量子计算关键技术及应用发展分析_王敬.pdf
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1、专题:量子信息技术2023 年第 7 期量子计算关键技术及应用发展分析王敬张萌李芳张海懿(中国信息通信研究院技术与标准研究所,北京 100191)摘要:量子计算具备可能超越经典计算的潜在能力,近年来在技术研究、应用探索及产业生态培育等方面取得诸多进展,整体发展进入快车道,已成为全球多国科研布局与投资热点。重点梳理分析量子计算关键技术研究进展、应用探索开展态势和产业生态培育等,并对未来发展趋势进行展望。关键词:量子计算;技术研究;应用探索;产业现状中图分类号:TN918;O413 文献标志码:A引用格式:王敬,张萌,李芳,等.量子计算关键技术及应用发展分析J.信息通信技术与政策,2023,49(
2、7):9-16.DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2023.07.0020 引言随着人类对于量子力学原理的认识、理解和研究不断深入,以及对于微观物理体系的观测和调控能力不断提升,以微观粒子系统为操控对象,借助其中的量子叠加、量子纠缠等量子物理现象进行信息获取、处理和传输的量子信息技术应运而生并蓬勃发展。量子信息技术主要包含量子计算、量子通信和量子测量三大领域1,有望在提升运算处理速度、信息安全保障能力、测量精度和灵敏度等方面突破经典计算瓶颈。量子信息技术已经成为信息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一,在未来国家科技发展、新兴产业培育、国防和经济建设等领域,将产生基础
3、共性乃至颠覆性重大影响。量子计算是遵循量子力学规律进行信息处理的新型计算范式,以量子比特为基本单元,具有为某些计算困难问题提供加速的能力,是未来算力跨越式发展的重要方向之一,有望满足量子模拟、量化金融、组合优化、人工智能等领域日渐增长的算力需求。近年来,全球多个国家与地区持续加强量子计算领域的规划布局,不断投入资金支持。量子计算领域热度不断升高,科研创新活跃,超导和光量子路线实现量子计算优越性试验验证2-5,实用化应用探索多方展开,产业生态逐步构建,全方位多元化的发展格局正在形成。本文重点梳理分析量子计算最新研究进展、应用探索开展态势和产业生态培育等,并对量子计算未来发展趋势进行展望。1 主流
4、技术路线研究进展量子计算历经数十年发展,多方面研究与探索同步开展,逐渐形成集理论研究、样机研制、应用探索和产业培育为一体的体系化发展格局。近年来,量子计算在技术研究、样机研制、软件开发、算法研究等方面取得诸多进展,重要成果层出不穷,而技术路线选择是样机研制中的重中之重。量子硬件通过制备、操作和测量量子比特,并基于单比特叠加和多比特纠缠的耦合与状态演化实现高效并行计算模拟等功能,是量子计算样机研发攻关亟待突破的问题。超导、离子阱、光量子、硅基量子点和超冷原子等技术路线处于并行发展和开放竞争状态,尚未呈现融合收敛趋势,近年亮点进展颇多,竞争较为激烈。此外,金刚石氮-空位(NV)9|信息通信技术与政
5、策色心路线、拓扑路线等也取得进展,目前仍处于基础研究阶段,未来发展值得期待。下面对主流技术路线进行总结和分析。1.1 超导超导技术路线是发展相对迅速的一种路线,核心器件 为 二 能 级 系 统 超 导 约 瑟 夫 森 结,已 衍 生 出Transmon、Xmon、Fluxonium 等多种新型超导量子比特,具有可设计、可扩展、易控制、易耦合等优势。近年来,超导技术路线在量子比特数量和保真度方面均有一定突破。2022 年,Rigetti 推出 80 量子比特 Aspen-M系统,IBM 发布 433 量子比特芯片 Osprey6。美国劳伦斯伯克利国家实验室在超导量子信息处理器中进行三量子比特高保
