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多国加速布局!量子计算,为什么能成为新方向?
浏览量:6963 上传更新:2024-01-30
量子科学是20世纪以来最重要的科学发现之一。进入21世纪,量子科技革命的第二次浪潮来临,催生了量子计算、量子通信、量子测量等一批新兴技术。
如果把量子信息技术比作一架飞机,那么量子计算技术则是这架飞机的“发动机”。也正因如此,多国都纷纷投入大量精力,布局量子计算研发。
当前,量子计算科技发展总体局面如何?我国该如何构建量子计算生态?


或将引领新一轮产业变革方向

量子计算机是一种按照量子力学规律运行的物理设备,能处理量子比特信息,进行高速的数学和逻辑运算,由于量子比特的叠加性、相干性、纠缠性,量子计算机可以在很短的时间内解决在经典计算机上难以解决的问题。

新技术研究路径尚在继续。量子计算机,根据其逻辑架构,主要分为量子逻辑门计算机和量子退火计算机;根据其用途,可以分为专用量子计算机和通用量子计算机。目前,量子计算机的技术路线主要包括超导、离子阱、光量子、量子点、冷原子等,主要技术路线的相关原理不尽相同:

基于超导量子位的量子计算是一种最早被提出和研究的量子计算实现方法,它基于超导性能的材料,使用电荷量子比特、磁通量子比特和相位量子比特等三种方式来形成量子比特,超导量子比特在操控、耦合、测量、扩展等方面具有显著优势。在过去几十年中,超导量子计算有一定的发展,实现了与量子态所需精度相当的高精度控制、微波单光子状态的制备等主要技术。超导技术路线的缺点是易受环境噪声影响使得退相干时间变短,进而增加量子比特的操作难度。

基于离子阱的量子计算则是利用电荷与电磁场间的相互作用力来牵制带电粒子的运动,并利用受限离子的基态和激发态组成两个能级,作为量子比特。同时,利用微波激光照射操纵量子态,通过连续泵浦光和态相关荧光,实现量子比特的初始化和探测。该技术路线的优势是量子比特品质高、相干时间较长、量子比特的制备和读出效率较高,其劣势主要是量子比特操纵速度相对较慢,随着量子比特数的增加,量子比特的操纵在技术上有困难。

光量子计算机研究方向也有许多团队追随,其优点在于光子的量子态与外部环境的相互作用极其微弱,使得光量子计算机可以在室温的大气环境中工作;同时,光子是量子通信的最佳信息载体,它们以光速传播,可为高速、大容量数据传输提供大带宽。缺点在于光子之间相互不作用,因此很难实现需要光子之间相互作用的两量子比特纠缠门。

基于半导体量子点技术的量子计算机利用半导体量子点中的电子制造量子比特,将其电子的自旋方向编码为量子态储存量子信息。因其与传统芯片技术有相通之处,比其他方案更具可扩展性,有助于实现芯片产业化。由于半导体量子比特体积小、数量少且相干性较弱,量子点技术路线还未像超导、光量子技术路线一样实现高量子比特数。

各国的国家战略聚焦量子计算。近年来,量子计算俨然成为科技领域的研究热点,多国政府以及各大科技公司纷纷投入大量精力和资金来研究和开发量子计算技术。

美国

美国在量子计算技术领域率先投资,早在1999年就发布了有关“量子信息科学”的科学技术报告。2018年,美国政府推出《国家量子倡议法案》,2020年,发布《美国量子网络战略愿景》等量子专项战略,并于2022年发布关于促进量子计算的《国家安全备忘录》。几年间,美国政府不断颁布多项量子计算政策。

