量子計算關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展分析

王敬 張萌 李芳 張海懿

(中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所,北京 100191)

0 引言

隨著人類對于量子力學原理的認識、理解和研究不斷深入,以及對于微觀物理體系的觀測和調(diào)控能力不斷提升,以微觀粒子系統(tǒng)為操控對象,借助其中的量子疊加、量子糾纏等量子物理現(xiàn)象進行信息獲取、處理和傳輸?shù)牧孔有畔⒓夹g(shù)應(yīng)運而生并蓬勃發(fā)展。量子信息技術(shù)主要包含量子計算、量子通信和量子測量三大領(lǐng)域[1],有望在提升運算處理速度、信息安全保障能力、測量精度和靈敏度等方面突破經(jīng)典計算瓶頸。量子信息技術(shù)已經(jīng)成為信息通信技術(shù)演進和產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)注焦點之一,在未來國家科技發(fā)展、新興產(chǎn)業(yè)培育、國防和經(jīng)濟建設(shè)等領(lǐng)域,將產(chǎn)生基礎(chǔ)共性乃至顛覆性重大影響。量子計算是遵循量子力學規(guī)律進行信息處理的新型計算范式,以量子比特為基本單元,具有為某些計算困難問題提供加速的能力,是未來算力跨越式發(fā)展的重要方向之一,有望滿足量子模擬、量化金融、組合優(yōu)化、人工智能等領(lǐng)域日漸增長的算力需求。

近年來,全球多個國家與地區(qū)持續(xù)加強量子計算領(lǐng)域的規(guī)劃布局,不斷投入資金支持。量子計算領(lǐng)域熱度不斷升高,科研創(chuàng)新活躍,超導(dǎo)和光量子路線實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性試驗驗證[2-5],實用化應(yīng)用探索多方展開,產(chǎn)業(yè)生態(tài)逐步構(gòu)建,全方位多元化的發(fā)展格局正在形成。本文重點梳理分析量子計算最新研究進展、應(yīng)用探索開展態(tài)勢和產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育等,并對量子計算未來發(fā)展趨勢進行展望。

1 主流技術(shù)路線研究進展

量子計算歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展,多方面研究與探索同步開展,逐漸形成集理論研究、樣機研制、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)培育為一體的體系化發(fā)展格局。近年來,量子計算在技術(shù)研究、樣機研制、軟件開發(fā)、算法研究等方面取得諸多進展,重要成果層出不窮,而技術(shù)路線選擇是樣機研制中的重中之重。量子硬件通過制備、操作和測量量子比特,并基于單比特疊加和多比特糾纏的耦合與狀態(tài)演化實現(xiàn)高效并行計算模擬等功能,是量子計算樣機研發(fā)攻關(guān)亟待突破的問題。超導(dǎo)、離子阱、光量子、硅基量子點和超冷原子等技術(shù)路線處于并行發(fā)展和開放競爭狀態(tài),尚未呈現(xiàn)融合收斂趨勢,近年亮點進展頗多,競爭較為激烈。此外,金剛石氮-空位(NV)色心路線、拓撲路線等也取得進展,目前仍處于基礎(chǔ)研究階段,未來發(fā)展值得期待。下面對主流技術(shù)路線進行總結(jié)和分析。

1.1 超導(dǎo)

超導(dǎo)技術(shù)路線是發(fā)展相對迅速的一種路線,核心器件為二能級系統(tǒng)超導(dǎo)約瑟夫森結(jié),已衍生出Transmon、Xmon、Fluxonium等多種新型超導(dǎo)量子比特,具有可設(shè)計、可擴展、易控制、易耦合等優(yōu)勢。近年來,超導(dǎo)技術(shù)路線在量子比特數(shù)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系統(tǒng),IBM發(fā)布 433量子比特芯片Osprey[6]。美國勞倫斯伯克利國家實驗室在超導(dǎo)量子信息處理器中進行三量子比特高保真iToffoli本機門首次試驗演示,保真度達98.26%,阿里巴巴在新型Fluxonium系統(tǒng)中實現(xiàn)99.72%的雙比特門操控精度[7]。

