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盘点量子计算2021：厚积薄发恰逢其时

商业 C114中国通信网 2022-01-21 11:58

C114讯 1月21日消息（余予）近几年，全球量子计算热闹非凡，竞争激烈，成果涌现。从我国在两种物理体系达到“量子计算优越性”，到IBM将低温超导量子计算系统的物理量子比特数量增至127等等。从过去几十年的进程来看，量子计算的增长可以说是前所未有的快，尤其是在2021年。

其中最令人惊喜的是，就2021年最后一天，由霍尼韦尔 (Honeywell) 提供支持的Quantinuum H系列量子计算机继续实现指数级性能提升，其最新离子阱系统H1-2达到2048量子体积，为2021年画上一个完美的句号。

这可以说是突如其来，也可以说是“时间到了”。

在国际数据公司 (IDC) 临近年末发布的首份全球量子计算市场预测中，IDC认为，2021年为量子计算行业的关键一年。在这一年，为实现量子优势而实施的战略方法变得更加明确：供应商发布了量子计算路线图，路线图强调改进量子比特扩展和纠错的方法，通过上市或与政府、教育或私人实体合作寻求新的融资机会，或因预期提供而合并更全栈的方法。

各国政策、资金加持量子研发底气十足

量子计算机是第二次量子技术革命的产物，一台足够强大的量子计算机的算力甚至能超越全球经典计算机的算力总和。随着谷歌、IBM、英特尔、微软等科技公司，以及我国中国科大等相关研究机构在量子研究方面的投入，量子计算硬件技术渐趋成熟。这其中不乏以政府政策及资金的支持为底。

2021年1月，法国总统马克龙宣布启动法国量子技术国家战略，计划五年内在量子领域投资18亿欧元，使法国跻身量子信息领域的“世界前三”；同年3月，加拿大政府向量子计算机制造商D-Wave公司拨款3190万美元，支持一项价值1.2亿美元的项目，该笔款项将用于开发量子计算机硬件和软件系统，确保加拿大在量子科技发展方面始终处于领先地位；德国将斥资约20亿欧元（约合人民币156亿元）支持其在未来四年内开发首台量子计算机及其相关技术……等等。

IDC预测，量子计算市场的投资将以11.3%的复合年增长率 (2021-2027) 增长，到2027年底将达到近164亿美元。投资包括公共和私人资助机构的投资、全球政府支出、来自技术和服务供应商的内部拨款（研发支出），以及来自风险投资家和私募股权公司的外部资金。

据麦肯锡数据显示，2021年对量子计算初创企业的风险资本投资同比增长2倍，超过17亿美元。最重要的是，政府和跨国公司集体投资了数十亿美元。

虽然投资规模和增长率都很大，但量子计算市场的预期规模要大得多。有分析师表示，我们正处于量子计算“从科学研究和概念验证，转向硬件和软件工程师构建未来几年具有商业前景的产品”的转折点。这需要更多投资来提供有利于广泛的垂直行业和用例的大规模的量子计算。

量子计算系统构建技术多种并存探索仍在继续

量子计算本身作为一种全新计算，在药物设计、人工智能和安全信息处理等领域有着广阔的应用前景。研发出具有实用价值的量子计算机，是量子计算领域最重要的发展目标。

近年来，各国相关科技实体纷纷布局，在量子计算系统构建上可谓是下足功夫。就目前来说，在量子计算系统的构建上，现在主要有以下几种硬件技术：

·超导量子技术

据了解，超导量子技术是量子系统构建主要技术之一，往往具有较高的保真度及快速门控制，比特数规模暂时处于领先位置，并且其在电路设计、制备与测量集成电路方面兼容，以及其平面二维布局与纠错编码拥有很高的契合度。

但其也具有如需要极低温制冷、人工制造量子位可能会导致错误等等局限。

超导量子技术方面，最显著的代表包括谷歌、IBM、中国科大等科技实体。

2021年10月，中国科大研究团队构建了比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”和拥有113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，使我国成为了目前世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。这应该也是超导量子技术在2021年取得的最好成果；

图一：祖冲之二号量子处理器图

图1：九章二号整体装置图(制图：陆朝阳，彭礼超)

谷歌于2019年推出“悬铃木”，根据其发布的路线图预测，2029年将实现百万位和可纠错量子计算；

IBM在其2021年峰会上推出了拥有127个量子位的“Eagle ”，和此前相比，其每个新处理器的量子比特数大约增加了一倍。接下来，IBM计划在2022年推出具有433个量子位的“Osprey” 。

Eagle 3D 架构，IBM

除上述几家具有代表性的企业及机构外，2021年7月，荷兰初创公司QuantWare 推出了世界上首个用于量子计算机 (QPU) 的商用超导处理器；同年12月初，全栈量子计算公司Rigetti Computing宣布与微软合作，通过云向微软Azure Quantum服务的用户提供Rigetti量子计算机。

·离子技术

一开始提到离子技术，大家第一下想到的大概是霍尼韦尔和IonQ，现在又多了个Quantinuum——它是英国量子软件和操作系统领先公司剑桥量子（Cambridge Quantum）与霍尼韦尔量子解决方案 (HQS) 合并的产物。

2021年，霍尼韦尔推出基于差异化量子电荷耦合器件离子阱技术架构的系统模型H1，其量子体积翻了两番，达到512量子体积，成为全球首台512量子体积的商用量子计算机；

