一文帶你了解量子計(jì)算 產(chǎn)業(yè)化商業(yè)化仍是長(zhǎng)路漫漫

2019年實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”?

9月20日，谷歌發(fā)布論文稱(chēng)已經(jīng)利用一臺(tái)53量子比特的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的任務(wù)，即全球最強(qiáng)大的超算Summit要花1萬(wàn)年的計(jì)算實(shí)驗(yàn)中，谷歌的量子計(jì)算機(jī)只用了3分20秒。此舉證實(shí)了量子計(jì)算機(jī)性能超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，而谷歌研究人員宣布，谷歌已經(jīng)實(shí)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(jì)算機(jī)能夠被證實(shí)擁有超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)性能的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，則實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。誰(shuí)先宣布了實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，誰(shuí)將會(huì)在量子計(jì)算長(zhǎng)跑中占領(lǐng)先機(jī)。盡管相關(guān)論文在美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)網(wǎng)站上不久后被刪除送與評(píng)審，但是關(guān)于量子計(jì)算的討論又開(kāi)始被推上熱門(mén)話(huà)題。

對(duì)于眾多外行來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算仍是個(gè)遙遠(yuǎn)的新概念。實(shí)際上，早在1981年量子計(jì)算機(jī)的概念就被提出，衍生于量子通信。量子計(jì)算是物理學(xué)與信息科學(xué)的交叉學(xué)科，被稱(chēng)作是經(jīng)典物理學(xué)天空的“烏云”。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，量子計(jì)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(shí)現(xiàn)歷史上第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)，率先推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)商業(yè)化，隨后谷歌、IBM、微軟等科技巨頭也開(kāi)始布局。

全球著名咨詢(xún)公司波士頓集團(tuán)(BCG)曾發(fā)布一份報(bào)告稱(chēng)，量子計(jì)算機(jī)將可能改變密碼學(xué)和化學(xué)(以及材料科學(xué)、農(nóng)業(yè)和制藥)等領(lǐng)域的游戲規(guī)則，更不用說(shuō)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，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(shí)量子計(jì)算機(jī)可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題，但是谷歌的系統(tǒng)只能進(jìn)行一次單一的、技術(shù)性很強(qiáng)的計(jì)算，真正使用量子計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題還需要數(shù)年時(shí)間。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)依賴(lài)二進(jìn)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(jì)算機(jī)使用的是量子比特，一個(gè)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(shuō)，n個(gè)“比特”只能表示2n個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)，n個(gè)“量子比特”卻能同時(shí)表示2n個(gè)狀態(tài)。理想狀態(tài)下，50個(gè)量子比特一次可以進(jìn)行2的50次方次運(yùn)算。因此，量子系統(tǒng)具有比二進(jìn)制系統(tǒng)更快更高效的潛力，這種特性讓量子計(jì)算的工作速度呈雙指數(shù)倍增長(zhǎng)，算力優(yōu)勢(shì)達(dá)到恐怖級(jí)別，將實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的碾壓式跨越。

從上個(gè)世紀(jì)80年代開(kāi)始，一場(chǎng)關(guān)于建造功能最強(qiáng)大、量子比特最多的量子計(jì)算機(jī)研發(fā)競(jìng)賽就已經(jīng)拉開(kāi)序幕。1988年IBM、牛津、伯克利、斯坦福和麻省理工學(xué)院的研究人員制作了一個(gè)2比特的計(jì)算系統(tǒng);2017年美國(guó)IBM宣布成功研制一款50量子位處理器原型，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家稱(chēng)“量子霸權(quán)”進(jìn)入爭(zhēng)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(cè)試芯片，名為“Tangle Lake”，過(guò)后兩個(gè)月不到，谷歌公司發(fā)布72量子比特計(jì)算系統(tǒng)“Bristlecone”，同年8月，從事量子計(jì)算研究的新興公司Rigetti預(yù)計(jì)2019年將會(huì)發(fā)布一個(gè)容量為128比特的計(jì)算系統(tǒng)，這一實(shí)現(xiàn)將是量子領(lǐng)域的重大突破，標(biāo)志著距離實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)(Quantum Advantage )和量子霸權(quán)(Quantum Supremacy)這兩個(gè)目標(biāo)更近一步。

