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萬(wàn)字全文!2023全球量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望
來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)   發(fā)布日期:2023-02-22 09:23:02   瀏覽:9369次  

導讀:光子盒研究院出品 量子計算機是一種新型的、正在研發(fā)中的下一代計算機,量子計算因其強大的并行計算能力,將極有可能推動(dòng)新一輪的信息科技革命。 目前全球主要科技國均已開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研發(fā),積極布局和發(fā)展量子計算產(chǎn)業(yè)。一旦實(shí)現大規模量子計算,將對目前的...

光子盒研究院出品

量子計算機是一種新型的、正在研發(fā)中的下一代計算機,量子計算因其強大的并行計算能力,將極有可能推動(dòng)新一輪的信息科技革命。

目前全球主要科技國均已開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研發(fā),積極布局和發(fā)展量子計算產(chǎn)業(yè)。一旦實(shí)現大規模量子計算,將對目前的加密體系降維打擊,因此對于國家信息安全具有重要戰略意義。此外,其下游廣泛的應用前景未來(lái)很可能會(huì )改變銀行業(yè)、藥物研發(fā)、物流等行業(yè)的規則。

2022年,量子計算的各技術(shù)路線(xiàn)未收斂的特點(diǎn)愈發(fā)明顯,各個(gè)路線(xiàn)均有不同程度上的突破,全球量子計算的先驅者們伴隨著(zhù)量子糾錯的主趨勢,正快速穿越NISQ時(shí)代,其中超導量子比特數量有望在新的一年里進(jìn)入千位量子比特時(shí)代。

2022年是“中性原子元年”,無(wú)論是在技術(shù)還是商業(yè)成熟度上,中性原子技術(shù)路線(xiàn)都呈現出跨越式的發(fā)展。我們很驚訝地發(fā)現,過(guò)去三年,每年我們都有一個(gè)主題,如2019年是“超導元年”,2020年是“離子阱元年”,2021年是“光量子元年”。我們也可以憧憬一下,2023年會(huì )是“半導體元年”嗎?

然而,技術(shù)的快速發(fā)展并沒(méi)有帶來(lái)企業(yè)估值和融資的好消息,2022年全球整體融資增速出現了自2018年以來(lái)的首次放緩,市場(chǎng)機構的投資熱情和投資信心似乎出現了短暫的休整,這或許不是壞事,因為部分企業(yè)包括媒體在這幾年所吹起來(lái)的泡沫正好需要擠擠。

2022年,各主要科技國不斷加強政策支持,加快布局量子計算已經(jīng)成為過(guò)去一年全球前沿科技發(fā)展的主旋律,其中以美國和中國兩強最為突出,他們之間的競爭與對抗也愈發(fā)積累。

盡管我們不能準確預測量子計算在未來(lái)某年將會(huì )達到多高的量子比特數目、多低的計算誤差率以及會(huì )有哪些完全顛覆現有認知的應用,但從經(jīng)典計算機的發(fā)展歷史中,我們可以清楚地認識到,人類(lèi)對于算力的需求是永無(wú)止境的。因此,我們(ICV)對全球量子計算機產(chǎn)業(yè)的未來(lái)仍然抱有極大的信心和熱情,量子計算機也必定會(huì )將人類(lèi)的新征程推向星辰大海!

2022產(chǎn)業(yè)發(fā)展透視

1)仍在早期快速發(fā)展階段

回顧2022年,無(wú)論是各硬件技術(shù)路線(xiàn)還是軟件開(kāi)發(fā)與平臺的擴充,總體上量子計算行業(yè)仍處在早期快速發(fā)展的階段。與硬件各路線(xiàn)百花齊放所不同的是,量子軟件開(kāi)源成為當前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要特征之一。目前由于開(kāi)源軟件的開(kāi)放性和基于社區的共享性使得源碼中經(jīng)常包含很多漏洞,導致缺陷處理的成本大幅增加,阻礙了開(kāi)源軟件的應用推廣。因此,當前研究的熱點(diǎn)之一是如何有效、準確地發(fā)現軟件缺陷,并快速修復軟件缺陷。

2)產(chǎn)業(yè)鏈逐漸清晰與完善

隨著(zhù)量子計算機各個(gè)路線(xiàn)研發(fā)工作的逐步推進(jìn),整機所需的上游硬件設備與器件選型逐漸清晰,同時(shí),量子計算機的軟件系統也在不斷跟進(jìn),整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上下游各環(huán)節的構成逐漸清晰與完善,各環(huán)節的參與者也在逐漸增多。

圖表 1-1量子計算產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

3)積極探索下游應用

量子計算基于量子力學(xué)的全新計算模式,具有原理上遠超經(jīng)典計算的強大并行計算能力,為人工智能、密碼分析、氣象預報、資源勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供了解決方案,并可揭示量子相變、高溫超導、量子霍爾效應等復雜物理機制。這是量子計算機為我們展現的強大力量,目前受限于真實(shí)量子計算機的研發(fā)進(jìn)度,尚無(wú)法提供量子計算機的強大算力來(lái)實(shí)現完整的量子應用,但目前完全可以開(kāi)發(fā)各類(lèi)垂直行業(yè)應用的量子算法,利用數字計算機的算力來(lái)驗證,從而為未來(lái)的實(shí)際應用做好積累和鋪墊。

4)商業(yè)拓展初步探索

2022年,全球范圍內的量子計算整機仍然以原型機為主,我們仍處于NISQ時(shí)代的早期階段,量子計算機在實(shí)際應用和解決實(shí)際問(wèn)題方面仍然沒(méi)有太多進(jìn)展。雖然一項新技術(shù)的出現勢必引來(lái)資本和社會(huì )的追捧,泡沫的產(chǎn)生存在一定的合理性,但ICV還是要明確地告訴各方,量子計算機的研發(fā)仍處于早期階段,離實(shí)用化還很遠,全球范圍內可以驗證的應用幾乎都是在量子計算模擬器上進(jìn)行的。

ICV預計在2030年之前,人類(lèi)最有可能實(shí)現專(zhuān)用量子計算機,即相干操縱數百個(gè)量子比特,應用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機器學(xué)習等特定問(wèn)題,指導材料設計、藥物開(kāi)發(fā)等。

目前全球量子計算機公司包括科研院所在積極探索自己的盈利模式,主要如下:

量子計算機

2022年,量子計算的發(fā)展成果呈現多元化特征,量子比特數量、門(mén)保真度、量子體積、相干時(shí)間等關(guān)鍵指標均突破原有記錄,糾錯、控制等方面也取得較大進(jìn)展;ICV對超導、離子阱、光量子、中性原子、硅自旋、拓撲等主要六種技術(shù)路線(xiàn)的發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行總結和分析。

目前硬件層面的主要發(fā)展方向還是著(zhù)重于增加量子比特數量、密度和連通性,提高量子比特的質(zhì)量,包括更好的相干時(shí)間和門(mén)保真度;以及設計和實(shí)施新的架構,包括3D設置和新的組裝技術(shù);還有開(kāi)發(fā)可組裝和集成大型量子處理器的工業(yè)規模制造設施;演示不同量子計算機之間的互聯(lián)和信息交換等。目前量子計算的多種技術(shù)路線(xiàn)邊并駕齊驅?zhuān)髯哉故局?zhù)自己的優(yōu)勢,每條路線(xiàn)都有機會(huì )大放異彩。

