算力是数字经济的核心生产力,如同农业时代的水利、工业时代的电力,是全球战略竞争的焦点。作为一种全新计算范式的量子计算,具有经典计算技术无法比拟的巨大信息携带量和超强并行计算处理能力,有望成为未来几乎所有科技领域加速发展的“新引擎”。
目前全球范围内正在如火如荼地展开大规模量子计算竞赛,在《福布斯》网站公布的“有望在2023年塑造世界面貌的8大科技趋势”中,量子计算占据一席之地,并提到“2023年,美国、英国、中国和俄罗斯等国都将投入大量资金发展量子计算技术。”
相对于其他前沿技术赛道,量子计算赛道具有技术壁垒高、研发成本大,投资周期长等特点,核心参与者并不多。目前参与者主要分为四类,第一类是国际科技巨头,例如 IBM、 谷歌、霍尼韦尔等;第二类是量子计算初创公司,例如 Rigetti、IonQ、启科量子、本源量子等;第三类是国家科研院所,例如美国费米国家实验室、中科院量子信息与量子科技创新研究院;第四类是高水平研究型大学,例如剑桥大学、哈佛大学、中科大等。
在这四类参与者的推动下,全球量子计算蓬勃发展,量子计算发展呈现一派蓬勃景象。
量子计算走出实验室
目前,全球量子计算机发展正处于NISQ(含噪中型量子)阶段,是技术验证和原理样机研制阶段,面临量子比特数量少、相干时间短、量子比特系统尚未“纠错”等诸多挑战。量子计算机也在这一阶段走出了严苛的先进实验室,逐渐接“地气”。
近年来,国外量子计算巨头如IBM、谷歌、微软、霍尼韦尔等开始尝试将量子计算机带出实验室,陆续推出工程化方案和工程机。国内企业也不逞多让,如本源量子推出了超导量子计算机工程机,启科量子推出了离子阱量子计算机工程机。
本源量子的超导量子计算机工程机名为“悟源”,由超导量子芯片系统、量子计算测控系统、量子计算机操作系统和量子计算环境支撑系统等组成部分,实现了自主可控,其保真度、相干时间等技术指标均达到国际先进水平,是国内首个超导量子计算机工程机。
启科量子的离子阱量子计算工程机名为天算1号,由离子阱系统、工作环境系统、光学系统和测控系统四大系统组成,其中离子阱系统提供离子源并实现对离子囚禁,光学系统实现对离子冷却以及量子态操控,工作环境系统主要是提供超高真空环境以减少背景气体分子对离子的碰撞,测控系统通过指令时序调节电压、激光等参数以实现计算的主要步骤,是我国首台模块化离子阱量子计算工程机。
实现量子计算机有多种方案,包括离子阱、超导、量子点、光量子等,其中离子阱和超导两种方案是符合量子计算机五大基本准则的路径,离子阱还能同时满足量子网络两条准则。
因此离子阱和超导技术路线当前处于领先地位,发展也最为迅速。
量子计算应用落地加速
现阶段量子计算虽然还处于发展早期,但很多技术堡垒已经被逐一攻克,各大科技公司的入局和资本的青睐,让量子计算产业化步伐加速,并已在部分领域取得突破性进展。
根据波士顿咨询集团(BCG)发布的报告,量子计算的巨大价值潜力已经深入各行各业。量子计算未来15至30年市场规模将达到4500亿至8500亿美元,并在密码学、大数据和人工智能、金融工程、生物化学、材料设计、航空航天等众多领域产生颠覆性创新研究影响。
如IBM与汇丰银行合作,探索量子计算在金融服务中的应用,使用量子计算进行定价和投资组合优化,并提升识别和解决欺诈行为等能力;谷歌与医药公司勃林格殷格翰合作,专注于研究与实现药物研发领域量子计算的前沿应用案例,尤其在分子动力学模拟领域特别突出;IonQ 与现代汽车公司展开多次合作,探索使用量子计算来改进电池化学性质,将量子机器学习应用于未来移动设备的图像分类和3D物体检测,并合作开发IonQ的机器视觉算法,该算法能对自动驾驶汽车的三维数据进行物体检测。
启科量子相关负责人对媒体表示,目前公司已与国内保险、证券、新药研发、密码、科教等领域的重要用户建立了伙伴关系,公司自主研发的量子计算工程机将助力打造以离子阱量子计算机为核心的全产业链生态,有望在供应链、金融、制药、化工、交通、汽车、物流、航空、能源、气象等领域注入“经典-量子”异构算力,解决如生物结构模拟、物流效率计算、寻找靶向药物等重要复杂问题。
未来,随着量子比特位数的增加,量子计算的计算存储能力还将呈指数级规模拓展。尽管国内外不少量子计算工程机都具备制备数十甚至上百物理比特的能力,但对量子计算实用化有决定意义的还是逻辑比特。目前国内外量子计算机的逻辑比特数量仍然在10左右徘徊,未来需要进行技术突破。在此,期待国内量子计算机企业,持续攻坚克难,勇于探索创新,打造量子计算领域的中国名片。
