

2021年10月，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”和擁有113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”，使我國(guó)成為了目前世界上唯一在兩種物理體系達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑的國(guó)家。這應(yīng)該也是超導(dǎo)量子技術(shù)在2021年取得的最好成果；

圖一：祖沖之二號(hào)量子處理器圖

圖1：九章二號(hào)整體裝置圖(制圖：陸朝陽，彭禮超)

谷歌于2019年推出“懸鈴木”，根據(jù)其發(fā)布的路線圖預(yù)測(cè)，2029年將實(shí)現(xiàn)百萬位和可糾錯(cuò)量子計(jì)算；

IBM在其2021年峰會(huì)上推出了擁有127個(gè)量子位的“Eagle ”，和此前相比，其每個(gè)新處理器的量子比特?cái)?shù)大約增加了一倍。接下來，IBM計(jì)劃在2022年推出具有433個(gè)量子位的“Osprey” 。

Eagle 3D 架構(gòu)，IBM

除上述幾家具有代表性的企業(yè)及機(jī)構(gòu)外，2021年7月，荷蘭初創(chuàng)公司QuantWare 推出了世界上首個(gè)用于量子計(jì)算機(jī) (QPU) 的商用超導(dǎo)處理器；同年12月初，全棧量子計(jì)算公司Rigetti Computing宣布與微軟合作，通過云向微軟Azure Quantum服務(wù)的用戶提供Rigetti量子計(jì)算機(jī)。

·離子技術(shù)

一開始提到離子技術(shù)，大家第一下想到的大概是霍尼韋爾和IonQ，現(xiàn)在又多了個(gè)Quantinuum——它是英國(guó)量子軟件和操作系統(tǒng)領(lǐng)先公司劍橋量子（Cambridge Quantum）與霍尼韋爾量子解決方案 (HQS) 合并的產(chǎn)物。

2021年，霍尼韋爾推出基于差異化量子電荷耦合器件離子阱技術(shù)架構(gòu)的系統(tǒng)模型H1，其量子體積翻了兩番，達(dá)到512量子體積，成為全球首臺(tái)512量子體積的商用量子計(jì)算機(jī)；

其次是IonQ這家公司，它是首家能夠利用多個(gè)原子種類作為量子位的量子計(jì)算公司，迄今為止已經(jīng)用鐿離子構(gòu)建系統(tǒng)。2021年8月，推出業(yè)界首個(gè)4*16可重構(gòu)多核量子架構(gòu) (RMQ)，該架構(gòu)總共具有64 個(gè)離子，通過離子鏈之間的分離和合并，以創(chuàng)建RQA。同年12月初，IonQ宣布計(jì)劃在其系統(tǒng)中使用鋇離子作為量子位，構(gòu)建一個(gè)更快、更強(qiáng)大、更易于互聯(lián)且為客戶提供更多運(yùn)行時(shí)間的系統(tǒng)。

IonQ的EGT系列離子阱芯片（圖源：IonQ）

最后，在2021年最后一天，由霍尼韋爾 (Honeywell) 提供支持的Quantinuum H 系列量子計(jì)算機(jī)繼續(xù)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)性能提升，其最新離子阱系統(tǒng)H1-2首先達(dá)到2048量子體積。

除上述提及，2021年12月，鴻海研究院宣布成立離子阱實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)表示，隨著離子阱實(shí)驗(yàn)室的成立，未來將結(jié)合鴻?？萍技瘓F(tuán)在半導(dǎo)體、資通訊和精密制造的能力，開發(fā)離子阱晶片、積體光學(xué)，以及先進(jìn)集成電路等核心硬體設(shè)施，由量子計(jì)算研究所主導(dǎo)開發(fā)量子編譯器，并尋求業(yè)界合作，預(yù)計(jì)在5年內(nèi)推出5到10位元開源、可編程的離子阱量子電腦。

·光量子技術(shù)

光學(xué)計(jì)算機(jī)可以在室溫下運(yùn)行，而無需像其他超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)一樣需要昂貴的冷卻設(shè)備。這或許是很多科技實(shí)體開始光量子技術(shù)相關(guān)研究的原因之一。

2021年3月，我國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院QUANTA團(tuán)隊(duì)聯(lián)合軍事科學(xué)院、北京量子信息科學(xué)研究院、中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等國(guó)內(nèi)外單位，研發(fā)出一款新型可編程硅基光量子計(jì)算芯片，實(shí)現(xiàn)了多種圖論問題的量子算法求解，有望未來在大數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

2021年臨近年末，包括日本電報(bào)電話（NTT）公司、東京大學(xué)和日本理研研究所在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高性能的“壓縮光”源，用于光量子計(jì)算的信息傳輸，并在2030年之前利用這項(xiàng)技術(shù)開發(fā)出強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。

除此之外，據(jù)了解，日立公司（Hitachi）正在開發(fā)一種基于硅的量子計(jì)算機(jī)，這被視為未來大規(guī)模系統(tǒng)開發(fā)的一條有前途的途徑。

總體說來，每種技術(shù)架構(gòu)方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。比如說超導(dǎo)量子技術(shù)具有較高的保真度及快速門控制，但其需要極低溫制冷光學(xué)；又比如，光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括可擴(kuò)展性和減少功耗等等。

量子計(jì)算架構(gòu)技術(shù)不會(huì)只局限于這幾種，就像人們常說“辦法總比困難多”一樣，隨著時(shí)代的進(jìn)步，為應(yīng)對(duì)不同環(huán)境需求，解決不同的計(jì)算問題，未來我們還會(huì)看到更多新的方法應(yīng)用于量子計(jì)算系統(tǒng)構(gòu)建。