6、真 iToffoli 本机门首次试验演示,保真度达 98.26%,阿里巴巴在新型 Fluxonium 系统中实现99.72%的双比特门操控精度7。超导技术路线主要瓶颈在于极低温制冷环境带来的工程挑战,需要新颖和高度集成化的测控系统支持大规模量子比特操控,以及结合材料科学等提高相干寿命和保真度等。超导技术路线是实现通用量子计算有力竞争者之一,已获得诸多科研机构、科技企业和初创公司支持,比特数量稳步提升,每秒电路层操作数等指标占优。1.2 离子阱离子阱技术路线是另一种受关注程度较高的路线,基本原理是利用电荷与磁场间的交互作用力形成势阱,从而操控带电粒子构建二能级量子比特,具有无需极低温冷却、量子比
7、特物理全同、相干时间长等优势。近年离子阱技术路线研究进展主要体现在保真度提 升 和 全 连 接 比 特 数 增 长 等 方 面。2022 年,Quantinuum 提升 Model H1 系统量子体积至 8 1928。IonQ 离子阱量子处理器保真度达 99.96%,并推出 32 Qubit 离 子 阱 量 子 计 算 机 IonQ Forte。2023 年,Quantinuum 的 H1-1系统量子体积提升至 32 7689。华翊博奥(北京)量子科技有限公司(简称“华翊量子”)推出 37 Qubit 离子阱量子计算原型机。离子阱技术路线主要瓶颈挑战在于离子囚禁时间有限,捕获离子的状态制备时间
8、和量子门操作时间较长,单比特多路激光读写需求和线性阱尺度规模制约比特数扩展等。离子阱技术路线是通用量子计算另一个有力竞争者,未来样机研发在真空、激光、微波和电子学等多个工程领域需持续攻关。1.3 光量子光量子技术路线原理是利用光子的多种自由度(例如偏振、相位和时间位置等)进行量子态编码和量子位构建。主要优势在于,与周围环境相互作用弱、可常温工作、相干时间长、保真度较高。近年光量子路线科研进展主要是量子优越性证明、光子纠缠操控试验等。2022 年,Xanadu5在光量子计算机 Borealis 上完成 216 光子高斯玻色采样试验。德国马克斯普朗克量子光学研究所展示双光子 CNOT 门并实现 1
9、4 光子纠缠操控10。光量子技术路线主要瓶颈挑战在于不同光子态之间构建双量子比特门和实现逻辑操作,以及高品质光源与光子探测性能待提升等。未来基于集成光学芯片的光量子计算方案或将成为发展演进的重要方向。1.4 硅基量子点硅基量子点技术路线的基本原理是在硅或砷化镓等半导体材料制备门控量子点来编码量子比特。优势在于,可扩展性好、门操作速度快、与成熟集成电路工艺相兼容。近年亮点成果在于量子比特数量和保真度的提升。2022 年,自然杂志发表三种不同实现方案的硅基量子处理器双量子比特门保真度达到 99%以上11。另外,Intel 实现 12 位硅自旋量子比特12。硅基量子点技术路线主要瓶颈挑战在于噪声影响
10、明显,保真度较低,需要提纯材料以延长相干寿命,量子位间存在干扰与串扰等。由于硅基量子点技术路线与经典电子学可兼容,经典电子学的发展很有可能提升量子处理器扩展性。未来克服电子自旋易受电磁环境影响将是硅基量子点科研攻关的主要目标。1.5 超冷原子超冷原子技术路线通过被称为光镊的紧密聚焦激光束阵列,约束超冷原子在超高真空中悬浮,并基于此构建二能级系统。优势在于长相干时间和超高维列阵构建能力。近年在超高维列阵构建能力与量子模拟方向得到应用。2022 年,美国芝加哥大学实现 512 位双元素二维原子阵列13。Pasqal 捕获 324 位量子比特的超冷原子大型量子处理器阵列14。超冷原子技术路线主要挑战
11、是需要克服激光控制系统复杂性影响,进一步提升逻辑门操控能力和保真度等。超冷原子技术路线适用于求解量子哈密顿量和01专题:量子信息技术2023 年第 7 期模拟量子处理,未来不但可用于研究和解决凝聚态物质中诸多物理问题的典型模型,还有望用于模拟研究分析量子化学、多体物理、凝聚态物理、核物理等诸多复杂体系和现象。总体而言,量子计算样机研制已成为全球主要国家和地区在前沿科技领域攻关突破的重点方向之一,不同技术路线具有自身的独特优势,超导与离子阱持续领跑,光量子实现量子计算优越性试验验证,硅基量子点与超冷原子的发展值得期待,技术路线发展整体仍呈现多元并行的态势,尚未实现技术收敛。2 应用探索方向概况量