圖表 2-1 量子計算硬件路線(xiàn)圖

圖表 2-2 量子計算發(fā)展階段

1)超導量子計算

IBM遙遙領(lǐng)先

當前IBM公司引領(lǐng)著(zhù)全球超導量子計算的技術(shù)發(fā)展,從當前的發(fā)展態(tài)勢來(lái)看,包括Google在內的其他超導量子計算公司短時(shí)間內很難超越,IBM也代表了美國在超導量子計算機領(lǐng)域的國際地位。

IBM宣布推出的433量子比特Osprey,除量子比特數量的領(lǐng)先外,其多級布線(xiàn),為信號路由和設備布局提供了靈活性。這種將讀出和控制所需的導線(xiàn)和其他組件分離到各自層上的布線(xiàn)有助于保護脆弱的量子比特免受破壞,幫助處理器納入更多的量子比特。與芯片Eagle相比,Osprey擁有兩個(gè)更主要優(yōu)勢:

一個(gè)是用柔性帶狀電纜取代了IBM以前的量子處理器所使用的同軸電纜,同時(shí)還加入了集成濾波功能,以減少噪聲和提高穩定性。該柔性帶狀電纜適用于低溫環(huán)境,電阻和熱阻是量身定做的,以幫助微波信號傳輸,同時(shí)不傳導可能干擾量子比特的太多熱量。這使得芯片的連接數量增加了77%,幾乎是之前線(xiàn)纜的兩倍,更有助于擴大其量子計算機的規模。

另一個(gè)優(yōu)勢是新一代的測控系統,該裝置用于發(fā)送和接收進(jìn)出量子處理器的微波信號,較之前一代更為專(zhuān)業(yè),也更適合量子設備,可以產(chǎn)生計算需要的確切信號以及頻率。

未來(lái),IBM將專(zhuān)注于以下兩個(gè)以硬件為中心的大型項目。一個(gè)是涉及量子處理器之間的各種類(lèi)型的通信:實(shí)時(shí)經(jīng)典、芯片到芯片量子門(mén)(量子多芯片模塊)和遠程量子通信以量子為中心的超級計算機的基本組成部分;另一個(gè)是引入低溫 CMOS 測控。

以糾錯為核心

2019年,Google首次實(shí)現量子優(yōu)越性所使用的“懸鈴木”量子處理器是53個(gè)量子比特,2022年已經(jīng)擴展至72量子比特。與IBM不同,盡管Google量子比特數遠不如IBM,但他們更關(guān)注量子比特的質(zhì)量,在量子糾錯方面已取得持續進(jìn)展。

Google采用5碼距的表面碼在擁有72個(gè)transmon量子比特和121個(gè)可調諧耦合器的“懸鈴木”設備上實(shí)現了糾錯。更為重要的是,以往的糾錯研究隨著(zhù)比特數的增加,錯誤率會(huì )提高,都是“越糾越錯”,而這次Google首次實(shí)現了“越糾越對”。也就是說(shuō),突破了量子糾錯的盈虧平衡點(diǎn),這是量子計算“萬(wàn)里長(cháng)征”中的重要轉折點(diǎn),為實(shí)現通用計算所需的邏輯錯誤率指出了全新途徑。

IBM目前的重六邊形二維量子比特陣列,每個(gè)量子比特都以某種重復模式連接到芯片表面上的其他附近的量子比特。同時(shí)IBM已經(jīng)開(kāi)始研究在芯片上的遠距離量子比特之間建立連接,以及在這些連接之間進(jìn)行交叉,這可能為以后實(shí)現高效容錯代碼的機器鋪平道路。

總的來(lái)說(shuō),2022年超導量子計算技術(shù)路線(xiàn)的成果主要集中于門(mén)速度、門(mén)保真度、信號的讀娶相干時(shí)間以及量子比特數量方面?梢灶A見(jiàn),超導路線(xiàn)在IBM的帶領(lǐng)下,在未來(lái)3年仍將持續領(lǐng)跑其他技術(shù)路線(xiàn)。但同時(shí),該技術(shù)路線(xiàn)仍有很多困難要克服,更遠的將來(lái)是否會(huì )繼續保持領(lǐng)先地位仍未可知。

2)離子阱量子計算

向容錯量子計算機邁進(jìn)

離子阱的一大優(yōu)勢就是天然離子具有全同性,所以它們的相干時(shí)間特別長(cháng),并且門(mén)保真度也非常高。在此基礎上,2022年,離子阱量子計算技術(shù)路線(xiàn)的主要成果之一為繼續提高狀態(tài)制備和測量(SPAM)保真度。主要成果來(lái)源于Quantinuum和IonQ兩家量子企業(yè)。兩家公司將SPAM保真度,分別提高到了99.9904%、99.96%,處于行業(yè)的領(lǐng)先水平,這也得益于離子阱相較于其他技術(shù)路線(xiàn)在保真度上的天然優(yōu)勢。

更重要的是,霍尼韋爾旗下量子計算公司Quantinuum通過(guò)實(shí)驗首次演示了在兩個(gè)邏輯量子比特之間的糾纏門(mén),并以完全容錯的方式完成實(shí)時(shí)糾錯;首次演示了比相應物理電路具有更高保真度的邏輯電路;這一里程碑式的成就標志著(zhù)邏輯量子比特性能優(yōu)于物理量子比特這是邁向容錯量子計算機的關(guān)鍵一步。

探索擴展量子比特的方式

提升離子阱互聯(lián)能力、擴展系統比特數目,是離子阱企業(yè)殊途同歸的發(fā)展方向。

2022年初,IonQ宣布將在新系統中使用鋇離子,取代此前的鐿離子,因為它更適合光子-離子糾纏。該公司于3月發(fā)布其最新一代的量子系統IonQ Forte,包含32個(gè)量子比特,擁有能夠處理多達40個(gè)單獨離子量子比特的AOD系統。離子阱體系本身存在擴展難的問(wèn)題,但隨著(zhù)IonQ提出了多核架構,未來(lái)12年離子阱量子計算機也將突破100量子比特。2023年1月,Entangled Networks團隊加入IonQ,主要從事下一代網(wǎng)絡(luò )量子計算機架構和全棧式量子編譯器的研究。這項收購支持IonQ通過(guò)在多個(gè)分布式量子處理器上實(shí)現計算來(lái)構建大規模量子計算機的努力。

除了量子比特數可以衡量量子計算機的性能外,其他參數,包括相干時(shí)間、計算速度、線(xiàn)路深度、錯誤率、連通性等同樣可以很好地表示量子計算機性能的好壞。

離子阱的最大優(yōu)勢可以在QV這個(gè)指數上體現出來(lái)(離子阱路線(xiàn)目前最大量子體積(QV)達到了8192,也是所有量子計算機路線(xiàn)中最大的)。首先是它的量子比特間的全連接度,其次是它的退相干時(shí)間長(cháng);這兩個(gè)優(yōu)勢目前彌補了量子比特數目少的缺陷。