其次是IonQ这家公司，它是首家能够利用多个原子种类作为量子位的量子计算公司，迄今为止已经用镱离子构建系统。2021年8月，推出业界首个4*16可重构多核量子架构 (RMQ)，该架构总共具有64 个离子，通过离子链之间的分离和合并，以创建RQA。同年12月初，IonQ宣布计划在其系统中使用钡离子作为量子位，构建一个更快、更强大、更易于互联且为客户提供更多运行时间的系统。

IonQ的EGT系列离子阱芯片（图源：IonQ）

最后，在2021年最后一天，由霍尼韦尔 (Honeywell) 提供支持的Quantinuum H 系列量子计算机继续实现指数级性能提升，其最新离子阱系统H1-2首先达到2048量子体积。

除上述提及，2021年12月，鸿海研究院宣布成立离子阱实验室。同时表示，随着离子阱实验室的成立，未来将结合鸿海科技集团在半导体、资通讯和精密制造的能力，开发离子阱晶片、积体光学，以及先进集成电路等核心硬体设施，由量子计算研究所主导开发量子编译器，并寻求业界合作，预计在5年内推出5到10位元开源、可编程的离子阱量子电脑。

·光量子技术

光学计算机可以在室温下运行，而无需像其他超导量子计算机一样需要昂贵的冷却设备。这或许是很多科技实体开始光量子技术相关研究的原因之一。

2021年3月，我国国防科学技术大学计算机学院QUANTA团队联合军事科学院、北京量子信息科学研究院、中山大学光电材料与技术国家重点实验室等国内外单位，研发出一款新型可编程硅基光量子计算芯片，实现了多种图论问题的量子算法求解，有望未来在大数据处理等领域获得应用。

2021年临近年末，包括日本电报电话（NTT）公司、东京大学和日本理研研究所在内的研究团队开发了一种高性能的“压缩光”源，用于光量子计算的信息传输，并在2030年之前利用这项技术开发出强大的量子计算机。

除此之外，据了解，日立公司（Hitachi）正在开发一种基于硅的量子计算机，这被视为未来大规模系统开发的一条有前途的途径。

总体说来，每种技术架构方法都有其优点和缺点。比如说超导量子技术具有较高的保真度及快速门控制，但其需要极低温制冷光学；又比如，光学系统的优点包括可扩展性和减少功耗等等。

量子计算架构技术不会只局限于这几种，就像人们常说“办法总比困难多”一样，随着时代的进步，为应对不同环境需求，解决不同的计算问题，未来我们还会看到更多新的方法应用于量子计算系统构建。

市场竞争需求新厂商积极入局量子科技公司蓄势待发

2021年，是量子计算机为重要的一年，也是竞争异常激烈的一年。在一年，除去IBM、IonQ、霍尼韦尔这类的国外老牌量子计算公司，国内外量子计算企业接连上市，其中还伴随着合并产出的新公司。

2021年10月1日，IonQ 成为第一家上市的量子计算公司，估值约为20亿美元，紧随其后的是Rigetti Computing，估值为15亿美元。

其次，还伴随着新玩家的入局——Quantinuum，英国量子软件和操作系统领先公司剑桥量子（Cambridge Quantum）与霍尼韦尔量子解决方案 (HQS) 合并的产物。

图源：Quantinuum

并且，“我们预计在未来12个月内，将成为一家上市公司，”曾领导HQS，现在担任Quantinuum总裁兼首席运营官的Tony Uttley表示。

除了上市公司及新玩家的入场，2021年，量子技术领域也出现大量投资，从贝莱德和微软风险基金等向PsiQuantum注资4.5 亿美元，到霍尼韦尔量子解决方案与剑桥量子计算公司的合并以及高达3亿美元的计划投资，人们对量子技术领域的兴趣正在增加。我们似乎还会继续看到更大的科技巨头对初创公司进行投资以扩大其量子能力，并打算尽快将可行的解决方案推向市场。

在小编看来，新玩家的入局，量子计算企业的上市无不说明了量子计算这一技术的重要。尽管它现在还处于初期阶段，未来还有很多可能性。

量子计算用例广泛助力各行各业

量子计算可以说是很神秘，我们对它的印象大多数是实验室、研究团队、科技公司等等。离我们实际生活很是遥远。但不得不说，每一年，量子计算都在朝着商业可行迈进。

量子计算将能够解决材料科学和化学中的复杂问题，通过使用超越任何传统超级计算机能力的新算法模拟分子和材料；同时，也可以有效地模拟其他量子系统，从而对复杂材料的化学和物理特性进行更可预测和准确的洞察。

那么，随着量子计算不断朝着商业可行迈进，未来我们将看到将NISQ机器用于金融服务、航空航天、物流以及制药或化学等领域的一些有趣的用例的新方法。

而在2021年，我们已经看到了这样的商业用例的诞生，有些已经实行，有些还尚在开发中。

·PsiQuantum和QunaSys日前宣布一项联合研究项目，评估用于工业化学计算的容错量子计算的能力，旨在加速可持续材料的开发；

·日本JSR Corporation (“JSR”)作为alpha客户加入了该项目，将评估量子计算在光刻胶、弹性体、塑料和试剂制造方面的进展。

·全球钢铁制造商Nippon Steel日前与剑桥量子计算公司 (CQC)和霍尼韦尔合作优化工厂调度问题。

·IBM 和 E.ON 旨在通过量子计算推动能源行业的转型。

量子计算势头不减 2022年将大展宏图

就我们所了解的，量子计算早在多年以前便成为各国研究团队、科学家们的研究对象，在量子计算方面的研究有着很长的历史，特别是在过去两年中，这一技术经历了前所未有的增长。