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量子计算技术产业发展与热点问题分析
作者:吴冰冰、吕博            发布时间:2019-12-06

  量子计算是基于量子力学的新型计算方式,利用量子叠加和纠缠等物理特性,以微观粒子构成的量子比特为基本单元,通过量子态的受控演化实现计算处理,理论上具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力。近年来,量子计算技术发展与应用探索呈现加速趋势,全球各国普遍关注和重视,“量子霸权或量子优势性”等热点话题不断将其推向公众视野。

  一、物理平台探索发展迅速,技术路线仍未收敛

  量子计算研究始于上世纪八十年代,目前已进入工程实验验证和原理样机攻关阶段。量子计算包含量子处理器、量子编码、量子算法、量子软件等关键技术,量子处理器的物理实现是当前阶段的核心瓶颈,包含超导、离子阱、硅量子点、中性原子、光量子、金刚石色心和拓扑等多种技术路线,近期均取得一定进展。超导路线方面,Google 在2018年推出72位量子比特处理器,Rigetti正在构建更强大的128量子比特处理器。我国中科大在2019年已实现24位超导量子比特处理器,并进行多体量子系统模拟;同时,清华大学利用单量子比特实现了精度为98.8%的量子生成对抗网络,未来可应用于图像生成等领域。离子阱路线方面,IonQ已实现79位处理量子比特和160位存储量子比特。光量子路线方面,中科大已实现18位光量子的纠缠操控,处于国际领先地位。硅量子点路线方面,新南威尔士大学报道了保真度为99.96%的单比特逻辑门,以及保真度为98%的双比特逻辑门。目前,量子计算物理平台中的超导和离子阱路线相对领先,但尚无任何一种路线能够完全满足量子计算技术实用化条件实现技术收敛。为充分利用每种技术的优势,未来的量子计算机也可能是多种路线并存的混合体系。

  二、“量子优越性”突破里程碑,实用化尚有距离

  量子优越性(Quantum Supremacy)的概念由MIT的John Preskill教授首先提出,指量子计算在某一个计算问题上,相比于经典计算机可实现指数量级运算能力的加速,从而真正体现量子计算技术的原理性优势。2019年10月,Google公司在《自然》杂志报道了实现量子优越性的研究成果,基于53位量子比特的超导处理器,在解决随机量子线路采样特定计算问题时,具有远超过现有超级计算机的处理能力。Google的此项研究成果是证明量子计算原理优势和技术潜力的首个实际案例,具有重要的的里程碑意义,这一热点事件所引发的震动和关注,将进一步推动全球各国在量子计算领域的研发投入、工程实践和应用探索,为加快量子计算机的研制和实用化注入新动力。

  现阶段量子计算的发展水平距离实用化仍有较大距离。量子计算系统非常脆弱,极易受到材料杂质、环境温度和噪声等外界因素影响而引发退相干效应,使计算准确性受到影响,甚至计算能力遭到破坏。同时,可编程通用量子计算机需要大量满足容错阈值的物理量子比特进行纠错处理,克服退相干效应影响,获得可用的逻辑量子比特。现有研究报道中的物理量子比特数量和容错能力与实际需求尚有很大差距,逻辑量子比特仍未实现。通用量子计算机的实用化,业界普遍预计将需十年以上时间。

  三、生态链不断壮大、应用探索全面展开

  在量子计算领域,美国近年来持续大力投入,已形成政府、科研机构、产业和投资力量多方协同的良好局面,并建立了在技术研究、样机研制和应用探索等方面的全面领先优势。欧(含英国)、日、澳等国紧密跟随,且领先国家之间通过联合攻关和成果共享,形成并不断强化联盟优势。我国近年来取得系列先进成果,但与美欧仍有一定差距。此外,印度、韩国、俄罗斯、以色列等国也开始将量子计算技术列入国家技术计划加大投入。

  科技巨头间的激烈竞争,推动量子计算技术加速发展。Google、IBM、英特尔、微软在量子计算领域布局多年,霍尼韦尔随后加入,产业巨头基于雄厚的资金投入、工程实现和软件控制能力积极开发原型产品、展开激烈竞争,对量子计算成果转化和加速发展助力明显。Google在2018年实现72位超导量子比特,在2019年证明量子优越性。IBM在2019年1月展示具有20位量子比特的超导量子计算机,并在9月将量子比特数量更新为53位。微软在2019年推出量子计算云服务,可以与多种类型的硬件配合使用。霍尼韦尔的离子阱量子比特装置已进入测试阶段。我国阿里巴巴、腾讯、百度和华为近年来通过与科研机构合作或聘请具有国际知名度的科学家成立量子实验室,在量子计算云平台、量子软件及应用开发等领域进行布局。阿里与中科大联合发布量子计算云平台并在2018年推出量子模拟器“太章”。腾讯在量子AI、药物研发和科学计算平台等应用领域展开研发。百度在2018年成立量子计算研究所,开展量子计算软件和信息技术应用等业务研究。华为在2018年发布HiQ量子云平台,并在2019年推出昆仑量子计算模拟一体原型机。我国科技企业进入量子计算领域相对较晚,在样机研制及应用推动方面与美国存在差距。

  初创企业是量子计算技术产业发展的另一主要推动力量。初创企业大多脱胎于科研机构或科技公司,近年来,来自政府、产业巨头和投资机构的创业资本大幅增加,初创企业快速发展。目前,全球有超过百余家初创企业,涵盖软硬件、基础配套及上层应用各环节。

  尽管量子计算目前仍处于产业发展的初期阶段,但军工、气象、金融、石油化工、材料科学、生物医学、航空航天、汽车交通、图像识别和咨询等众多行业已注意到其巨大的发展潜力,开始与科技公司合作探索潜在用途,生态链不断壮大。Google联合多家研究机构将量子退火技术应用于图像处理、蛋白质折叠、交通流量优化、空中交通管制、海啸疏散等领域。JSR和三星尝试使用量子计算研发新材料特性。埃森哲、Biogen和1Qbit联合开发量子化分子比较应用,改善分子设计加速药物研究。德国HQS开发的算法可以在量子计算机和经典计算机上有效地模拟化学过程。摩根大通、巴克莱希望通过蒙特卡洛模拟加速来优化投资组合。硅谷量子计算软件开发商QCware编写量子算法,以提高量化交易和基金管理策略的调整能力,优化资产定价及风险对冲。在达到通用量子计算所需的量子比特数量、量子容错能力和工程化条件等要求之前,专用量子计算机或量子模拟器将成为量子计算发展的下一个重要里程碑,在量子体系模拟、分子结构解析、大数据集优化和机器学习算法加速等领域开发出能够有效发挥量子计算处理优势的典型应用,打开量子计算实用化之门。


  作者信息:

    吴冰冰,博士,中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师,主要从事光模块器件、光传送网和量子信息技术研究。

  联系方式:wubingbing@caict.ac.cn

  吕博,博士,中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师,主要从事人工智能、量子计算和同步技术研究。

  联系方式:lvbo@caict.ac.cn

  

  

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