盤點量子計算2021：厚積薄發(fā) 恰逢其時

1月21日消息（余予）近幾年，全球量子計算熱鬧非凡，競爭激烈，成果涌現。從我國在兩種物理體系達到“量子計算優(yōu)越性”，到IBM將低溫超導量子計算系統(tǒng)的物理量子比特數量增至127等等。從過去幾十年的進程來看，量子計算的增長可以說是前所未有的快，尤其是在2021年。

其中最令人驚喜的是，就2021年最后一天，由霍尼韋爾 (Honeywell) 提供支持的Quantinuum H系列量子計算機繼續(xù)實現指數級性能提升，其最新離子阱系統(tǒng)H1-2達到2048量子體積，為2021年畫上一個完美的句號。

這可以說是突如其來，也可以說是“時間到了”。

在國際數據公司 (IDC) 臨近年末發(fā)布的首份全球量子計算市場預測中，IDC認為，2021年為量子計算行業(yè)的關鍵一年。在這一年，為實現量子優(yōu)勢而實施的戰(zhàn)略方法變得更加明確：供應商發(fā)布了量子計算路線圖，路線圖強調改進量子比特擴展和糾錯的方法，通過上市或與政府、教育或私人實體合作尋求新的融資機會，或因預期提供而合并更全棧的方法。

各國政策、資金加持 量子研發(fā)底氣十足

量子計算機是第二次量子技術革命的產物，一臺足夠強大的量子計算機的算力甚至能超越全球經典計算機的算力總和。隨著谷歌、IBM、英特爾、微軟等科技公司，以及我國中國科大等相關研究機構在量子研究方面的投入，量子計算硬件技術漸趨成熟。這其中不乏以政府政策及資金的支持為底。

2021年1月，法國總統(tǒng)馬克龍宣布啟動法國量子技術國家戰(zhàn)略，計劃五年內在量子領域投資18億歐元，使法國躋身量子信息領域的“世界前三”；同年3月，加拿大政府向量子計算機制造商D-Wave公司撥款3190萬美元，支持一項價值1.2億美元的項目，該筆款項將用于開發(fā)量子計算機硬件和軟件系統(tǒng)，確保加拿大在量子科技發(fā)展方面始終處于領先地位；德國將斥資約20億歐元（約合人民幣156億元）支持其在未來四年內開發(fā)首臺量子計算機及其相關技術……等等。

IDC預測，量子計算市場的投資將以11.3%的復合年增長率 (2021-2027) 增長，到2027年底將達到近164億美元。投資包括公共和私人資助機構的投資、全球政府支出、來自技術和服務供應商的內部撥款（研發(fā)支出），以及來自風險投資家和私募股權公司的外部資金。

據麥肯錫數據顯示，2021年對量子計算初創(chuàng)企業(yè)的風險資本投資同比增長2倍，超過17億美元。最重要的是，政府和跨國公司集體投資了數十億美元。

雖然投資規(guī)模和增長率都很大，但量子計算市場的預期規(guī)模要大得多。有分析師表示，我們正處于量子計算“從科學研究和概念驗證，轉向硬件和軟件工程師構建未來幾年具有商業(yè)前景的產品”的轉折點。這需要更多投資來提供有利于廣泛的垂直行業(yè)和用例的大規(guī)模的量子計算。

量子計算系統(tǒng)構建技術多種并存 探索仍在繼續(xù)

量子計算本身作為一種全新計算，在藥物設計、人工智能和安全信息處理等領域有著廣闊的應用前景。研發(fā)出具有實用價值的量子計算機，是量子計算領域最重要的發(fā)展目標。

近年來，各國相關科技實體紛紛布局，在量子計算系統(tǒng)構建上可謂是下足功夫。就目前來說，在量子計算系統(tǒng)的構建上，現在主要有以下幾種硬件技術：

·超導量子技術

據了解，超導量子技術是量子系統(tǒng)構建主要技術之一，往往具有較高的保真度及快速門控制，比特數規(guī)模暫時處于領先位置，并且其在電路設計、制備與測量集成電路方面兼容，以及其平面二維布局與糾錯編碼擁有很高的契合度。

但其也具有如需要極低溫制冷、人工制造量子位可能會導致錯誤等等局限。

超導量子技術方面，最顯著的代表包括谷歌、IBM、中國科大等科技實體。

2021年10月，中國科大研究團隊構建了比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”和擁有113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，使我國成為了目前世界上唯一在兩種物理體系達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑的國家。這應該也是超導量子技術在2021年取得的最好成果；