超導(dǎo)技術(shù)路線主要瓶頸在于極低溫制冷環(huán)境帶來的工程挑戰(zhàn),需要新穎和高度集成化的測控系統(tǒng)支持大規(guī)模量子比特操控,以及結(jié)合材料科學等提高相干壽命和保真度等。超導(dǎo)技術(shù)路線是實現(xiàn)通用量子計算有力競爭者之一,已獲得諸多科研機構(gòu)、科技企業(yè)和初創(chuàng)公司支持,比特數(shù)量穩(wěn)步提升,每秒電路層操作數(shù)等指標占優(yōu)。

1.2 離子阱

離子阱技術(shù)路線是另一種受關(guān)注程度較高的路線,基本原理是利用電荷與磁場間的交互作用力形成勢阱,從而操控帶電粒子構(gòu)建二能級量子比特,具有無需極低溫冷卻、量子比特物理全同、相干時間長等優(yōu)勢。近年離子阱技術(shù)路線研究進展主要體現(xiàn)在保真度提升和全連接比特數(shù)增長等方面。2022年,Quantinuum提升Model H1系統(tǒng)量子體積至8 192[8]。IonQ離子阱量子處理器保真度達99.96%,并推出32 Qubit離子阱量子計算機IonQ Forte。2023年,Quantinuum的H1-1系統(tǒng)量子體積提升至32 768[9]。華翊博奧(北京)量子科技有限公司(簡稱“華翊量子”)推出37 Qubit離子阱量子計算原型機。

離子阱技術(shù)路線主要瓶頸挑戰(zhàn)在于離子囚禁時間有限,捕獲離子的狀態(tài)制備時間和量子門操作時間較長,單比特多路激光讀寫需求和線性阱尺度規(guī)模制約比特數(shù)擴展等。離子阱技術(shù)路線是通用量子計算另一個有力競爭者,未來樣機研發(fā)在真空、激光、微波和電子學等多個工程領(lǐng)域需持續(xù)攻關(guān)。

1.3 光量子

光量子技術(shù)路線原理是利用光子的多種自由度(例如偏振、相位和時間位置等)進行量子態(tài)編碼和量子位構(gòu)建。主要優(yōu)勢在于,與周圍環(huán)境相互作用弱、可常溫工作、相干時間長、保真度較高。近年光量子路線科研進展主要是量子優(yōu)越性證明、光子糾纏操控試驗等。2022年,Xanadu[5]在光量子計算機Borealis上完成216 光子高斯玻色采樣試驗。德國馬克斯普朗克量子光學研究所展示雙光子CNOT門并實現(xiàn)14 光子糾纏操控[10]。

光量子技術(shù)路線主要瓶頸挑戰(zhàn)在于不同光子態(tài)之間構(gòu)建雙量子比特門和實現(xiàn)邏輯操作,以及高品質(zhì)光源與光子探測性能待提升等。未來基于集成光學芯片的光量子計算方案或?qū)⒊蔀榘l(fā)展演進的重要方向。

1.4 硅基量子點

硅基量子點技術(shù)路線的基本原理是在硅或砷化鎵等半導(dǎo)體材料制備門控量子點來編碼量子比特。優(yōu)勢在于,可擴展性好、門操作速度快、與成熟集成電路工藝相兼容。近年亮點成果在于量子比特數(shù)量和保真度的提升。2022年,《自然》雜志發(fā)表三種不同實現(xiàn)方案的硅基量子處理器雙量子比特門保真度達到99%以上[11]。另外,Intel實現(xiàn)12位硅自旋量子比特[12]。