探索多樣的技術(shù)路線(xiàn)

3)光量子計算

各項指標均有所突破

在量子計算優(yōu)越性展示方面,2022年6月,光量子計算的代表企業(yè)Xanadu,通過(guò)使用最新的可編程光量子計算機Borealis,完成高斯玻色采樣實(shí)驗,展示了量子計算優(yōu)越性。該公司的下一個(gè)目標是建立一個(gè)能夠擴展至100萬(wàn)量子比特的容錯和糾錯的量子計算機。同樣有此目標、且累計融資達6.65億美元的PsiQuantum公司,2022年在糾錯量子計算架構方面取得一定突破,但并未推出任何產(chǎn)品或樣機。

在光量子處理器方面,荷蘭光量子計算公司QuiX Quantum于2022年3月推出新的20量子模式(qumode)處理器。這是一種基于連續變量(CV)的 光量子處理器,不同于PsiQuantum的路線(xiàn),后者是采用離散的光子量子比特。

在糾纏光子的數量方面,8月美國馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所(MPQ)成功地以明確的方式有效地糾纏了14個(gè)光子,創(chuàng )造了新的世界紀錄。

高維光量子計算顯露優(yōu)勢

2022年3月,北京大學(xué)團隊實(shí)現了高維(quantum dit,qudit)量子計算芯片,在大規模集成硅基光量子芯片上實(shí)現了高維量子位初始化、操作和測量器件的單片集成,通過(guò)編程重構該量子處理器,運行了上百萬(wàn)次高保真度量子操作,執行了多種重要的高維量子傅里葉變換類(lèi)算法,進(jìn)而證明了高維量子計算具有比二進(jìn)制量子比特(quantum bit)編碼的量子計算更大的計算容量、更高的計算精度和更快的計算速度等顯著(zhù)優(yōu)勢,有望加速構建大尺度光量子計算機。

利用光量子的高維量子態(tài)做計算總的來(lái)說(shuō)并不是一項非常新的技術(shù)。早在2019年8月,奧地利科學(xué)院和維也納大學(xué)的團隊(Anton Zeilinger)就首次成功地傳送了三維量子態(tài),即高維量子系統可以傳輸比量子比特更多的信息,這將有助于將量子計算機與量子比特以外的信息容量連接起來(lái)。

光量子的高維量子態(tài)主要是用光的路徑來(lái)進(jìn)行編碼,如編碼在4條路徑上來(lái)形成4維量子態(tài);區別于多自由度,比如兩個(gè)光子同時(shí)對其角動(dòng)量、偏振、路徑等同時(shí)進(jìn)行編碼。光量子做高維量子計算主要有三方面的優(yōu)勢:

1. 可以減少損耗。在減小或保持損耗的情況下,能夠把希爾伯特空間做大;

2. 簡(jiǎn)化量子門(mén)的構建與編譯。在量子計算中,要實(shí)現一個(gè)二維的不可逆門(mén),比如與或非這樣經(jīng)典操作的門(mén),可以把它擴展到三維的量子位,用多余的量子位去存儲在計算過(guò)程中冗余的信息,讓門(mén)變成可逆,就可以更好地實(shí)現這樣一個(gè)操作;

3. 一次可以輸入更高維度的信息。即在相位估計中,用迭代相位估計的方法,迭代一次可以得出4位,相當于芯片跑一次就可以得出4位的結果。這不僅是在計算過(guò)程中將體系變大了,而且每次得到的結果與能輸入的結果也都變多了。此外跟經(jīng)典結合的時(shí)候,高維量子計算也會(huì )有一些優(yōu)勢。

3)中性原子量子計算

該技術(shù)的一個(gè)主要優(yōu)勢是可以將多種類(lèi)型的光鑷(其中一些可以快速移動(dòng))與它們攜帶的原子結合起來(lái)。該路線(xiàn)目前已經(jīng)利用光鑷技術(shù)建立了由200多個(gè)中性原子組成的陣列,并且正在迅速結合新的和現有的技術(shù),將這些原子變成完全工作的量子計算機。這種光鑷使得該技術(shù)比其他平臺(如超導體)更加靈活,可以與更大范圍的原子互動(dòng),而在超導體中,每個(gè)量子比特只能與芯片上的直接鄰居互動(dòng)。

2022年“中性原子元年”

2022年,各個(gè)路線(xiàn)量子計算機均有一些頗為亮眼的表現,但中性原子路線(xiàn)的量子計算機可以說(shuō)是2022年度不折不扣的年度黑馬,主要成果包括原子比特數的刷新、相干時(shí)間和最快雙量子比特門(mén)速度、大規模原子量子處理器的發(fā)布等,無(wú)論是在技術(shù)還是商業(yè)成熟度上,都呈現出跨越式的發(fā)展。

2022年年末實(shí)現了一些商業(yè)化進(jìn)展:QuEra在A(yíng)WS上推出256量子比特模擬量子處理器,QuEra的QPU是亞馬遜Braket上第一個(gè)能夠進(jìn)行“模擬哈密頓量模擬(AHS)”量子計算范式的設備;M Squared公布了英國第一臺商用中性原子量子計算機的原型機Maxwell系統。

在專(zhuān)用量子模擬機上優(yōu)勢明顯

中性原子路線(xiàn)在過(guò)去的一年取得了如此令人驕傲的進(jìn)展絕非偶然。究其根本原因,主要是量子計算機在其量子比特數量、容錯能力、相干時(shí)間等各項技術(shù)指標尚不具備實(shí)現通用量子計算之前,專(zhuān)用量子計算機或將成為量子計算領(lǐng)域近期的主要發(fā)展目標。超導等路線(xiàn)作為通用的量子計算路線(xiàn),可以與中性原子一樣去做量子模擬。但中性原子路線(xiàn)比超導路線(xiàn)做量子模擬機的優(yōu)勢就在于原子的天然哈密頓量之間的相互作用。對于同樣的問(wèn)題,處理得到同樣的結果,中性原子路線(xiàn)并不需要龐大且昂貴的稀釋制冷機來(lái)為芯片提供超低溫環(huán)境,當然光量子計算也有同樣的發(fā)展優(yōu)勢。

技術(shù)原理多領(lǐng)域通用

中性原子技術(shù)的應用場(chǎng)景也是多樣的,其細分路線(xiàn)中的里德堡原子可以在量子通信中做原子天線(xiàn)、在量子計算領(lǐng)域做芯片,以及在量子精密測量領(lǐng)域也有廣泛的應用。除此之外,另一條冷原子路線(xiàn)還可以用來(lái)做量子中繼以及量子存儲器。

綜上所述,中性原子以其廣泛的應用前景也間接地帶動(dòng)了關(guān)于其科研以及商業(yè)化的進(jìn)程,促進(jìn)了該路線(xiàn)的高速跨越式發(fā)展。

4)半導體量子計算

保真度實(shí)現突破

目前硅基量子技術(shù)的優(yōu)勢在于利用了類(lèi)似小芯片中集成數十億個(gè)晶體管的半導體納米結構,因此可以利用當前成熟的半導體技術(shù):得益于硅基自旋量子比特與成熟的納米加工技術(shù)的兼容性,半導體量子計算在過(guò)去的一年,容錯上進(jìn)展明顯。

