21世紀經(jīng)濟報道記者鄧浩 上海報道
近日，谷歌發(fā)布新一代量子計算芯片“Willow”，其在糾錯能力和性能表現(xiàn)上實現(xiàn)了量子計算領(lǐng)域的重大突破。
緊跟其后，由中國科學家研制的105個量子比特的“祖沖之三號”超導(dǎo)量子計算機也在arXiv線上發(fā)表，從實驗數(shù)據(jù)來看，“祖沖之三號”內(nèi)置處理器與Willow性能大致相當。
實際上，在量子科技領(lǐng)域，中美同屬第一梯隊。中國在政策引導(dǎo)、技術(shù)研究均走在前列。
雖然通用量子計算商業(yè)化尚遠，但有業(yè)內(nèi)專家對21世紀經(jīng)濟報道記者表示，在特定領(lǐng)域商業(yè)場景，可能會在未來5~10年內(nèi)出現(xiàn)實用化的特定解決方案。
特定領(lǐng)域商業(yè)化加速
眾所周知，由于先進制程越來越接近物理極限，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，在于能夠同時存儲和處理多個狀態(tài)的信息，具有強大的并行計算能力，而且能耗僅為硅基芯片的千分之一甚至更低，在對功耗要求嚴格的移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中應(yīng)用潛力巨大。不過，量子芯片在技術(shù)穩(wěn)定和通用計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個物理量子比特）的情況下，成倍地減少錯誤，從而破解了近30年來一直在研究的量子糾錯挑戰(zhàn)。
而且，Willow能夠在不到5分鐘的時間完成一個“標準基準計算”，如果用當今最快的超級計算機，完成這項計算需要“10的25次方”年的時間，比宇宙的年齡還長。
什么是量子計算？它本質(zhì)上是一種遵循量子力學規(guī)律調(diào)控量子信息單元進行計算的新型計算模式，可以突破經(jīng)典算力瓶頸。
中國科學院計算技術(shù)研究所工程師劉延嘉在媒體發(fā)文認為，“從信息存儲角度看，經(jīng)典計算基于經(jīng)典物理學，信息以二進制的比特存儲，每個比特就像一個普通的開關(guān)，非‘0’即‘1’。而量子計算中的量子比特處于疊加態(tài)，兩個量子比特可同時代表4種狀態(tài)，隨著量子比特數(shù)量增多，它表示的狀態(tài)數(shù)量呈指數(shù)級增長，為處理海量信息提供了可能。”
劉延嘉用“走迷宮”來通俗解釋這種量子計算的強大能力，他表示，想要在一個大迷宮中找到出口，如果借助經(jīng)典計算機，它會逐個嘗試不同的路徑，直到找到出口。而量子計算機可同時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)典計算機。
以往量子計算的基礎(chǔ)計算單元是量子比特，利用疊加態(tài)來進行計算，對環(huán)境擾動極其敏感。通常量子比特越多，發(fā)生的錯誤就越多。而谷歌的Willow正是在這一問題上取得了重大進展，基于可擴展的方形網(wǎng)格，邏輯量子比特數(shù)量越多，錯誤率下降越快。
不過，盡管谷歌的“Willow”取得了重要突破，但距離量子計算機的大規(guī)模商業(yè)化仍有一段距離。
上海交通大學無錫光子芯片研究院相關(guān)專家對記者表示，“首先是硬件規(guī)模化與穩(wěn)定性，當前的量子芯片仍局限于數(shù)百個量子比特，而解決復(fù)雜實際問題可能需要上百萬的糾錯量子比特；其次，有運行環(huán)境的限制，谷歌的“Willow”是超導(dǎo)量子芯片，需要在毫開爾文的低溫環(huán)境下運行，設(shè)備體積龐大且成本高昂，限制了其在日常場景中的部署；最后，軟件生態(tài)與應(yīng)用開發(fā)商業(yè)化需要與具體應(yīng)用場景的結(jié)合，而目前的量子算法尚未完全適配實際需求。”
上述專家判斷，量子計算的大規(guī)模商業(yè)化可能還需要10-20年時間。但在特定領(lǐng)域（如量子化學模擬、加密破解），可能會在未來5-10年內(nèi)出現(xiàn)實用化的特定解決方案。
光量子路線中國超車
量子科技憑借強大的計算與商用潛力，市場發(fā)展前景樂觀。
根據(jù)ICVTA&K的預(yù)測，全球2023年量子產(chǎn)業(yè)的總體市場規(guī)模或達到72.4億美元，到2030年，全球量子產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模或可達到2,391億美元，復(fù)合年增長率高達65%。
國海證券研報稱，量子計算目前主要分為超導(dǎo)、光量子、離子阱、半導(dǎo)體等路線，我國在超導(dǎo)和光量子領(lǐng)域有優(yōu)勢，均已實現(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。
對此，前述無錫光子芯片研究院專家對記者表示，相比離子阱、超導(dǎo)等其他路徑，光量子路線是唯一沒有明顯短板的方向，具備可室溫運行、芯片化和兼容人工智能的優(yōu)勢。
其使用光子作為量子信息的載體，通過光路設(shè)計實現(xiàn)量子計算。同時，光量子芯片的制造可使用成熟的CMOS工藝，無需依賴國外高端光刻機和制程工藝，是實現(xiàn)彎道超車的重要機遇。
雖然如此，在大規(guī)模應(yīng)用上，各種路線面臨的問題不盡相同，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；光量子路徑面臨國內(nèi)中試平臺缺位、工藝技術(shù)壁壘高、良品率驗證低、產(chǎn)能轉(zhuǎn)化不足、國外平臺流片周期長等瓶頸。
值得一提的是，今年9月，上海交大無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3.5萬平方米，總投入6.5億元，具有98臺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2025年第一季度，將發(fā)布PDK工藝設(shè)計包。
從量子計算產(chǎn)業(yè)鏈來看，主要包括上游的環(huán)境設(shè)備、測控系統(tǒng)、芯片等產(chǎn)品，中游的量子計算機整機、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和量子計算云平臺，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算、量子通信和量子加密領(lǐng)域。其中國盾量子、科大國創(chuàng)、科華數(shù)據(jù)、國芯科技所處位置相對頭部。
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。以量子科技為主營業(yè)務(wù)的公司營收表現(xiàn)尚弱。
國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，尤其是量子計算，目前整體還處于探索階段，實現(xiàn)通用量子計算需要較長歷程。
回到之前的問題，雖然“Willow”和“祖沖之三號”表現(xiàn)卓越，但解決的還是“隨機電路采樣”這一特定問題，尚無法為現(xiàn)實問題提供真實有用的算力。前述國盾量子相關(guān)人士認為，下一步產(chǎn)業(yè)重點任務(wù)之一就是突破量子糾錯技術(shù)，以此才能讓量子計算走向?qū)Ｓ煤屯ㄓ谩?/p>
國盾量子公司高層強調(diào)，“我們離實現(xiàn)‘有用’的量子計算更進了一步，但仍需大量投入。 ”