硅基量子點技術(shù)路線主要瓶頸挑戰(zhàn)在于噪聲影響明顯,保真度較低,需要提純材料以延長相干壽命,量子位間存在干擾與串擾等。由于硅基量子點技術(shù)路線與經(jīng)典電子學可兼容,經(jīng)典電子學的發(fā)展很有可能提升量子處理器擴展性。未來克服電子自旋易受電磁環(huán)境影響將是硅基量子點科研攻關(guān)的主要目標。

1.5 超冷原子

超冷原子技術(shù)路線通過被稱為光鑷的緊密聚焦激光束陣列,約束超冷原子在超高真空中懸浮,并基于此構(gòu)建二能級系統(tǒng)。優(yōu)勢在于長相干時間和超高維列陣構(gòu)建能力。近年在超高維列陣構(gòu)建能力與量子模擬方向得到應(yīng)用。2022年,美國芝加哥大學實現(xiàn)512 位雙元素二維原子陣列[13]。Pasqal捕獲324 位量子比特的超冷原子大型量子處理器陣列[14]。

超冷原子技術(shù)路線主要挑戰(zhàn)是需要克服激光控制系統(tǒng)復(fù)雜性影響,進一步提升邏輯門操控能力和保真度等。超冷原子技術(shù)路線適用于求解量子哈密頓量和模擬量子處理,未來不但可用于研究和解決凝聚態(tài)物質(zhì)中諸多物理問題的典型模型,還有望用于模擬研究分析量子化學、多體物理、凝聚態(tài)物理、核物理等諸多復(fù)雜體系和現(xiàn)象。

總體而言,量子計算樣機研制已成為全球主要國家和地區(qū)在前沿科技領(lǐng)域攻關(guān)突破的重點方向之一,不同技術(shù)路線具有自身的獨特優(yōu)勢,超導(dǎo)與離子阱持續(xù)領(lǐng)跑,光量子實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性試驗驗證,硅基量子點與超冷原子的發(fā)展值得期待,技術(shù)路線發(fā)展整體仍呈現(xiàn)多元并行的態(tài)勢,尚未實現(xiàn)技術(shù)收斂。

2 應(yīng)用探索方向概況

量子計算硬件的飛速發(fā)展使得含噪聲的中型量子(Noisy Intermediate-Scale Quantum,NISQ)時代已然來臨,以量子計算機為基礎(chǔ)開展的應(yīng)用場景探索,已逐漸成為業(yè)界的研究熱點,旨在為諸多行業(yè)提供更高效的量子計算解決方案。近年來,應(yīng)用探索主要集中在量子模擬、量子組合優(yōu)化以及量子線性代數(shù)等方向,代表性行業(yè)應(yīng)用探索情況如表1所示。

表1 量子計算行業(yè)應(yīng)用探索概況

2.1 量子模擬

量子模擬能夠在原子尺度模擬微觀系統(tǒng)相互作用,對微觀世界行為產(chǎn)生洞察力,對科學研究、工業(yè)制造和社會發(fā)展均有望產(chǎn)生巨大影響,近年來已成為研究熱點。2022年,IBM展示“Entanglement Forging”技術(shù)用于量子模擬并使得量子比特數(shù)量減半[15]。中國科學技術(shù)大學搭建超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺實現(xiàn)均勻費米氣體的制備[16]。Google實現(xiàn)16 bit費米子量子蒙特卡羅模擬[17]。

量子模擬應(yīng)用探索主要集中在物理模型、化學工業(yè)、生物制藥、材料研究等領(lǐng)域,使用量子計算機模擬量子系統(tǒng)的運行狀態(tài),具備真實接近系統(tǒng)自然狀態(tài)原貌的優(yōu)勢,目前正在從提供物理現(xiàn)象的定性演示向為應(yīng)用問題提供解決方案的方向發(fā)展。