12、子计算硬件的飞速发展使得含噪声的中型量子(Noisy Intermediate-Scale Quantum,NISQ)时代已然来临,以量子计算机为基础开展的应用场景探索,已逐渐成为业界的研究热点,旨在为诸多行业提供更高效的量子计算解决方案。近年来,应用探索主要集中在量子模拟、量子组合优化以及量子线性代数等方向,代表性行业应用探索情况如表 1 所示。2.1 量子模拟量子模拟能够在原子尺度模拟微观系统相互作用,对微观世界行为产生洞察力,对科学研究、工业制造和社会发展均有望产生巨大影响,近年来已成为研究热点。2022 年,IBM 展示“Entanglement Forging”技术用于量子模拟并使得
13、量子比特数量减半15。中国科学技术大学搭建超冷锂-镝原子量子模拟平台实现均匀费米气体的制备16。Google 实现16 bit 费米子量子蒙特卡罗模拟17。量子模拟应用探索主要集中在物理模型、化学工业、生物制药、材料研究等领域,使用量子计算机模拟量子系统的运行状态,具备真实接近系统自然状态原貌的优势,目前正在从提供物理现象的定性演示向为应用问题提供解决方案的方向发展。2.2 量子组合优化数学中的优化问题,简而言之即利用数学方法寻找离散事件中的最优解或进行最优的编排、分组,组合优化问题是目前算法中最热门的问题之一,搜索空间往往随着搜索规模呈指数级增长,导致有效时间内难以求解,或难以获得全局性最优
14、解。目前,在涉及复杂多变量组合优化的量化金融、交通规划、气象预测等领域,量 子 计 算 应 用 探 索 也 在 广 泛 开 展。2022 年,Multiverse Computing 推出奇点投资组合混合求解器表 1 量子计算行业应用探索概况行业领域代表性参与机构应用场景化学模拟IBM、Google、Xanadu、Quanscient、中国科学技术大学、清华大学、南京大学等化学工业与催化剂设计生物制药材料研发量化金融IBM、Xanadu、D-Wave、QC Ware、IonQ、Multiverse Computing、本源量子、CaixaBank、汇丰银行、Itau Unibanco 银行、毕
15、马威、巴斯夫、德意志交易所集团等组合优化模拟定价风险预测交运航空Quantinuum、Q-CTRL、QCI、宝马、Quantum-South、空客等路线优化货物装配线路调度流体动力学人工智能Google、Zapata、哈佛大学、Multiverse Computing、IKERLAN自动驾驶机器学习气象预测PsiQuantum、Pasqal、Rigetti、巴斯夫等气象预测灾害预警11|信息通信技术与政策用于量化投资优化分析18。Quantum-South 发布基于量子计算的航空货运优化应用程序19。PsiQuantum启动 Qlimate 计划旨在提供气候相关计算问题的量子解决方案20。量子
16、组合优化有助于提升寻找优化方案的效率和准确性,对诸多复杂数学问题进行高效计算,具有将计算时间大幅缩小以实现实时优化等优势,未来需要持续加大应用探索的深度和广度,实现更多行业领域的量子组合优化案例。2.3 量子线性代数量子线性代数包含多种量子技术和方法,主要应用于量子机器学习、密码破译、信用评分等领域。其中,量子机器学习通过构建新型数据处理模型,将传统机器学习算法中的部分关键步骤由经过验证的量子算法代替,有望提升目前机器学习算法处理大数据的计算效率。2022 年,Google 使用 40 位超导量子处理器验证量子主成分分析过程中的原理性优势21。美国哈佛大学利用里德堡原子阵列构建量子递归神经网络
17、的认知任务学习试验22。量子线性代数利用量子计算的高效、解决复杂数学问题的能力,分析求解多行业领域的复杂数学问题,具有提升复杂数学问题计算效率等优势。综上所述,量子计算相关领域的应用探索正在逐渐深入,总体处于发展的早期阶段,在应用落地和产出实际价值方面仍面临挑战。未来应用探索的攻关方向主要集中在量子比特集成规模、应用算法设计等方面,并需要在加强量子计算与已有应用场景结合的同时,探索更多具有潜力的应用方向,并通过理论及试验等方式判断实际应用中量子计算相较于经典计算的优势。3 产业生态培育进展近年来,量子计算领域热度不断升高,已成为全球前沿技术领域投资焦点之一,且投入力度不断加大。与此同时,产业生