走向可擴展性

當前半導體量子芯片的擴展性一直是該路線(xiàn)研究的難點(diǎn)之一。2022年,半導體路線(xiàn)解決了諸多難題,在傳輸方式、工作溫區以及量子比特數量上都取得了很大的階段性進(jìn)展。

目前硅基技術(shù)的主要挑戰是每個(gè)量子比特的質(zhì)量不一樣,這也是科學(xué)家致力于解決的主要困難;诋斍耙褜(shí)現的技術(shù)狀況來(lái)看,下一步硅半導體量子計算的核心研究任務(wù)依舊是如何采用現代半導體工業(yè)產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)實(shí)現多量子比特耦合和普適量子邏輯門(mén)操控,從而構建大規?蓴U展的硅量子芯片,實(shí)現可容錯的量子計算原型機。

2022年對量子計算來(lái)說(shuō)是一個(gè)積極和充滿(mǎn)希望的結束。研究電子輸運,開(kāi)發(fā)容錯的自旋量子比特系統,以及通過(guò)使用傳統電子技術(shù)模擬量子結構,可能成為規避量子力學(xué)定律所帶來(lái)的限制、將量子計算機帶出實(shí)驗室、進(jìn)入現實(shí)世界和解決現實(shí)世界的復雜問(wèn)題的關(guān)鍵。

5)拓撲量子計算

拓撲量子計算作為當下炙手可熱的一個(gè)技術(shù)路線(xiàn),其優(yōu)勢是硬件層面的糾錯。原理比較復雜,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),量子比特是一個(gè)單獨的個(gè)體,與其他量子比特相互作用,是很容易出錯的,而且量子比特數越多,越容易出錯,出錯了信息就可能丟失。但拓撲量子計算機是將幾個(gè)量子比特組成起來(lái)形成一個(gè)固定結構,無(wú)論受到外界何種干擾,不會(huì )造成信息丟失。

對于拓撲量子比特來(lái)說(shuō),目前研究最多的馬約拉納費米子只是一種預言的費米子,它的反粒子就是它本身。但馬約拉納費米子仍未在自然界中找到,因此科學(xué)家們希望制造一種叫做馬約拉納零能模的任意子。與自然存在于真空中的電子或光子等基本粒子不同,馬約拉納任意子需要在混合材料中產(chǎn)生。

持續探索新材料

目前構成拓撲量子計算可能的系統有三大類(lèi):分數量子霍爾、拓撲超導體以及拓撲絕緣體。目前科學(xué)家所實(shí)驗出來(lái)的代表材料分別為GaAs/AlGaAs、Pb上的Fe原子鏈以及非阿貝爾Jackiw中的Rebbi(-like)模式(僅提案)。

總的來(lái)說(shuō),拓撲量子計算的研究目前還停留在基礎研究領(lǐng)域,很難甚至不能斷定研究的哪個(gè)系統,以及該方向是否值得研究。但從長(cháng)遠利益的角度上來(lái)看,具有容錯特性的拓撲量子計算的研究,應該得到更多鼓勵。

技術(shù)原理取得突破

拓撲相的特征是基態(tài)的長(cháng)程糾纏,傳統實(shí)驗探針不容易獲得。2022年3月,微軟Azure Quantum團隊提出的“拓撲間隙協(xié)議”(TGP)解決了這個(gè)困難,作為通過(guò)量子輸運測量確定拓撲相的標準。如果能夠通過(guò)該協(xié)議,就證明存在拓撲間隙。為此,他們設計了一種設備:拓撲超導線(xiàn)的末端有馬約拉納零能模。線(xiàn)的兩端都有一個(gè)實(shí)數費米子算符。最終,微軟團隊在這個(gè)設備上測量到了超過(guò)30μeV的拓撲間隙,消除了產(chǎn)生拓撲量子比特的最大障礙。

這些里程碑式的技術(shù)進(jìn)步,都是未來(lái)制造拓撲量子計算機的關(guān)鍵原理步驟。拓撲量子計算非常依賴(lài)于任意子的融合和編織(拓撲準粒子的兩種原始操作),而拓撲間隙控制著(zhù)物質(zhì)的基本狀態(tài)為這些操作提供的容錯能力。因此不論是微軟通過(guò)馬約拉納零能模和可測量的拓撲間隙創(chuàng )建和維持量子相位的能力,消除了產(chǎn)生拓撲量子比特的最大障礙,還是普林斯頓大學(xué)所研究的分數量子霍爾效應;谕負淞孔颖忍氐牧孔佑嬎銠C都將比其他已知量子比特構建的機器表現更為穩定。

核心設備與器件

硬件系統中,mK級稀釋制冷機(包含GM脈管預制冷設備)以及微波控制電路系統(包含一體化量子計算測控系統、射頻微波線(xiàn)纜、低溫電子器件、射頻微波儀器儀表等)是超導或半導體量子計算機的核心設備。射頻微波線(xiàn)纜(同軸電纜、柔性電纜等)是連接處于低溫的量子芯片和處于室溫的測控系統之間的橋梁,低溫電子器件則又包含低溫耦合器、低溫低通濾波器、低溫隔離器、紅外濾波器、低溫放大器等細分部件。

對于量子比特控制與測量,根據其技術(shù)路線(xiàn)不同,量子計算測控系統主要分為兩大類(lèi)型:一類(lèi)是光學(xué)系統,包括光子源、單光子探測器、激光機等部分。主要負責光量子、離子阱以及中性原子等路線(xiàn)量子計算的測控;另一類(lèi)是微波控制電路系統,主要包含任意波形發(fā)生器、鎖相放大器等一系列微波器件。該系統主要負責超導以及半導體量子計算的測控(也負責如離子阱、中性原子、金剛石NV色心等路線(xiàn)的控制)。

1)稀釋制冷機

目前,能達到mK極端低溫的技術(shù)包括在空間科學(xué)衛星上應用比較廣泛的絕熱消磁制冷器,以及在地面實(shí)驗研究和空間科學(xué)衛星上也已經(jīng)成熟的吸附式制冷機。在這些極端低溫技術(shù)中,吸附式冷卻器可以滿(mǎn)足250mk以上溫度區的任務(wù)要求,但絕熱消磁制冷器結合吸附式冷卻器或其他預冷方法可以滿(mǎn)足250mk以下溫度區的要求。

稀釋制冷機在不同低溫領(lǐng)域均有應用,量子計算機則為其主要應用領(lǐng)域。其中超導量子計算機、半導體量子計算機以及拓撲量子計算機對稀釋制冷機有較高的低溫要求,且目前稀釋制冷機的主要工作溫度區間為5mk-4k之間。

目前唯一適合量子計算機的制冷技術(shù)

當前其他類(lèi)型的超低溫冷卻器可以達到幾乎與稀釋制冷機一樣低的溫度,但它們不適合用于量子計算,而是適用于預冷,如絕熱退磁冷卻器,它是一次性的低溫方法,不能提供持久的低溫環(huán)境,不適合直接用于支持量子計算和量子模擬。