2.2 量子組合優(yōu)化

數(shù)學中的優(yōu)化問題,簡而言之即利用數(shù)學方法尋找離散事件中的最優(yōu)解或進行最優(yōu)的編排、分組,組合優(yōu)化問題是目前算法中最熱門的問題之一,搜索空間往往隨著搜索規(guī)模呈指數(shù)級增長,導(dǎo)致有效時間內(nèi)難以求解,或難以獲得全局性最優(yōu)解。目前,在涉及復(fù)雜多變量組合優(yōu)化的量化金融、交通規(guī)劃、氣象預(yù)測等領(lǐng)域,量子計算應(yīng)用探索也在廣泛開展。2022年,Multiverse Computing推出奇點投資組合混合求解器用于量化投資優(yōu)化分析[18]。Quantum-South發(fā)布基于量子計算的航空貨運優(yōu)化應(yīng)用程序[19]。PsiQuantum啟動Qlimate計劃旨在提供氣候相關(guān)計算問題的量子解決方案[20]。

量子組合優(yōu)化有助于提升尋找優(yōu)化方案的效率和準確性,對諸多復(fù)雜數(shù)學問題進行高效計算,具有將計算時間大幅縮小以實現(xiàn)實時優(yōu)化等優(yōu)勢,未來需要持續(xù)加大應(yīng)用探索的深度和廣度,實現(xiàn)更多行業(yè)領(lǐng)域的量子組合優(yōu)化案例。

2.3 量子線性代數(shù)

量子線性代數(shù)包含多種量子技術(shù)和方法,主要應(yīng)用于量子機器學習、密碼破譯、信用評分等領(lǐng)域。其中,量子機器學習通過構(gòu)建新型數(shù)據(jù)處理模型,將傳統(tǒng)機器學習算法中的部分關(guān)鍵步驟由經(jīng)過驗證的量子算法代替,有望提升目前機器學習算法處理大數(shù)據(jù)的計算效率。2022年,Google使用40位超導(dǎo)量子處理器驗證量子主成分分析過程中的原理性優(yōu)勢[21]。美國哈佛大學利用里德堡原子陣列構(gòu)建量子遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的認知任務(wù)學習試驗[22]。

量子線性代數(shù)利用量子計算的高效、解決復(fù)雜數(shù)學問題的能力,分析求解多行業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜數(shù)學問題,具有提升復(fù)雜數(shù)學問題計算效率等優(yōu)勢。

綜上所述,量子計算相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用探索正在逐漸深入,總體處于發(fā)展的早期階段,在應(yīng)用落地和產(chǎn)出實際價值方面仍面臨挑戰(zhàn)。未來應(yīng)用探索的攻關(guān)方向主要集中在量子比特集成規(guī)模、應(yīng)用算法設(shè)計等方面,并需要在加強量子計算與已有應(yīng)用場景結(jié)合的同時,探索更多具有潛力的應(yīng)用方向,并通過理論及試驗等方式判斷實際應(yīng)用中量子計算相較于經(jīng)典計算的優(yōu)勢。

3 產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育進展

近年來,量子計算領(lǐng)域熱度不斷升高,已成為全球前沿技術(shù)領(lǐng)域投資焦點之一,且投入力度不斷加大。與此同時,產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建培育也成為近期熱點,各國和地區(qū)企業(yè)、研究機構(gòu)不斷通過成立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等方式,逐步培育量子計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。

3.1 市場融投資

量子信息領(lǐng)域市場融投資近兩年來呈爆發(fā)式增長趨勢,量子信息領(lǐng)域企業(yè)獲得市場高度關(guān)注以及大量資金支持,且投資高度集中于量子計算領(lǐng)域(見表2)。量子計算初創(chuàng)企業(yè)在歐洲和美國聚集度和關(guān)注度更高。大量的資金涌入既為量子計算樣機硬件研發(fā)、軟件開發(fā)、應(yīng)用探索等方向提供創(chuàng)新支持和資源保障,也引發(fā)了技術(shù)炒作、夸大宣傳和行業(yè)泡沫等不同觀點和爭議。