圖一：祖沖之二號量子處理器圖

圖1：九章二號整體裝置圖(制圖：陸朝陽，彭禮超)

谷歌于2019年推出“懸鈴木”，根據其發(fā)布的路線圖預測，2029年將實現百萬位和可糾錯量子計算；

IBM在其2021年峰會上推出了擁有127個量子位的“Eagle ”，和此前相比，其每個新處理器的量子比特數大約增加了一倍。接下來，IBM計劃在2022年推出具有433個量子位的“Osprey” 。

Eagle 3D 架構，IBM

除上述幾家具有代表性的企業(yè)及機構外，2021年7月，荷蘭初創(chuàng)公司QuantWare 推出了世界上首個用于量子計算機 (QPU) 的商用超導處理器；同年12月初，全棧量子計算公司Rigetti Computing宣布與微軟合作，通過云向微軟Azure Quantum服務的用戶提供Rigetti量子計算機。

·離子技術

一開始提到離子技術，大家第一下想到的大概是霍尼韋爾和IonQ，現在又多了個Quantinuum——它是英國量子軟件和操作系統(tǒng)領先公司劍橋量子（Cambridge Quantum）與霍尼韋爾量子解決方案 (HQS) 合并的產物。

2021年，霍尼韋爾推出基于差異化量子電荷耦合器件離子阱技術架構的系統(tǒng)模型H1，其量子體積翻了兩番，達到512量子體積，成為全球首臺512量子體積的商用量子計算機；

其次是IonQ這家公司，它是首家能夠利用多個原子種類作為量子位的量子計算公司，迄今為止已經用鐿離子構建系統(tǒng)。2021年8月，推出業(yè)界首個4*16可重構多核量子架構 (RMQ)，該架構總共具有64 個離子，通過離子鏈之間的分離和合并，以創(chuàng)建RQA。同年12月初，IonQ宣布計劃在其系統(tǒng)中使用鋇離子作為量子位，構建一個更快、更強大、更易于互聯(lián)且為客戶提供更多運行時間的系統(tǒng)。

IonQ的EGT系列離子阱芯片（圖源：IonQ）

最后，在2021年最后一天，由霍尼韋爾 (Honeywell) 提供支持的Quantinuum H 系列量子計算機繼續(xù)實現指數級性能提升，其最新離子阱系統(tǒng)H1-2首先達到2048量子體積。

除上述提及，2021年12月，鴻海研究院宣布成立離子阱實驗室。同時表示，隨著離子阱實驗室的成立，未來將結合鴻?？萍技瘓F在半導體、資通訊和精密制造的能力，開發(fā)離子阱晶片、積體光學，以及先進集成電路等核心硬體設施，由量子計算研究所主導開發(fā)量子編譯器，并尋求業(yè)界合作，預計在5年內推出5到10位元開源、可編程的離子阱量子電腦。

·光量子技術

光學計算機可以在室溫下運行，而無需像其他超導量子計算機一樣需要昂貴的冷卻設備。這或許是很多科技實體開始光量子技術相關研究的原因之一。

2021年3月，我國國防科學技術大學計算機學院QUANTA團隊聯(lián)合軍事科學院、北京量子信息科學研究院、中山大學光電材料與技術國家重點實驗室等國內外單位，研發(fā)出一款新型可編程硅基光量子計算芯片，實現了多種圖論問題的量子算法求解，有望未來在大數據處理等領域獲得應用。

2021年臨近年末，包括日本電報電話（NTT）公司、東京大學和日本理研研究所在內的研究團隊開發(fā)了一種高性能的“壓縮光”源，用于光量子計算的信息傳輸，并在2030年之前利用這項技術開發(fā)出強大的量子計算機。

除此之外，據了解，日立公司（Hitachi）正在開發(fā)一種基于硅的量子計算機，這被視為未來大規(guī)模系統(tǒng)開發(fā)的一條有前途的途徑。

總體說來，每種技術架構方法都有其優(yōu)點和缺點。比如說超導量子技術具有較高的保真度及快速門控制，但其需要極低溫制冷光學；又比如，光學系統(tǒng)的優(yōu)點包括可擴展性和減少功耗等等。