英国

英国政府于2014年启动“国家量子技术计划”,成立4个国家量子技术中心来开展工作,并致力于培养人才、开展研究和推动产业应用,以加快量子技术的商业化。

中国

自2016年起,我国发布多项量子技术相关政策。2016年8月,国务院颁发《“十三五”国家科技创新规划》,将量子计算机列入科技创新2030重大项目,研制通用的量子计算原型机和实用化量子模拟机。“十四五”期间,全国多个省级行政区出台地方发展规划,支持量子计算产业发展。此外,我国成立量子计算产业联盟,吸纳中国建设银行、中国移动、平安银行等行业领军企业相继开展商业化应用探索。

加拿大

2021年7月,加拿大政府宣布制定国家量子战略,该战略由加拿大创新、科学和经济发展部(ISED)秘书处协调,不仅提供大量资金支持该领域研究,还成立了量子计算发展机构,与加拿大商业界密切合作。

德国

德国政府于2021年制定了《量子计算路线图》,并启动慕尼黑量子谷研究集群计划。

日本

日本政府成立量子计算研究与应用中心。

量子计算成果不断涌现。谷歌继2019年宣布成功演示“量子霸权”证明量子计算巨大潜力后,今年2月,其又首次通过实验证明可以通过增加量子比特的数量来降低计算错误率。

如果量子计算机想在实用性方面取得进展,并解决普通计算机无法解决的问题,有效纠错是必备技能。

此外,作为美国科技巨头——IBM一直在政策的大力扶持下布局量子计算产业,其发布的“Eagle”是一款127量子位的量子处理器,IBM声称,它不能被任何经典计算机模拟,其性能几乎是2020年发布的65量子比特处理器Hummingbird的两倍。2022年11月,IBM又推出拥有433个量子比特的量子芯片“鱼鹰”,成为世界上迄今为止最大的通用量子处理器。

量子计算技术的四大总体发展态势

量子计算产业生态初现“曙光”,“合纵联横”态势骤起。

从产业化程度看,全球已成立近300家量子计算专业公司,基本覆盖所有技术路线和行业潜在应用方向,成立时间最长的公司已达20多年之久,4家公司完成上市。

而我国量子计算专业公司不足10家,从事的技术路线主要为超导、光学、离子阱、硅基半导体、中性原子等,本源量子成立时间最长,为5年,目前没有上市公司。

从行业生态看,美国以IBM为首的量子计算龙头企业为促进量子计算产业的发展,牵头建立国际主流量子计算产业联盟,包括美国、日本、韩国、德国、澳大利亚等国230多家企业,呈“合纵连横”融合创新发展趋势。

而在我国,由本源量子牵头成立量子计算产业联盟,金融建模、海洋超算、轮船制造、大数据等领域30余家国内企业入盟,虽体量总体偏小,但已初步形成量子计算产业链雏形。比如,以量子处理器、稀释制冷机、低温器件、量子计算机整机、量子软件、算法、操作系统为主的量子计算上下游生产制造链,主要提供量子计算机软硬件资源;以面向用户,根据各行业特定场景需求开发应用算法为主的量子计算生态应用链,针对性提供应用服务;以及围绕量子计算教育、生态资源共享等的量子计算教育科普链,重点培育和培训行业人才。各国主流量子计算联盟合作伙伴间通过资源共享、技术交流与合作研发,在量子计算硬件、软件、算法等领域展开研究与创新,推动量子计算技术的商业化应用。

量子计算协同创新应用层出,领域内原创成果增加。在实际生产、科学研究等领域,量子计算技术的优势主要集中在模拟物质、优化问题、机器学习等方面。量子计算机可以模拟大分子、复杂材料等,可以通过优化算法,为生产和工作中的问题提供快速有效的解决方案,可以通过提供更大的存储和更高效的处理能力,对海量数据进行快速、准确的分析和学习。从应用研究看,国外金融、医药、大型装备制造商等与量子计算公司进行深度融合,围绕量子计算在行业的应用进行协同创新,取得了不少原创性成果。2021年,美国量子计算研发龙头——谷歌(Google)与世界最大私有制药企业勃林格殷格翰(BI)合作研究量子计算药物研发。2022年,美国最大港口洛杉矶港首次采用量子计算技术倍数提升港口运营效率。微软、苏黎世联邦理工学院和西北太平洋国家实验室基于量子计算模拟一个催化化学反应,实现了30倍加速和10倍成本降低。而在我国,量子计算潜在应用客户多数是国企,建信金科与本源量子合作开发首批量子计算金融算法,新华财经与本源量子联合开发上线首个量子金融App,但除了金融、通讯机构外,其他行业单位展开量子计算应用研究有待建立合作关系。