2022年,美國Scorpion Capital[23]發(fā)布對量子計算上市公司IonQ的做空報告,指出其量子計算產(chǎn)品與應(yīng)用局限,以及管理運行方面的問題,質(zhì)疑其交付能力與商業(yè)模式。英國牛津大學學者[24]指出,資金涌入導(dǎo)致量子計算成就和前景夸大宣傳,行業(yè)泡沫不容忽視。以上觀點也引發(fā)業(yè)界回應(yīng),從技術(shù)發(fā)展成就、科技巨頭投入和應(yīng)用探索前景等方面展開討論,各方對行業(yè)泡沫爭議的看法觀點不一。

量子計算是未來科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展變革的重要變量之一,已成為全球各國學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和利益攸關(guān)方的普遍共識,近年來在技術(shù)研究和樣機研制等方面取得一系列重要進展,但樣機比特數(shù)量、質(zhì)量和操控速度等性能指標仍有很大提升空間,軟硬件技術(shù)發(fā)展遠未成熟,應(yīng)用探索與產(chǎn)業(yè)培育尚處起步階段。泡沫質(zhì)疑是量子計算發(fā)展過程中的必經(jīng)之路,也是量子計算在學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界反差氛圍中產(chǎn)生的必然結(jié)果。在政策與資金不斷涌入時,對量子計算領(lǐng)域的捧殺需要保持清醒和警惕。在無人區(qū)探索和技術(shù)應(yīng)用成果的短期交付達不到預(yù)期時,對量子計算領(lǐng)域的發(fā)展需要保持戰(zhàn)略定力與信心,避免對未來構(gòu)建技術(shù)產(chǎn)業(yè)競爭力產(chǎn)生不利影響。

3.2 生態(tài)培育

近年來,量子計算領(lǐng)域熱度不斷升高,各國和地區(qū)相繼出臺戰(zhàn)略政策以推動國內(nèi)外科技公司和初創(chuàng)企業(yè)的發(fā)展。目前,全球已有數(shù)百家量子計算企業(yè),研究覆蓋量子計算軟硬件、基礎(chǔ)配套、應(yīng)用探索、用戶培育等多個方面,產(chǎn)業(yè)集聚度以美國和歐洲最高,量子計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系正在逐步構(gòu)建。

美國占據(jù)全球量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢,以科技公司Google、Microsoft、IBM、Intel、Honeywell、HP,以及初創(chuàng)企業(yè)IonQ、Rigetti等眾多具備較強技術(shù)實力和資金支持的企業(yè)為首,加速世界量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展。從量子計算產(chǎn)業(yè)上層的應(yīng)用服務(wù)、軟件開發(fā)到下層量子處理器研發(fā)和支撐系統(tǒng)配套研發(fā)等各層面,均有企業(yè)深入?yún)⑴c。企業(yè)積極進行量子計算原型機及軟件算法相關(guān)研發(fā),積極與科研背景強大的科研院所和高校開展廣泛合作,對量子計算成果轉(zhuǎn)化和加速發(fā)展助力明顯。歐洲各國及地區(qū)也紛紛支持量子計算領(lǐng)域發(fā)展,積極制定量子計算發(fā)展戰(zhàn)略,部署諸多研究項目。歐洲量子企業(yè)大多為初創(chuàng)企業(yè),代表性企業(yè)包括IQM、Atos、Qu&Co等,近年呈加速發(fā)展態(tài)勢。歐洲量子計算企業(yè)與美國等企業(yè)之間合作緊密,各企業(yè)通過與其他量子企業(yè)合作、與產(chǎn)業(yè)界企業(yè)合作等方式取得諸多研究進展與成果。除美國和歐洲大力發(fā)展量子計算外,加拿大、澳大利亞、日本、新加坡等也涌現(xiàn)出一批量子初創(chuàng)企業(yè)?？傮w而言,國際企業(yè)具有較強的技術(shù)實力,全方位推動基礎(chǔ)科學研究、應(yīng)用場景探索和產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育等方面的發(fā)展,激烈競爭的同時保持分工協(xié)作,有力推動量子計算的加速發(fā)展。國內(nèi)的多家科技公司也致力于量子計算的研究,包括華為、百度、阿里巴巴、騰訊等。近年來,通過與科研院所合作或聘請知名科學家等方式成立相關(guān)實驗室,在硬件、軟件、算法、應(yīng)用和量子計算云平臺等方面積極布局。除此之外,國內(nèi)的量子初創(chuàng)企業(yè)也正大力推進量子計算各環(huán)節(jié)的研究與應(yīng)用,代表性初創(chuàng)企業(yè)包括本源量子計算科技(合肥)股份有限公司、國開啟科量子技術(shù)(北京)有限公司、華翊量子、深圳量旋科技有限公司、上海圖靈智算量子科技有限公司等。我國科技企業(yè)在樣機研制、應(yīng)用推動及產(chǎn)業(yè)培育等方面與國際企業(yè)相比存在差距,但正在積極追趕,產(chǎn)業(yè)培育等工作逐步得到重視和加強。