通常情況下,對于拓撲量子計算的研究大多是由稀釋制冷機來(lái)為其創(chuàng )造接近0K的溫度,而更低溫則是由絕熱核退磁制冷機經(jīng)過(guò)稀釋制冷機預冷,來(lái)達到凝聚態(tài)中的最低溫度,這也是將宏觀(guān)物體冷卻到微開(kāi)爾文(K)的唯一方法。

破除體積限制是當前研發(fā)重點(diǎn)

2022年3月,美國丹佛初創(chuàng )公司Maybell Quantum推出了為下一代量子計算機提供動(dòng)力的低溫平臺Icebox稀釋制冷機。該機器在十分之一的空間中支持的量子比特數量是原來(lái)的三倍,且制冷機中有4500條超導柔性線(xiàn)。這是第一個(gè)帶門(mén)的系統,可以在不拆開(kāi)它的情況下訪(fǎng)問(wèn)量子比特。

IBM于2021年公布了他們的“黃金眼(Goldeneye)項目”,即為量子計算機造一臺前所未有的超大稀釋制冷機包含1.7立方米的實(shí)驗容積,可以將比三個(gè)家庭廚房冰箱更大的容積冷卻到比外太空更冷的溫度,而之前的制冷機在0.4-0.7立方米的范圍內。后于2022年9月成功地將“黃金眼”冷卻到工作溫度(~25 mK),并在內部連接了一個(gè)量子處理器。

12月,美國能源部費米國家加速器實(shí)驗室的研究人員宣布他們正在建造Colossus,建成后它將成為迄今為止mK溫度下最大、最強的稀釋制冷機,黃金眼僅為Colossus容積的三分之一。這臺巨型制冷機將能夠容納數百到數千個(gè)高度相干的腔和量子比特,為標準商業(yè)稀釋制冷機在該溫度下冷卻能力的10倍和體積的15倍。然而,由于其像一個(gè)倒置的婚禮蛋糕,最大直徑約為2米,包含七個(gè)直徑、每一直徑越來(lái)越孝溫度越來(lái)越低,且需要將這些盤(pán)子相互懸掛,形成Colossus的低溫結構,這些成為目前Colossus的建造面臨的挑戰。

中國有望實(shí)現技術(shù)突破

2023年,對于中國來(lái)說(shuō),10mK以下的稀釋制冷機的禁運將迫使其加速自主研發(fā)的進(jìn)程。中國目前除中科院物理所的姬忠慶團隊在無(wú)液氦稀釋制冷機上率先實(shí)現了8mk的溫度外;中電科十六所的稀釋制冷機有了階段性的突破,其連續循環(huán)工作溫度達到9.3mK;中船重工鵬力超低溫稀釋制冷機目前采用GM制冷機作為預冷冷源,最低溫度也達到了12mk(連續運行)。

中國當前稀釋制冷機自研道路上的難點(diǎn)主要包括研制稀釋制冷機所必需的同位素3He、預冷所需的脈沖管和冷頭等預制冷設備嚴重依賴(lài)進(jìn)口,以及一些低溫設備焊接工藝難題。此外還有需克服像冷漏、超漏問(wèn)題、盤(pán)管熱交換器和銀粉熱交換器等一系列技術(shù)難題。在核心的稀釋制冷機磁共振冷頭技術(shù)方面,中國有中船重工鵬力、萬(wàn)瑞冷電和氫合科技這幾家企業(yè)可以做到4k的溫度,是否能有效工作不得而知。

市場(chǎng)規模與預測

隨著(zhù)量子計算機的不斷發(fā)展,日近成熟的超導量子計算機將是推動(dòng)稀釋制冷機市場(chǎng)份額不斷增長(cháng)的原動(dòng)力。此外,受益于相同量子比特環(huán)境,半導體量子計算機將隨著(zhù)超導量子計算機的腳步持續發(fā)展,由此帶來(lái)的增量需求將是未來(lái)稀釋制冷機行業(yè)的一個(gè)增長(cháng)點(diǎn)。

2022年,全球稀釋制冷機的市場(chǎng)總規模為1.93億美元,以不同的溫區劃分,其中10mK以下溫區(超導量子計算機用)的稀釋制冷機市場(chǎng)規模占比約為76%,為1.47 億美元,10mK-100mK溫區的稀釋制冷機市場(chǎng)規模占比約為22%,為0.42億美元。

預計到2025年,全球稀釋制冷機的市場(chǎng)總規模為2.66億美元。

圖表 3-1全球稀釋制冷機市場(chǎng)規模(2022~2030)單位:十億美元

全球稀釋制冷機的主要參與者有:Bluefors(芬蘭)、Oxford instruments(英國)、LeidenCryogenics (荷蘭)、CryoConcept(法國)、Form Factor(美國)、Maybell Quantum(美國)、QuantumDesign(美國)、Ulvac Cryogenics(日本)、Zero Point Cryogenics(加拿大)。其中Bluefors和Oxfordinstruments兩家占據了全球主要的市場(chǎng)份額,FormFactor則是通過(guò)收購了JanisULT成了北美很有競爭力的供應商之一。

2)測控系統

在實(shí)現實(shí)用化量子計算機的道路上,最大的挑戰之一是實(shí)現百萬(wàn)個(gè)量子比特。而這一實(shí)現過(guò)程,離不開(kāi)量子計算測控系統。無(wú)論量子計算機的體積和形態(tài)如何變化,測控系統或者說(shuō)這一功能組成都會(huì )存在。對量子比特實(shí)時(shí)控制、測量和讀取結果、反饋結果這一系列過(guò)程的設備簡(jiǎn)稱(chēng)為量子計算測控系統或量子測控系統。

超導量子比特的門(mén)操作和測量可以通過(guò)微波和射頻脈沖實(shí)現。這是超導量子比特與其他物理系統構建量子比特(原子、離子和光子)的不同之處。

如何應對更多量子比特的測控

隨著(zhù)量子比特數量的增加,理論上,測控設備的測控線(xiàn)路數也會(huì )相應增加,因此,未來(lái)量子測控系統除了提升硬件原有性能之外,還需提升對擴展性的需求。

應對的措施除了對測控芯片的集成度增強以外,還有為對測控系統進(jìn)行機箱內擴展和機箱間擴展以及提升系統的通道密度等。機箱內擴展是在機箱內插入對應模塊性測控板卡;機箱間擴展則是連接多個(gè)硬件機箱來(lái)擴展,以針對更多的測控需要。當然,這是目前在幾百量子比特下的過(guò)渡方案,未來(lái)在超千比特數下,機箱方案是絕對無(wú)法滿(mǎn)足要求的,這就要立即開(kāi)展低溫CMOS的控制方案研究。

量子反饋延遲時(shí)間需要在100ns量級上

為了實(shí)現讀出和控制的快速反饋,包括減小測控數據的上傳與下載之間的延遲、板卡之間以及設備之間的控制延遲、AWG的輸出延遲等,整個(gè)量子態(tài)的讀出操作、讀出數據的分析以及生成反饋操作的過(guò)程,必須在量子比特退相干之前完成,就目前來(lái)看量子反饋延遲時(shí)間需要在100ns量級上。

