主題：量子芯片技術(shù)重大突破 光量子路線中國(guó)有望超車(chē)



21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道

近日，谷歌發(fā)布新一代量子計(jì)算芯片“Willow”，其在糾錯(cuò)能力和性能表現(xiàn)上實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算領(lǐng)域的重大突破。

緊跟其后，由中國(guó)科學(xué)家研制的105個(gè)量子比特的“祖沖之三號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)也在arXiv線上發(fā)表，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，“祖沖之三號(hào)”內(nèi)置處理器與Willow性能大致相當(dāng)。

實(shí)際上，在量子科技領(lǐng)域，中美同屬第一梯隊(duì)。中國(guó)在政策引導(dǎo)、技術(shù)研究均走在前列。

雖然通用量子計(jì)算商業(yè)化尚遠(yuǎn)，但有業(yè)內(nèi)專家對(duì)21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者表示，在特定領(lǐng)域商業(yè)場(chǎng)景，可能會(huì)在未來(lái)5~10年內(nèi)出現(xiàn)實(shí)用化的特定解決方案。

特定領(lǐng)域商業(yè)化加速

眾所周知，由于先進(jìn)制程越來(lái)越接近物理極限，摩爾定律明顯放緩，除了側(cè)重封裝技術(shù)的More than Moore路徑被產(chǎn)業(yè)愈加重視外，量子芯片成為下一代信息處理技術(shù)的重要方向。

量子芯片的優(yōu)勢(shì)，在于能夠同時(shí)存儲(chǔ)和處理多個(gè)狀態(tài)的信息，具有強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，而且能耗僅為硅基芯片的千分之一甚至更低，在對(duì)功耗要求嚴(yán)格的移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中應(yīng)用潛力巨大。不過(guò)，量子芯片在技術(shù)穩(wěn)定和通用計(jì)算上還面臨不少難題。

此次谷歌在官方博客中介紹，Willow可以在使用更多量子比特（擁有105個(gè)物理量子比特）的情況下，成倍地減少錯(cuò)誤，從而破解了近30年來(lái)一直在研究的量子糾錯(cuò)挑戰(zhàn)。

而且，Willow能夠在不到5分鐘的時(shí)間完成一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)計(jì)算”，如果用當(dāng)今最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，完成這項(xiàng)計(jì)算需要“10的25次方”年的時(shí)間，比宇宙的年齡還長(zhǎng)。

什么是量子計(jì)算？它本質(zhì)上是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式，可以突破經(jīng)典算力瓶頸。

中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所工程師劉延嘉在媒體發(fā)文認(rèn)為，“從信息存儲(chǔ)角度看，經(jīng)典計(jì)算基于經(jīng)典物理學(xué)，信息以二進(jìn)制的比特存儲(chǔ)，每個(gè)比特就像一個(gè)普通的開(kāi)關(guān)，非‘0’即‘1’。而量子計(jì)算中的量子比特處于疊加態(tài)，兩個(gè)量子比特可同時(shí)代表4種狀態(tài)，隨著量子比特?cái)?shù)量增多，它表示的狀態(tài)數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，為處理海量信息提供了可能?！?br />
劉延嘉用“走迷宮”來(lái)通俗解釋這種量子計(jì)算的強(qiáng)大能力，他表示，想要在一個(gè)大迷宮中找到出口，如果借助經(jīng)典計(jì)算機(jī)，它會(huì)逐個(gè)嘗試不同的路徑，直到找到出口。而量子計(jì)算機(jī)可同時(shí)走遍迷宮的所有路徑，更快速找到出口，這種能力全面碾壓經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

以往量子計(jì)算的基礎(chǔ)計(jì)算單元是量子比特，利用疊加態(tài)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)極其敏感。通常量子比特越多，發(fā)生的錯(cuò)誤就越多。而谷歌的Willow正是在這一問(wèn)題上取得了重大進(jìn)展，基于可擴(kuò)展的方形網(wǎng)格，邏輯量子比特?cái)?shù)量越多，錯(cuò)誤率下降越快。

不過(guò)，盡管谷歌的“Willow”取得了重要突破，但距離量子計(jì)算機(jī)的大規(guī)模商業(yè)化仍有一段距離。

上海交通大學(xué)無(wú)錫光子芯片研究院相關(guān)專家對(duì)記者表示，“首先是硬件規(guī)?；c穩(wěn)定性，當(dāng)前的量子芯片仍局限于數(shù)百個(gè)量子比特，而解決復(fù)雜實(shí)際問(wèn)題可能需要上百萬(wàn)的糾錯(cuò)量子比特；其次，有運(yùn)行環(huán)境的限制，谷歌的”Willow“是超導(dǎo)量子芯片，需要在毫開(kāi)爾文的低溫環(huán)境下運(yùn)行，設(shè)備體積龐大且成本高昂，限制了其在日常場(chǎng)景中的部署；最后，軟件生態(tài)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)商業(yè)化需要與具體應(yīng)用場(chǎng)景的結(jié)合，而目前的量子算法尚未完全適配實(shí)際需求?！?br />
上述專家判斷，量子計(jì)算的大規(guī)模商業(yè)化可能還需要10-20年時(shí)間。但在特定領(lǐng)域（如量子化學(xué)模擬、加密破解），可能會(huì)在未來(lái)5-10年內(nèi)出現(xiàn)實(shí)用化的特定解決方案。