通過成立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等方式發(fā)展和完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),已逐漸成為近期發(fā)展熱點。近年來,多個國家及地區(qū)均成立量子計算領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,成員單位涵蓋量子信息領(lǐng)域企業(yè)、眾多研究機構(gòu)以及各應(yīng)用領(lǐng)域重點企業(yè)。IBM成立的IBM Q Network目前已有包含政府及科研機構(gòu)、初創(chuàng)企業(yè)、行業(yè)應(yīng)用合作伙伴等在內(nèi)百余家成員,覆蓋航空、銀行、能源等應(yīng)用領(lǐng)域。Microsoft發(fā)起Microsoft Quantum Network與Northwest Quantum Nexus,主要包括解決方案合作方、下游潛在客戶及研究機構(gòu)三類成員,致力于推進量子計算發(fā)展并探討實際應(yīng)用。日本24家企業(yè)聯(lián)合成立量子戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)盟,旨在評估與量子計算相關(guān)的基本原則與法律,并就其適用性和必要產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提出建議。德國10家企業(yè)成立量子技術(shù)與應(yīng)用聯(lián)盟,旨在明確現(xiàn)階段可能實現(xiàn)的行業(yè)應(yīng)用,評估量子計算工業(yè)化實施潛力。芬蘭建立量子計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟項目BusinessQ,目標在于擴大量子計算對芬蘭工業(yè)與商業(yè)的影響。加拿大成立量子產(chǎn)業(yè)部,旨在加速技術(shù)創(chuàng)新、實現(xiàn)人才轉(zhuǎn)化及推進量子計算商業(yè)化進程。我國本源量子建立本源量子計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,加速技術(shù)開發(fā)和探索應(yīng)用落地。中國信息通信研究院聯(lián)合國內(nèi)量子信息領(lǐng)域高校、科研機構(gòu)和企業(yè)發(fā)起量子信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,組織推動論壇交流、案例征集、報告研究、驗證測評等工作。

全球量子計算企業(yè)數(shù)量不斷增多,呈加速發(fā)展態(tài)勢,整體數(shù)目已超百家,量子計算領(lǐng)域研究覆蓋量子計算軟硬件、基礎(chǔ)配套和應(yīng)用探索等多個方面,產(chǎn)業(yè)集聚度仍以北美和歐洲最高,量子計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系正在逐步構(gòu)建。相較美國和歐洲而言,我國企業(yè)在技術(shù)研發(fā)水平與整體產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建等方面仍有提升空間,未來需要組織開展產(chǎn)業(yè)需求、供應(yīng)鏈建設(shè)等方面深入交流,探索科研、工程和產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域的分工合作協(xié)同機制,突破和掌握核心使能技術(shù),為用戶習慣培養(yǎng)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

4 未來發(fā)展趨勢展望

總體而言,量子計算技術(shù)研究處于早期快速發(fā)展階段,多種技術(shù)路線呈現(xiàn)多元化開放性的競爭態(tài)勢,這種競爭態(tài)勢短期內(nèi)將持續(xù)存在。量子計算應(yīng)用探索在諸多行業(yè)廣泛開展,距離應(yīng)用落地尚有一定距離,相關(guān)探索必將是一個長期過程。量子計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)正在逐步構(gòu)建,處于早期培育階段,產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展勢頭良好,未來將持續(xù)探索合適的商業(yè)模式。