目前,限制測控系統的技術(shù)難點(diǎn)對應了DiVincenzo標準,如果未來(lái)的發(fā)展邏輯是按照可糾錯量子計算來(lái)部署的,那么目前業(yè)內的評判標準是對邏輯比特個(gè)數、增加一個(gè)量子比特的花費,以及是否能達到低的通道密度這些方面進(jìn)行考量。隨著(zhù)時(shí)間的推移,下圖結合了量子比特個(gè)數和時(shí)間刻度的關(guān)系,蘇黎世儀器公司給出了里程碑預測。

圖表 3-2量子計算微波測控系統發(fā)展趨勢

在提高同步性、減少噪生和串擾方面仍有提升空間

量子測控面臨多通道之間、機箱之間以及控制讀取之間的高同步性的需求。高的同步性有利于減小通道間相對相位漂移引起的噪聲,減小實(shí)驗校準復雜度。減小噪聲無(wú)論是現在和未來(lái)都始終需要討論的焦點(diǎn)之一,因為量子測控系統的隨機不可控噪聲以及量子比特本身周?chē)h(huán)境的噪聲是引起退相干和測控操作保真度低下的主要原因。

1. 目前減少噪聲一般是從材料、工藝、制冷機內部設計等方面去提升的。例如新材料在transmon類(lèi)型的量子比特可以將熱弛豫退相干時(shí)間增加到300us左右;添加Purcell濾波器可以降低Purcell效應對熱弛豫退相干時(shí)間的影響;在稀釋制冷機內部添加紅外濾波器等也可以一定程度上提高熱弛豫退相干時(shí)間。

2. 除了提升硬件系統的性能使得系統具有良好的可擴展性、同步性和低延遲外,設計高效的信號波形算法也是量子測控系統關(guān)注的重點(diǎn)。例如目前可以通過(guò)優(yōu)化DAC波形的產(chǎn)生邏輯,來(lái)減小控制量子比特的延遲。

3. 改善信號的串擾也是重點(diǎn)工作。串擾的來(lái)源是因為控制信號在傳輸中,受到隔離不好的原因而產(chǎn)生了其他的微小信號。目前主要的避免方式還是通過(guò)真空和低溫冷卻環(huán)境來(lái)隔離量子比特與其周?chē)沫h(huán)境。未來(lái)將關(guān)注不同的隔離方式來(lái)避免串擾對測控的影響。

低溫芯片化是未來(lái)

低溫環(huán)境能顯著(zhù)降低溫度帶來(lái)的熱噪聲,能提供量子門(mén)操作的保真度。低溫化的趨勢和芯片化是難以分割的,因為根據現有的量子比特控制方法,是需要大量地從室溫到10mK以下量子芯片處的控制線(xiàn)去連接量子測控系統的。

隨著(zhù)量子比特數目的增加,現有的量子比特控制方法必然會(huì )帶來(lái)稀釋制冷機的功率與體積的問(wèn)題,目前的量子計算機需要為每個(gè)量子比特配備對應的控制和讀出設備,對一百個(gè)量子比特以?xún)壬锌,但面對成千上萬(wàn)個(gè)量子比特(此等規模的量子計算機才被認為可實(shí)用化)則將無(wú)法以當前方式實(shí)現。為了解決這些問(wèn)題,低溫集成控制成為一種解決方案,以讀出多路復用的方法,減少稀釋制冷機內部所需電子設備和連接線(xiàn)數量。

未來(lái)市場(chǎng)的增長(cháng)趨勢明顯

2022年,全球量子計算測控系統市場(chǎng)規模為1.60億美元。預計到2025年,該市場(chǎng)總規模將達到5.45億美元。

圖表 3-3全球量量子計算測控系統市場(chǎng)規模(2022~2030)單位:十億美元

全球主要供應商有羅德施瓦茨(德國,收購瑞士蘇黎世儀器)、是德科技(美)、Qblox(荷蘭)、中微達信(中)、本源量子(中)及國盾量子(中)等。其中以羅德施瓦茨以及是德科技占據全球測控系統的絕大部分市場(chǎng)份額。

3)激光系統

為滿(mǎn)足量子計算機的特殊需求,所需激光器必須具有高穩定性、高精度的調諧能力以及較低的漂移,以保證量子信息的精確性和可靠性。此外,在量子計算機中,激光器還需要能夠生成特定的光學(xué)信號,例如單光子脈沖或單模光,用于制造和操縱量子比特。

量子計算機所使用的激光器主要是以固體(晶體和玻璃)激光器或者半導體激光器陣列作為抽運源,摻入金屬離子的晶體或玻璃基質(zhì)作為增益介質(zhì)的全固態(tài)激光器。從某種意義上來(lái)講,全固態(tài)激光器整合了半導體激光器和固體激光器兩者的優(yōu)點(diǎn),具有體積孝質(zhì)量輕、壽命長(cháng)、性能穩定、可靠性高、光束質(zhì)量好、轉換效率高等一系列優(yōu)勢,發(fā)展前景巨大。且它可通過(guò)變頻獲得寬波段可見(jiàn)、紅外、紫外甚至深紫外激光輸出,采用電激勵的方式也便于模塊化。

在各類(lèi)全固態(tài)激光器中(圓棒激光器、板條激光器),ICV比較感興趣的是光纖激光器,它是利用光纖作為激光介質(zhì)的激光器,主要用于光量子、中性原子以及離子阱量子計算中。

4)光子源及其他光學(xué)組件

在糾纏光子源方面,偏振糾纏的光子產(chǎn)生大都以自發(fā)參量下轉換過(guò)程(Spontaneous Parametric Down Conversion,簡(jiǎn)稱(chēng) SPDC)為主。它是光與晶體的一類(lèi)典型的非線(xiàn)性過(guò)程,這種過(guò)程可以簡(jiǎn)單描述為一束激光(在非線(xiàn)性光學(xué)中稱(chēng)為泵浦光)入射到晶體上。當滿(mǎn)足一定條件時(shí),入射光子會(huì )轉化成兩個(gè)在頻率、偏振、傳播路徑和時(shí)間上都具有強烈關(guān)聯(lián)的光子。

目前糾纏光子源面臨的兩個(gè)問(wèn)題是退相干現象和亮度低。其中退相干現象指的是所產(chǎn)生光子的各個(gè)疊加部分的相對相位發(fā)生改變,從而使得各個(gè)部分的相干疊加性被破壞,影響糾纏作用。在實(shí)驗中與退相干相關(guān)的一個(gè)指標是對比度,對比度是衡量光子之間糾纏作用強弱的物理量,退相干越嚴重,對比度越低。

在單光子源方面,長(cháng)久以來(lái),其純度問(wèn)題一度困擾科學(xué)家們很長(cháng)的時(shí)間,基本的方案都是通過(guò)準相干技術(shù),例如雙光子產(chǎn)生(SPDC)、單晶材料生成單光子源等。通過(guò)這些技術(shù),能夠生成具有較高純度的單光子源,從而滿(mǎn)足量子信息科學(xué)研究的需求。