量子計算架構技術不會只局限于這幾種，就像人們常說“辦法總比困難多”一樣，隨著時代的進步，為應對不同環(huán)境需求，解決不同的計算問題，未來我們還會看到更多新的方法應用于量子計算系統(tǒng)構建。

市場競爭需求 新廠商積極入局 量子科技公司蓄勢待發(fā)

2021年，是量子計算機為重要的一年，也是競爭異常激烈的一年。在一年，除去IBM、IonQ、霍尼韋爾這類的國外老牌量子計算公司，國內外量子計算企業(yè)接連上市，其中還伴隨著合并產出的新公司。

2021年10月1日，IonQ 成為第一家上市的量子計算公司，估值約為20億美元，緊隨其后的是Rigetti Computing，估值為15億美元。

其次，還伴隨著新玩家的入局——Quantinuum，英國量子軟件和操作系統(tǒng)領先公司劍橋量子（Cambridge Quantum）與霍尼韋爾量子解決方案 (HQS) 合并的產物。

圖源：Quantinuum

并且，“我們預計在未來12個月內，將成為一家上市公司，”曾領導HQS，現在擔任Quantinuum總裁兼首席運營官的Tony Uttley表示。

除了上市公司及新玩家的入場，2021年，量子技術領域也出現大量投資，從貝萊德和微軟風險基金等向PsiQuantum注資4.5 億美元，到霍尼韋爾量子解決方案與劍橋量子計算公司的合并以及高達3億美元的計劃投資，人們對量子技術領域的興趣正在增加。我們似乎還會繼續(xù)看到更大的科技巨頭對初創(chuàng)公司進行投資以擴大其量子能力，并打算盡快將可行的解決方案推向市場。

在小編看來，新玩家的入局，量子計算企業(yè)的上市無不說明了量子計算這一技術的重要。盡管它現在還處于初期階段，未來還有很多可能性。

量子計算用例廣泛 助力各行各業(yè)

量子計算可以說是很神秘，我們對它的印象大多數是實驗室、研究團隊、科技公司等等。離我們實際生活很是遙遠。但不得不說，每一年，量子計算都在朝著商業(yè)可行邁進。

量子計算將能夠解決材料科學和化學中的復雜問題，通過使用超越任何傳統(tǒng)超級計算機能力的新算法模擬分子和材料；同時，也可以有效地模擬其他量子系統(tǒng)，從而對復雜材料的化學和物理特性進行更可預測和準確的洞察。

那么，隨著量子計算不斷朝著商業(yè)可行邁進，未來我們將看到將NISQ機器用于金融服務、航空航天、物流以及制藥或化學等領域的一些有趣的用例的新方法。

而在2021年，我們已經看到了這樣的商業(yè)用例的誕生，有些已經實行，有些還尚在開發(fā)中。

·PsiQuantum和QunaSys日前宣布一項聯(lián)合研究項目，評估用于工業(yè)化學計算的容錯量子計算的能力，旨在加速可持續(xù)材料的開發(fā)；

·日本JSR Corporation (“JSR”)作為alpha客戶加入了該項目，將評估量子計算在光刻膠、彈性體、塑料和試劑制造方面的進展。

·全球鋼鐵制造商Nippon Steel日前與劍橋量子計算公司 (CQC)和霍尼韋爾合作優(yōu)化工廠調度問題。

·IBM 和 E.ON 旨在通過量子計算推動能源行業(yè)的轉型。

量子計算勢頭不減 2022年將大展宏圖

就我們所了解的，量子計算早在多年以前便成為各國研究團隊、科學家們的研究對象，在量子計算方面的研究有著很長的歷史，特別是在過去兩年中，這一技術經歷了前所未有的增長。

縱觀整個2021，盡管量子計算還不一個家喻戶曉的名詞，盡管它還是離我們的實際生活有很大的距離，但其身上卻具備很多的希望、潛力和未來。

2021年，量子計算不斷走向商業(yè)化，各個科技實體陸續(xù)發(fā)布發(fā)展路線圖，研究機構不斷嘗試新想法并得出成果，政府加大政策、資金支持力度等等?；谝陨希孔佑嬎銉?yōu)越性”似乎也不再是很難觸及的高度。

而2022年，量子計算的激情將繼續(xù)保持下去，當然，也許會更加高漲。

這不是理所應當的嗎？

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