在技術(shù)研究方面,量子計算研究發(fā)展迅速,不斷取得突破性進展,硬件研制、軟件算法、量子糾錯、支撐保障等方面取得一系列重要成果。量子計算仍處于早期快速發(fā)展階段,各研究領(lǐng)域仍存在較多亟需解決的問題。在硬件研制方面,需要在可擴展性、操作復(fù)雜度、噪聲抑制能力和集成化水平等方面重點突破,集中力量加強研發(fā)攻關(guān)。在軟件算法方面,需要在注重軟件本身的研究與開發(fā)的基礎(chǔ)上,重視應(yīng)用生態(tài)的培育以及用戶習慣的培養(yǎng)。在量子糾錯方面,需要結(jié)合理論研究與樣機試驗,進一步設(shè)計和改進糾錯程序,同時降低糾錯所需的資源開銷。在支撐保障方面,需要明確不同路線量子計算機所需支撐保障系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn),重點攻關(guān)稀釋制冷機、測控系統(tǒng)、真空腔等關(guān)鍵部分。

在應(yīng)用探索方面,基于NISQ樣機開展量子算法研究和應(yīng)用場景探索,逐漸成為業(yè)界研究熱點,涵蓋化學模擬、量化金融、交運航空、人工智能、氣象預(yù)測等多個行業(yè)領(lǐng)域。量子計算應(yīng)用成果層出不窮,但已發(fā)布成果大多偏向于預(yù)研性質(zhì),處于原理性與可行性驗證的探索階段,量子計算距離應(yīng)用實際落地和產(chǎn)生變革性價值仍有一定距離。近期,數(shù)學工程與先進計算國家重點實驗室、清華大學等[25]提出亞線性資源量子經(jīng)典混合大數(shù)分解算法,有望推動NISQ量子樣機的實際應(yīng)用。在具有實用價值的問題上,明確展現(xiàn)量子優(yōu)越性是下一步努力的目標。

在產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育方面,以美國、中國、歐洲、加拿大等為首的各國和地區(qū)企業(yè)紛紛開啟量子計算上下游各環(huán)節(jié)的系列研究與產(chǎn)品研發(fā),全球量子計算生態(tài)體系正在逐步構(gòu)建。量子計算產(chǎn)業(yè)推進處于早期階段,產(chǎn)業(yè)力量不斷壯大的同時,發(fā)展仍具有一定的不確定性,產(chǎn)業(yè)發(fā)展與生態(tài)構(gòu)建需要業(yè)界共同研究探討和持續(xù)推進。未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵主要集中在生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、開源社區(qū)、市場投融資等方面,通過整合多方力量構(gòu)建具有競爭力的量子計算產(chǎn)業(yè)。

5 結(jié)束語

量子計算領(lǐng)域是目前各方關(guān)注與期望的焦點,全球主要國家及地區(qū)紛紛加大公共研發(fā)資金的支持投入力度。科學研究和技術(shù)研發(fā)亮點紛呈,多種技術(shù)路線并行發(fā)展,量子計算優(yōu)越性獲得試驗驗證,量子糾錯研究欣欣向榮。行業(yè)應(yīng)用探索廣泛開展,多領(lǐng)域應(yīng)用探索蓄勢待發(fā)。產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與投融資增長迅速,發(fā)展趨勢強勁。未來業(yè)界需要結(jié)合量子計算關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)生態(tài)的現(xiàn)狀與需求,持續(xù)加強基礎(chǔ)科研攻關(guān),開展行業(yè)應(yīng)用探索,促進產(chǎn)、學、研、用協(xié)同,培育產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),多措并舉,共同聚力推動量子計算領(lǐng)域發(fā)展。