光量子路線中國(guó)超車(chē)

量子科技憑借強(qiáng)大的計(jì)算與商用潛力，市場(chǎng)發(fā)展前景樂(lè)觀。

根據(jù)ICVTA&K的預(yù)測(cè)，全球2023年量子產(chǎn)業(yè)的總體市場(chǎng)規(guī)?；蜻_(dá)到72.4億美元，到2030年，全球量子產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)?；蚩蛇_(dá)到2,391億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)65%。

國(guó)海證券研報(bào)稱，量子計(jì)算目前主要分為超導(dǎo)、光量子、離子阱、半導(dǎo)體等路線，我國(guó)在超導(dǎo)和光量子領(lǐng)域有優(yōu)勢(shì)，均已實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性。其中超導(dǎo)是最為成熟的技術(shù)之一，谷歌的Willow便是超導(dǎo)路線的產(chǎn)物。

對(duì)此，前述無(wú)錫光子芯片研究院專家對(duì)記者表示，相比離子阱、超導(dǎo)等其他路徑，光量子路線是唯一沒(méi)有明顯短板的方向，具備可室溫運(yùn)行、芯片化和兼容人工智能的優(yōu)勢(shì)。

其使用光子作為量子信息的載體，通過(guò)光路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。同時(shí)，光量子芯片的制造可使用成熟的CMOS工藝，無(wú)需依賴國(guó)外高端光刻機(jī)和制程工藝，是實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)的重要機(jī)遇。

雖然如此，在大規(guī)模應(yīng)用上，各種路線面臨的問(wèn)題不盡相同，并且都有不小挑戰(zhàn)。

比如超導(dǎo)量子路線依賴低至毫開(kāi)爾文的制冷環(huán)境，這種極端條件增加了系統(tǒng)成本和工程難度；離子阱則需要高度穩(wěn)定的激光系統(tǒng)，制造工藝的不成熟導(dǎo)致生產(chǎn)成本高昂且良品率低；光量子路徑面臨國(guó)內(nèi)中試平臺(tái)缺位、工藝技術(shù)壁壘高、良品率驗(yàn)證低、產(chǎn)能轉(zhuǎn)化不足、國(guó)外平臺(tái)流片周期長(zhǎng)等瓶頸。

值得一提的是，今年9月，上海交大無(wú)錫光子芯片研究院光子芯片中試線建成啟用，或?qū)⒔鉀Q上述難題。記者獲悉，該中試線總面積3.5萬(wàn)平方米，總投入6.5億元，具有98臺(tái)CMOS工藝設(shè)備和CIM芯片智能制造系統(tǒng)，設(shè)備配套齊全，形成自主可控的工藝閉環(huán)。預(yù)計(jì)2025年第一季度，將發(fā)布PDK工藝設(shè)計(jì)包。

從量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，主要包括上游的環(huán)境設(shè)備、測(cè)控系統(tǒng)、芯片等產(chǎn)品，中游的量子計(jì)算機(jī)整機(jī)、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和量子計(jì)算云平臺(tái)，下游的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用玩家。A股量子產(chǎn)業(yè)相關(guān)玩家則集中在量子計(jì)算、量子通信和量子加密領(lǐng)域。其中國(guó)盾量子、科大國(guó)創(chuàng)、科華數(shù)據(jù)、國(guó)芯科技所處位置相對(duì)頭部。

值得注意的是，由于目前產(chǎn)業(yè)還處于從前沿研究向應(yīng)用探索落地突破的關(guān)鍵階段。以量子科技為主營(yíng)業(yè)務(wù)的公司營(yíng)收表現(xiàn)尚弱。

國(guó)盾量子管理層在投資者交流中坦言，相較傳統(tǒng)行業(yè)，量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)上市公司數(shù)量和規(guī)模都比較少，量子產(chǎn)業(yè)處于非常早期階段，尤其是量子計(jì)算，目前整體還處于探索階段，實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算需要較長(zhǎng)歷程。

回到之前的問(wèn)題，雖然“Willow”和“祖沖之三號(hào)”表現(xiàn)卓越，但解決的還是“隨機(jī)電路采樣”這一特定問(wèn)題，尚無(wú)法為現(xiàn)實(shí)問(wèn)題提供真實(shí)有用的算力。前述國(guó)盾量子相關(guān)人士認(rèn)為，下一步產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)任務(wù)之一就是突破量子糾錯(cuò)技術(shù)，以此才能讓量子計(jì)算走向?qū)Ｓ煤屯ㄓ谩?br />
國(guó)盾量子公司高層強(qiáng)調(diào)，“我們離實(shí)現(xiàn)‘有用’的量子計(jì)算更進(jìn)了一步，但仍需大量投入。 ”

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