2022年,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)提出了目前最好的方案。課題組利用里德堡原子之間的相互作用實(shí)現了超級原子量子態(tài)的高精度激發(fā)與操控,并基于此制備了純度達99.95%和全同度達99.94%的高質(zhì)量單光子源。隨后將其應用到基于KLM方案的光量子邏輯門(mén)實(shí)驗中,并成功地將真值表保真度提高到了99.84%。利用該高保真度的光量子邏輯門(mén),最后通過(guò)量子層析及貝爾不等式等方式進(jìn)行了量子糾纏測量,其糾纏門(mén)保真度達到了99.69%。

5)光子源及其他光學(xué)組件

在糾纏光子源方面,偏振糾纏的光子產(chǎn)生大都以自發(fā)參量下轉換過(guò)程(Spontaneous Parametric Down Conversion,簡(jiǎn)稱(chēng) SPDC)為主。它是光與晶體的一類(lèi)典型的非線(xiàn)性過(guò)程,這種過(guò)程可以簡(jiǎn)單描述為一束激光(在非線(xiàn)性光學(xué)中稱(chēng)為泵浦光)入射到晶體上。當滿(mǎn)足一定條件時(shí),入射光子會(huì )轉化成兩個(gè)在頻率、偏振、傳播路徑和時(shí)間上都具有強烈關(guān)聯(lián)的光子。

目前糾纏光子源面臨的兩個(gè)問(wèn)題是退相干現象和亮度低。其中退相干現象指的是所產(chǎn)生光子的各個(gè)疊加部分的相對相位發(fā)生改變,從而使得各個(gè)部分的相干疊加性被破壞,影響糾纏作用。在實(shí)驗中與退相干相關(guān)的一個(gè)指標是對比度,對比度是衡量光子之間糾纏作用強弱的物理量,退相干越嚴重,對比度越低。

在單光子源方面,長(cháng)久以來(lái),其純度問(wèn)題一度困擾科學(xué)家們很長(cháng)的時(shí)間,基本的方案都是通過(guò)準相干技術(shù),例如雙光子產(chǎn)生(SPDC)、單晶材料生成單光子源等。通過(guò)這些技術(shù),能夠生成具有較高純度的單光子源,從而滿(mǎn)足量子信息科學(xué)研究的需求。

2022年,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)提出了目前最好的方案。課題組利用里德堡原子之間的相互作用實(shí)現了超級原子量子態(tài)的高精度激發(fā)與操控,并基于此制備了純度達99.95%和全同度達99.94%的高質(zhì)量單光子源。隨后將其應用到基于KLM方案的光量子邏輯門(mén)實(shí)驗中,并成功地將真值表保真度提高到了99.84%。利用該高保真度的光量子邏輯門(mén),最后通過(guò)量子層析及貝爾不等式等方式進(jìn)行了量子糾纏測量,其糾纏門(mén)保真度達到了99.69%。

軟件、算法、云平臺

經(jīng)典計算機的生態(tài)圈是圍繞著(zhù)操作系統而存在的,量子計算機也不例外。同樣,編譯軟件、軟件開(kāi)發(fā)工具和行業(yè)應用算法與軟件也一樣不可或缺。

從各國量子計算機系統軟件、量子算法和量子軟件技術(shù)發(fā)展水平上來(lái)看,2022年美國無(wú)論是在量子算法,軟件及開(kāi)發(fā)工具包還是在糾錯軟件等方面,都處于世界領(lǐng)先地位;中國、加拿大、日本和法國等國緊隨其后,在各個(gè)細分領(lǐng)域都有各自突出的表現;其他國家如德國、西班牙及英國等也對部分細分領(lǐng)域做出了重要的貢獻。

系統軟件進(jìn)展主要體現在糾錯當中,編譯軟件則是多數硬件廠(chǎng)商均發(fā)布了自己的量子計算編程語(yǔ)言,而對于軟件開(kāi)發(fā)工作來(lái)說(shuō),未來(lái)的社區開(kāi)源發(fā)展將成為一種主流的模式,對于應用軟件的研發(fā)來(lái)說(shuō),主要還是不斷拓展與下游行業(yè)的聯(lián)系,深度挖掘下游不同領(lǐng)域的企業(yè)需求,找準量子并行運算的優(yōu)勢。

量子云平臺大體可分為三種應用場(chǎng)景:在量子研究中,科學(xué)家可以使用量子云平臺來(lái)測試量子信息理論,進(jìn)行試驗,比較架構等;在量子教學(xué)中,教師可以使用量子云平臺幫助學(xué)生更好地理解量子力學(xué),以及實(shí)現和測試量子算法等;在量子開(kāi)發(fā)中,程序員可以使用量子云平臺創(chuàng )建量子教學(xué)游戲,向人們介紹量子概念,又或者開(kāi)發(fā)量子編程軟件,豐富量子開(kāi)發(fā)工具。

1)量子軟件

目前軟件層面的主要發(fā)展方向還是著(zhù)重于開(kāi)發(fā)具有自動(dòng)調度功能的量子編譯器,以及演示多個(gè)硬件控制后端的分布式編程能力;還有標準化跨多種技術(shù)工作的中間表示框架;此外還包括開(kāi)發(fā)基于A(yíng)PI和編譯器指令(pragma)的混合經(jīng)典/量子軟件堆棧等。

本節主要列舉了2022年度,系統軟件、編譯軟件、軟件開(kāi)發(fā)工具、應用軟件等重要細分領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展,并對未來(lái)整體軟件可能的一些發(fā)展趨勢做了小結。

圖表 4-1 量子計算發(fā)展階段

2)量子算法

隨著(zhù)量子計算機應用前景越來(lái)越廣闊,HHL、QAOA、QSVM、VQE等算法如雨后春筍般被提出,不斷優(yōu)化,硬件端的量子比特數也在逐年提高,投身算法研發(fā)的企業(yè)也絡(luò )繹不絕。

并且隨著(zhù)量子技術(shù)研究人員的增多,量子算法的開(kāi)發(fā)速度大大提升,目前的量子算法已經(jīng)結合到醫藥、化學(xué)、金融、交通等多個(gè)實(shí)際行業(yè)的應用當中。由于通用量子計算機的實(shí)現還有較長(cháng)的路要走,解決特定問(wèn)題的專(zhuān)用量子計算機有望在未來(lái)510年陸續推出,專(zhuān)用量子計算機將更多與特定行業(yè)解決特定問(wèn)題相關(guān)聯(lián),而量子算法就是量子計算機與某一特定研究領(lǐng)域問(wèn)題之間的媒介。

3)量子計算云平臺

云計算是一種按使用量付費的模式,這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn),進(jìn)入可配置的計算資源共享池(資源包括網(wǎng)絡(luò )、服務(wù)器、存儲、應用軟件、服務(wù)),這些資源能夠被快速提供,但只需投入很少的管理工作,或與服務(wù)供應商進(jìn)行很少的交互。

量子云平臺好比連接量子計算機和用戶(hù)之間的橋梁用戶(hù)使用經(jīng)典計算機訪(fǎng)問(wèn)量子云,然后經(jīng)由量子云將處理過(guò)的指令傳輸到后端,后端完成量子計算后經(jīng)由量子云把結果輸送給用戶(hù)。通過(guò)量子云平臺,即使不能實(shí)地使用量子計算機,用戶(hù)也可以完成所需的量子計算。