18、态构建培育也成为近期热点,各国和地区企业、研究机构不断通过成立产业联盟等方式,逐步培育量子计算产业生态系统。3.1 市场融投资量子信息领域市场融投资近两年来呈爆发式增长趋势,量子信息领域企业获得市场高度关注以及大量资金支持,且投资高度集中于量子计算领域(见表 2)。量子计算初创企业在欧洲和美国聚集度和关注度更高。大量的资金涌入既为量子计算样机硬件研发、软件开发、应用探索等方向提供创新支持和资源保障,也引发了技术炒作、夸大宣传和行业泡沫等不同观点和争议。2022 年,美国 Scorpion Capital23发布对量子计算上市公司 IonQ 的做空报告,指出其量子计算产品与应用局限,以及管理运行
19、方面的问题,质疑其交付能力与商业模式。英国牛津大学学者24指出,资金涌入导致量子计算成就和前景夸大宣传,行业泡沫不容忽视。以上观点也引发业界回应,从技术发展成就、科技巨头投入和应用探索前景等方面展开讨论,各方对行业泡沫争议的看法观点不一。量子计算是未来科技与产业发展变革的重要变量之一,已成为全球各国学术界、产业界和利益攸关方的普遍共识,近年来在技术研究和样机研制等方面取得一系列重要进展,但样机比特数量、质量和操控速度等性能指标仍有很大提升空间,软硬件技术发展远未成熟,应用探索与产业培育尚处起步阶段。泡沫质疑是量子计算发展过程中的必经之路,也是量子计算在学术界和产业界反差氛围中产生的必然结果。在
20、政策与资金不断涌入时,对量子计算领域的捧杀需要保持清醒和警惕。在无人区探索和技术应用成果的短期交付达不到预期时,对量子计算领域的发展需要保持战略定力与信心,避免对未来构建技术产业竞争力产生不利影响。3.2 生态培育近年来,量子计算领域热度不断升高,各国和地区相继出台战略政策以推动国内外科技公司和初创企业的发展。目前,全球已有数百家量子计算企业,研究覆盖量子计算软硬件、基础配套、应用探索、用户培育等多个方面,产业集聚度以美国和欧洲最高,量子计算产业生态体系正在逐步构建。美国占据全球量子计算产业发展优势,以科技公司 Google、Microsoft、IBM、Intel、Honeywell、HP,以
21、及初创企业 IonQ、Rigetti 等众多具备较强技术实力和资金支持的企业为首,加速世界量子计算产业发展。从量子计算产业上层的应用服务、软件开发到下层量子处理器研发和支撑系统配套研发等各层面,均有企业深21专题:量子信息技术2023 年第 7 期 表 2 国内外量子计算企业融投资概况企业时间国家交易规模/百万美元技术路线Atom Computing2022 年 1 月美国60超冷原子IQM2022 年 4 月芬兰35.3超导Xanadu2022 年 5 月加拿大100光量子SQC2022 年 6 月澳大利亚90硅基量子点Planqc2022 年 6 月德国4.64超冷原子Quantum So
22、urce2022 年 7 月以色列15光量子OQC2022 年 7 月英国45.35超导IQM2022 年 7 月芬兰125超导Rigetti2022 年 8 月美国75超导D-wave2022 年 8 月加拿大150退火ColdQuanta2022 年 11 月美国110超冷原子Xanadu2023 年 1 月加拿大29.6光量子Pasqal2023 年 1 月法国109超冷原子PsiQuantum2023 年 3 月美国11.16光量子国开启科量子技术(北京)有限公司2022 年 1 月中国约 7离子阱上海图灵智算量子科技有限公司2022 年 2 月中国未披露光量子华翊博奥(北京)量子科技
23、有限公司2022 年 4 月中国未披露离子阱本源量子计算科技(合肥)股份有限公司2022 年 7 月中国约 140超导、光量子上海图灵智算量子科技有限公司2023 年 1 月中国15光量子北京玻色量子科技有限公司2023 年 3 月中国15光量子入参与。企业积极进行量子计算原型机及软件算法相关研发,积极与科研背景强大的科研院所和高校开展广泛合作,对量子计算成果转化和加速发展助力明显。欧洲各国及地区也纷纷支持量子计算领域发展,积极制定量子计算发展战略,部署诸多研究项目。欧洲量子企业大多为初创企业,代表性企业包括 IQM、Atos、Qu&Co 等,近年呈加速发展态势。欧洲量子计算企业与美国等企业之
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