市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)需求 新廠商積極入局 量子科技公司蓄勢(shì)待發(fā)

2021年，是量子計(jì)算機(jī)為重要的一年，也是競(jìng)爭(zhēng)異常激烈的一年。在一年，除去IBM、IonQ、霍尼韋爾這類的國(guó)外老牌量子計(jì)算公司，國(guó)內(nèi)外量子計(jì)算企業(yè)接連上市，其中還伴隨著合并產(chǎn)出的新公司。

2021年10月1日，IonQ 成為第一家上市的量子計(jì)算公司，估值約為20億美元，緊隨其后的是Rigetti Computing，估值為15億美元。

其次，還伴隨著新玩家的入局——Quantinuum，英國(guó)量子軟件和操作系統(tǒng)領(lǐng)先公司劍橋量子（Cambridge Quantum）與霍尼韋爾量子解決方案 (HQS) 合并的產(chǎn)物。

圖源：Quantinuum

并且，“我們預(yù)計(jì)在未來12個(gè)月內(nèi)，將成為一家上市公司，”曾領(lǐng)導(dǎo)HQS，現(xiàn)在擔(dān)任Quantinuum總裁兼首席運(yùn)營(yíng)官的Tony Uttley表示。

除了上市公司及新玩家的入場(chǎng)，2021年，量子技術(shù)領(lǐng)域也出現(xiàn)大量投資，從貝萊德和微軟風(fēng)險(xiǎn)基金等向PsiQuantum注資4.5 億美元，到霍尼韋爾量子解決方案與劍橋量子計(jì)算公司的合并以及高達(dá)3億美元的計(jì)劃投資，人們對(duì)量子技術(shù)領(lǐng)域的興趣正在增加。我們似乎還會(huì)繼續(xù)看到更大的科技巨頭對(duì)初創(chuàng)公司進(jìn)行投資以擴(kuò)大其量子能力，并打算盡快將可行的解決方案推向市場(chǎng)。

在小編看來，新玩家的入局，量子計(jì)算企業(yè)的上市無不說明了量子計(jì)算這一技術(shù)的重要。盡管它現(xiàn)在還處于初期階段，未來還有很多可能性。

量子計(jì)算用例廣泛 助力各行各業(yè)

量子計(jì)算可以說是很神秘，我們對(duì)它的印象大多數(shù)是實(shí)驗(yàn)室、研究團(tuán)隊(duì)、科技公司等等。離我們實(shí)際生活很是遙遠(yuǎn)。但不得不說，每一年，量子計(jì)算都在朝著商業(yè)可行邁進(jìn)。

量子計(jì)算將能夠解決材料科學(xué)和化學(xué)中的復(fù)雜問題，通過使用超越任何傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)能力的新算法模擬分子和材料；同時(shí)，也可以有效地模擬其他量子系統(tǒng)，從而對(duì)復(fù)雜材料的化學(xué)和物理特性進(jìn)行更可預(yù)測(cè)和準(zhǔn)確的洞察。

那么，隨著量子計(jì)算不斷朝著商業(yè)可行邁進(jìn)，未來我們將看到將NISQ機(jī)器用于金融服務(wù)、航空航天、物流以及制藥或化學(xué)等領(lǐng)域的一些有趣的用例的新方法。

而在2021年，我們已經(jīng)看到了這樣的商業(yè)用例的誕生，有些已經(jīng)實(shí)行，有些還尚在開發(fā)中。

·PsiQuantum和QunaSys日前宣布一項(xiàng)聯(lián)合研究項(xiàng)目，評(píng)估用于工業(yè)化學(xué)計(jì)算的容錯(cuò)量子計(jì)算的能力，旨在加速可持續(xù)材料的開發(fā)；

·日本JSR Corporation (“JSR”)作為alpha客戶加入了該項(xiàng)目，將評(píng)估量子計(jì)算在光刻膠、彈性體、塑料和試劑制造方面的進(jìn)展。

·全球鋼鐵制造商N(yùn)ippon Steel日前與劍橋量子計(jì)算公司 (CQC)和霍尼韋爾合作優(yōu)化工廠調(diào)度問題。

·IBM 和 E.ON 旨在通過量子計(jì)算推動(dòng)能源行業(yè)的轉(zhuǎn)型。

量子計(jì)算勢(shì)頭不減 2022年將大展宏圖

就我們所了解的，量子計(jì)算早在多年以前便成為各國(guó)研究團(tuán)隊(duì)、科學(xué)家們的研究對(duì)象，在量子計(jì)算方面的研究有著很長(zhǎng)的歷史，特別是在過去兩年中，這一技術(shù)經(jīng)歷了前所未有的增長(zhǎng)。

縱觀整個(gè)2021，盡管量子計(jì)算還不一個(gè)家喻戶曉的名詞，盡管它還是離我們的實(shí)際生活有很大的距離，但其身上卻具備很多的希望、潛力和未來。

2021年，量子計(jì)算不斷走向商業(yè)化，各個(gè)科技實(shí)體陸續(xù)發(fā)布發(fā)展路線圖，研究機(jī)構(gòu)不斷嘗試新想法并得出成果，政府加大政策、資金支持力度等等?；谝陨?，量子計(jì)算優(yōu)越性”似乎也不再是很難觸及的高度。

而2022年，量子計(jì)算的激情將繼續(xù)保持下去，當(dāng)然，也許會(huì)更加高漲。

這不是理所應(yīng)當(dāng)?shù)膯幔?

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