“示范性”领域带头,多行业“齐头并进”。量子计算科学研究与产业应用理应“相辅相成”,科研课题来自于各行业的真需求,选择更有实际应用价值的课题带入科研,从而探索出新技术的更多应用场景,也是国际量子计算技术发展的一大趋势。金融行业是当前国内外最热门的应用领域之一,量子计算可以用于该领域加密和解密数据,以提供更高的安全性;可用于市场的预测和优化,协助金融机构强化决策、降低风险和增加收益;还可以应用于精准定价、交易结算和资产分配等方面。2022年,美国全国性保险业龙头企业美国州立农业保险公司(State Farm)在其内部成立量子团队,正式入局量子计算,探索潜在解决方案,以更好地满足客户需求。此外,量子计算也被证明在生物制药、能源化工、气象预测等行业具有潜力。在制药行业,量子计算可以用来研究新药的分子结构和化学反应,模拟化学分析结构,进而解决量子化学的合成和药物辅助设计,提高新药的产量和品质。在采矿和勘探行业,量子计算可以协助寻找矿藏和石油等宝贵资源,优化企业的生产效率和节省成本。在物流行业,量子计算可以用来规划最优路径和优化交通网络,从而提高物流效率并降低运输成本。在能源领域,量子计算可用于分析和管理太阳能、氢能、风电场的流体动力学特性等,进而为能源高效利用、转化、储存提供更多的技术支持。在气象行业,量子计算可以用来快速、有效地处理大量且多维度的复杂气象数据,有助于提高天气预报实时性和准确性。基于其并行性和高效算法优化能力,还可以对气象进行有效的仿真、跟踪和预测。在安全行业,量子计算可以用于对当前正在使用的加密系统的防守和攻击。量子计算技术在这些应用领域“齐头并进”,或将为科学研究提供革命性突破。

量子计算技术反哺教育事业发展。全球主要国家都在加大对该领域的投资。伴随着量子计算技术的突破和应用,关乎量子计算未来发展持续性的人才培养,越来越受到关注和重视。

2018年,美国颁布的《美国国家量子计划法案》计划在人才培养、标准制定、技术应用领域投资12亿美元,美国国家科学基金会和白宫科学技术政策办公室牵头启动美国量子信息K12教育。自此,各国相应开设量子人才培养计划。

2022年,澳大利亚量子公司Q-CTRL与英国主营量子教育公司QURECA合作建立量子计算人才培养通道,为任何想要入门量子计算的人提供学习机会。美国俄亥俄州立大学宣布建立量子信息科学与工程中心,为量子计算学科建设奠基。而我国量子计算技术虽起步较晚,但量子计算产业发展势头良好、前景广阔,量子计算人才缺口巨大。

近年来,我国建立了一批量子计算研究机构和实验室,并拥有了一定的量子计算研究基础。中国科学技术大学、清华大学等高校均开始开设量子信息等相关本科专业,专业课程涵盖量子计算的基础和应用等。为培育量子计算与各行业综合型人才,建立完善量子计算行业教育培训体系,本源量子在2018年就已推出国内首批量子计算行业应用技术指导课程,包含量子金融、量子化学两个课程体系,近年还同步开设专用领域人才教育培训课程,譬如量子金融赛道班,以满足金融行业领域人才协同开展量子计算应用研究需求。

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