圖表 4-2量子計算云平臺服務(wù)類(lèi)型

圖表 4-7全球量子計算云平臺分布圖

國家政策

通過(guò)對目前全球主要量子參與國家在資本投入、研究成果、研究員數量、專(zhuān)利數量、論文發(fā)表數量和量子公司數量6個(gè)維度進(jìn)行評價(jià),可以看出,目前美國和中國最為領(lǐng)先,其次是歐洲各國如德國法國等。此外加拿大與澳大利亞在專(zhuān)利申請數量上也位于前列。

報告梳理了2022年全球量子計算主要參與國所發(fā)布的相關(guān)政策,并從資金支持類(lèi)政策、國際合作類(lèi)政策以及戰略制定類(lèi)政策三方面分別進(jìn)行分析。

圖表 5-1 全球量子主要參與者評價(jià)體系

2022年,美國、中國、英國、澳大利亞、德國、歐盟等國家/地區均發(fā)布了量子科技規劃或法案,以支持量子科技發(fā)展。

投融資

量子計算作為前沿科技和未來(lái)產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn),屬于顛覆性技術(shù),投資機構的投資熱情來(lái)自2方面,國家支持與國際競爭,以及技術(shù)突破所帶來(lái)的預期。

ICV統計了2018年至2022年全球主要量子計算企業(yè)的融資情況,涉及14個(gè)國家,67家量子計算企業(yè),136筆融資。具體如下:

圖表 6-1 : 融資金額&增長(cháng)率(2018-2022)(單位:百萬(wàn)美元)

2022年,量子計算產(chǎn)業(yè)共融資20.45億美元,與2021年總融資額相比增長(cháng)有所放緩,但從整體來(lái)看,量子計算行業(yè)投融資長(cháng)期仍保持增長(cháng)態(tài)勢。對于投融資市場(chǎng)增速放緩,更為細節的表現如下。

圖表 6-2 : 國家及各融資輪次、數量、金額(2028-2022)(單位:輪次、筆數、百萬(wàn)美元)

供應商評價(jià)

CTF模型是幫助公眾了解前沿技術(shù)領(lǐng)域及對應公司的發(fā)展情況,前沿科技具有技術(shù)路線(xiàn)未收斂、技術(shù)發(fā)展存在高度不確定性、商業(yè)化推進(jìn)處于早期等諸多特點(diǎn),隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展,對公司的評價(jià)需要一套合理的模型,對特定時(shí)期前沿技術(shù)供應商的綜合評估形成“共識”。

CTF模型由4層不同大小的扇形區域縱深呈現,以及3維坐標共同構成。橫向坐標 Maturity of Technology (技術(shù)層面,即供應商的技術(shù)、研發(fā)、團隊等)、側向坐標 Commercialization of Technology (商業(yè)層面,即供應商的營(yíng)收、客戶(hù)、用例等)以及隱含變量 Implicit Variable(底蘊層面,即供應商長(cháng)期經(jīng)營(yíng)所積淀的能夠助推企業(yè)發(fā)展的要素)。CTF模型根據供應商在不同維度的綜合表現,將其劃分如下四個(gè)扇面中:Pilot(領(lǐng)航者)、Overtaker(超越者)、Explorer(探索者)和Chance-seeker(尋機者)。

由于新興技術(shù)處在高速成長(cháng)期,也存在高度不確定性,因此,各細分領(lǐng)域的CTF圖需要不定期進(jìn)行更新。

圖表 7-1 全球量子量子整機供應商評價(jià)體系

產(chǎn)業(yè)分析與預測

ICV仍然認為2027年會(huì )是全行業(yè)一個(gè)重要的時(shí)間點(diǎn),在這之前的五年,我們仍處于NISQ時(shí)代的關(guān)鍵階段,一方面各大公司將較大概率完成各自的技術(shù)路線(xiàn)圖目標,通用量子計算機將在比特數與保真度等方面將實(shí)現技術(shù)突破,但通用量子計算機仍只能用來(lái)滿(mǎn)足科研實(shí)驗室以及極少部分云平臺的商業(yè)需求,緩慢而穩定地增長(cháng);另一方面,專(zhuān)用量子計算機既有可能實(shí)現部分應用,即相干操縱數百個(gè)量子比特,應用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機器學(xué)習等特定問(wèn)題,指導材料設計、藥物開(kāi)發(fā)等。

我們(ICV)對2021年的報告預測數進(jìn)行了修訂,我們預計,到2027年,全球量子計算行業(yè)的產(chǎn)業(yè)規模將達到87億美元;而到了2028年將快速增長(cháng)到319億美元,行業(yè)進(jìn)入爆發(fā)增長(cháng)期,到2030年整體產(chǎn)業(yè)規模預計將達到1197億美元,行業(yè)應用實(shí)現較大規模的推廣,整機采購、云服務(wù)與應用解決方案將獲得龐大的采購量;在隨后的5到10年內,該產(chǎn)業(yè)規模將增長(cháng)到2035年的6070億美元。全球量子計算產(chǎn)業(yè)復合年均增長(cháng)率(CAGR)自2022至2027年為31.28%,而2027至2035年增長(cháng)為44.5%,向萬(wàn)億級產(chǎn)業(yè)規模邁進(jìn)。

圖表 8-1 全球量量子計算產(chǎn)業(yè)規模(2022~2035)單位:十億美元

圖表 8-2 全球量量子計算各地區產(chǎn)業(yè)規模(2022&2030)單位:%

圖表 8-3 全球量子計算上游產(chǎn)業(yè)規模(2022&2030)單位:十億美元

圖表 8-4 全球量子計算下游應用規模(2022~2030)單位:十億美元

產(chǎn)業(yè)展望

未來(lái)量子計算的發(fā)展將集中在三個(gè)方面:

繼續提升量子計算性能。為了實(shí)現容錯量子計算,首要考慮的就是如何高精度地擴展量子計算系統規模。在實(shí)現量子比特擴展的時(shí)候,比特的數量和質(zhì)量都極其重要,需要每個(gè)環(huán)節(量子態(tài)的制備、操控和測量)都要保持高精度、低噪聲,并且隨著(zhù)量子比特數目的增加,噪聲和串擾等因素帶來(lái)的錯誤也隨之增加,這對量子體系的設計、加工和調控帶來(lái)了巨大的挑戰,仍需大量科學(xué)和工程的協(xié)同努力。

實(shí)現專(zhuān)用量子模擬機并繼續探索量子計算應用。即相干操縱數百個(gè)量子比特,應用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機器學(xué)習等特定問(wèn)題,指導材料設計、藥物開(kāi)發(fā)等。從當前到2030年,全球的主要研究任務(wù)應當集中于此。

實(shí)現可編程通用量子計算機,即相干操縱至少數百萬(wàn)個(gè)量子比特,能在經(jīng)典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。由于量子比特容易受到環(huán)境噪聲的影響而出錯,對于規;牧孔颖忍叵到y,通過(guò)量子糾錯來(lái)保證整個(gè)系統的正確運行是必然要求,也是一段時(shí)間內面臨的主要挑戰。由于技術(shù)上的難度,何時(shí)實(shí)現通用量子計算機尚不明確,國際學(xué)術(shù)界一般認為還需要15年甚至更長(cháng)時(shí)間。

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