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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

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20 王思婷 ? 2019-09-30 09:00:35  來源:前瞻產(chǎn)業(yè)研究院 E4759G0

2019年實(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)架構(gòu)計算機(jī)無法完成的任務(wù),即全球最強(qiáng)大的超算Summit要花1萬年的計算實(shí)驗(yàn)中,谷歌的量子計算機(jī)只用了3分20秒。此舉證實(shí)了量子計算機(jī)性能超越經(jīng)典計算機(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),而是指量子計算機(jī)能夠被證實(shí)擁有超越傳統(tǒng)計算機(jī)性能的絕對優(yōu)勢,則實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。誰先宣布了實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán),誰將會在量子計算長跑中占領(lǐng)先機(jī)。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(yuǎn)的新概念。實(shí)際上,早在1981年量子計算機(jī)的概念就被提出,衍生于量子通信。量子計算是物理學(xué)與信息科學(xué)的交叉學(xué)科,被稱作是經(jīng)典物理學(xué)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(shí)現(xiàn)歷史上第一臺商用量子計算機(jī),率先推動量子計算機(jī)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(tuán)(BCG)曾發(fā)布一份報告稱,量子計算機(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)量子計算機(jī)可以解決經(jīng)典計算機(jī)無法解決的問題,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)的計算,真正使用量子計算機(jī)解決實(shí)際問題還需要數(shù)年時間。

圖表1:量子計算發(fā)展歷程

經(jīng)典計算機(jī)依賴二進(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。而量子計算機(jī)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(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,這種特性讓量子計算的工作速度呈雙指數(shù)倍增長,算力優(yōu)勢達(dá)到恐怖級別,將實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)計算機(jī)的碾壓式跨越。

從上個世紀(jì)80年代開始,一場關(guān)于建造功能最強(qiáng)大、量子比特最多的量子計算機(jī)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(xué)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(jìn)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(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(Quantum Advantage )和量子霸權(quán)(Quantum Supremacy)這兩個目標(biāo)更近一步。

圖表2:過去20年量子計算的爆炸式發(fā)展

摩爾定律瀕臨上限量子計算成為重要突破點(diǎn)

傳統(tǒng)計算機(jī)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(jī)的計算性能也增加一倍。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,量子計算則是另外一種重要的選擇方式。

圖表3:2002-2020年全球芯片制程(單位:納米)

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(diǎn)。

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(biāo)準(zhǔn)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(tuán)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(rèn)為發(fā)展量子信息科學(xué)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。

圖表4:全球量子計算發(fā)展進(jìn)程

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(xué)基金”、“863”計劃和重大專項(xiàng),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(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》,這是我國城市出臺的首個量子信息產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)政策。文件提出2019-2021年,每年安排經(jīng)費(fèi)600萬元,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。

圖表5:我國量子計算發(fā)展相關(guān)政策

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(xiàn)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。

圖表6:全球量子信息產(chǎn)業(yè)參與者分析

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(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(jìn)展最好最快的一種固體量子計算實(shí)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)。

圖表7:超導(dǎo)量子計算發(fā)展現(xiàn)狀

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(jī)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(dá)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(jìn)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(dá)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。

圖表8:2035-2050年全球量子計算市場規(guī)模預(yù)測(單位: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(dá)到科技行業(yè),也將會是量子計算實(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(jī)器學(xué)習(xí)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(kuò)大,成為量子計算應(yīng)用領(lǐng)域的主流。

圖表9:量子元年-5年全球量子計算市場規(guī)模結(jié)構(gòu)(單位:%)

近幾年全球范圍內(nèi)在量子計算物理驗(yàn)證取得的進(jìn)展是有目共睹的,并且也導(dǎo)致了越來越高的市場興趣和投資活動,但是在實(shí)際解決問題方面,國際公認(rèn)短期內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)通用量子計算機(jī)。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(yuǎn)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(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)對復(fù)雜物理過程的高效量子模擬;后期通用量子計算機(jī)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(jī)與經(jīng)典計算機(jī)將實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)。

圖表10:量子計算發(fā)展路線圖

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(jī);

第二個階段是2028到2039年,邏輯量子比特數(shù)量將擴(kuò)展到50多個,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(jī)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(kuò)展,以及量子計算在某些應(yīng)用中超過二進(jìn)制計算的閾值,第二階段和第三階段量子計算機(jī)之間有相當(dāng)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(jī)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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