摩爾定律瀕臨上限量子計(jì)算成為重要突破點(diǎn)

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)遵循摩爾定律，即每隔18個(gè)月，集成電路上可容納的元器件數(shù)目約增加一倍，計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能也增加一倍。當(dāng)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(tái)積電公司推出的7納米硅基芯片制程理論上已達(dá)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(jì)算則是另外一種重要的選擇方式。

歐美日韓積極布局

當(dāng)前，量子力學(xué)已經(jīng)成為世界的科技研究一大熱點(diǎn)。全球主要國(guó)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(zhēng)搶占新興信息技術(shù)制高點(diǎn)。

美國(guó)是量子計(jì)算布局里最早也最積極的玩家之一，2018年美國(guó)通過(guò)《國(guó)家量子倡議法案》，在此之前，美國(guó)商務(wù)部的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)，以及非營(yíng)利組織SRI International簽署了合作研發(fā)協(xié)議。通過(guò)財(cái)團(tuán)的力量，幫助美國(guó)推動(dòng)量子計(jì)算行業(yè)的發(fā)展。2019年，美國(guó)政府發(fā)布未來(lái)工業(yè)發(fā)展計(jì)劃，將量子信息技術(shù)等四大關(guān)鍵技術(shù)視為未來(lái)科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“基礎(chǔ)設(shè)施”，認(rèn)為發(fā)展量子信息科學(xué)能夠保持美國(guó)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(guó)在全球量子計(jì)算研發(fā)上占據(jù)主導(dǎo)地位。

此外，英國(guó)、德國(guó)、荷蘭等國(guó)也相繼出臺(tái)了針對(duì)量子計(jì)算、量子通信等量子領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃;日本、韓國(guó)起步較晚，但是憑借著本身的技術(shù)積累，在量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展也來(lái)勢(shì)洶洶。

我國(guó)在推動(dòng)量子技術(shù)方面也不甘落后，先后啟動(dòng)“自然科學(xué)基金”、“863”計(jì)劃和重大專(zhuān)項(xiàng)，2016年多個(gè)“十三五”規(guī)劃文件中提及量子計(jì)算的戰(zhàn)略地位，支持量子計(jì)算的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化落地。2019年9月，濟(jì)南市政府正式批復(fù)了《濟(jì)南市人民政府關(guān)于加快建設(shè)量子信息大科學(xué)中心的若干政策措施》，這是我國(guó)城市出臺(tái)的首個(gè)量子信息產(chǎn)業(yè)專(zhuān)項(xiàng)政策。文件提出2019-2021年，每年安排經(jīng)費(fèi)600萬(wàn)元，重點(diǎn)支持量子信息青年科研人員，強(qiáng)化量子科技與人才儲(chǔ)備;在建設(shè)高水平量子研發(fā)機(jī)構(gòu)方面，濟(jì)南市政府最高支持1億元。

隨著量子計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展，一個(gè)由硬件和軟件架構(gòu)師及開(kāi)發(fā)人員、貢獻(xiàn)者、投資者、潛在用戶(hù)和附屬參與者組成的量子計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)雛形顯現(xiàn)?？偟膩?lái)說(shuō)，目前量子信息產(chǎn)業(yè)的主要參與者有五大類(lèi)：端對(duì)端提供商、硬件和系統(tǒng)參與者、軟件和服務(wù)參與者、專(zhuān)家級(jí)參與者。

其中，端對(duì)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(jì)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(kāi)全球合作，與耶魯大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)共性技術(shù)，主要集中在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域，并且這些企業(yè)已經(jīng)在超導(dǎo)量子計(jì)算取得了一定的成果。

超導(dǎo)量子計(jì)算是目前進(jìn)展最好最快的一種固體量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法。超導(dǎo)陣營(yíng)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(wèn)他們的小型芯片，有的已經(jīng)向整個(gè)社區(qū)開(kāi)放了性能較差的版本和模擬器。未來(lái)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(zhǎng)路漫漫

量子計(jì)算的出現(xiàn)，為經(jīng)典計(jì)算機(jī)算力的躍遷帶來(lái)可能，但是目前量子計(jì)算技術(shù)仍處于初級(jí)階段，距離解決工程規(guī)模的問(wèn)題可能還需5-7年。據(jù)IDC預(yù)計(jì)，2027年，全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到107億美元，較2017年相比，10年內(nèi)增長(zhǎng)超過(guò)40倍;波士頓咨詢(xún)發(fā)布的報(bào)告預(yù)測(cè)，在不考慮量子糾錯(cuò)算法的進(jìn)展情況下，保守估計(jì)到2035年全球量子計(jì)算應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到近20億美元，隨后暴漲到2050年的2600多億美元;若量子計(jì)算技術(shù)迭代速度超出預(yù)期，樂(lè)觀估計(jì)2035年市場(chǎng)規(guī)?？赏黄?00億美元，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(lèi)科技的計(jì)算能力，所消耗的時(shí)間和成本巨大，如生物制藥、化工、能源等;還有另一些本身對(duì)計(jì)算能力要求較高達(dá)到科技行業(yè)，也將會(huì)是量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)商用的領(lǐng)域。例如：搜索、數(shù)字安全。人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等等。

當(dāng)前量子計(jì)算元年無(wú)法預(yù)測(cè)，但是可以預(yù)見(jiàn)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(chǎng)規(guī)模將占據(jù)大部分份額，隨著時(shí)間推移，搜索、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字安全三個(gè)行業(yè)憑借本身對(duì)計(jì)算的直接需求，將以量子計(jì)算作為時(shí)代跳板，市場(chǎng)規(guī)模占比逐漸擴(kuò)大，成為量子計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的主流。

近幾年全球范圍內(nèi)在量子計(jì)算物理驗(yàn)證取得的進(jìn)展是有目共睹的，并且也導(dǎo)致了越來(lái)越高的市場(chǎng)興趣和投資活動(dòng)，但是在實(shí)際解決問(wèn)題方面，國(guó)際公認(rèn)短期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)。根據(jù)賽迪智庫(kù)電子信息研究所9月發(fā)布的《量子計(jì)算發(fā)展白皮書(shū)(2019年)》，量子計(jì)算發(fā)展預(yù)計(jì)分為近期、中期與遠(yuǎn)期三個(gè)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(jì)算機(jī)仍有很大距離;中期將利用可控的人造量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜物理過(guò)程的高效量子模擬;后期通用量子計(jì)算機(jī)將對(duì)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(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)將實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)。

BCG預(yù)測(cè)量子計(jì)算在25年內(nèi)將經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展階段，最終走向成熟，該預(yù)測(cè)比前文所述的原計(jì)劃要晚十年。其中，第一個(gè)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(wèn)題的非通用量子計(jì)算機(jī);

第二個(gè)階段是2028到2039年，邏輯量子比特?cái)?shù)量將擴(kuò)展到50多個(gè)，并實(shí)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(kāi)發(fā)等，創(chuàng)造巨大的市場(chǎng)潛力;

第三階段為2031年至2042年，量子計(jì)算機(jī)將在高級(jí)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(shì)的規(guī)模。由于摩爾定律的擴(kuò)展，以及量子計(jì)算在某些應(yīng)用中超過(guò)二進(jìn)制計(jì)算的閾值，第二階段和第三階段量子計(jì)算機(jī)之間有相當(dāng)大的重疊。作為一個(gè)總體軌跡，BGC預(yù)測(cè)2030年左右將出現(xiàn)快速增長(zhǎng)。

更多數(shù)據(jù)參考前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國(guó)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造行業(yè)產(chǎn)銷(xiāo)需求與投資預(yù)測(cè)分析報(bào)告》

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