量子计算:多种技术路径并进,探索行业创新应用落地|未来产业调研笔记

量子计算:多种技术路径并进,探索行业创新应用落地|未来产业调研笔记

量子计算作为一门前沿科技,近年来吸引了全球科研人员和资本的极大关注。它利用量子力学原理,突破传统计算机基于二进制的计算方式,展现出在某些特定问题上远超经典计算机的潜力。随着量子物理理论的不断深入和量子技术的日益成熟,量子计算逐渐从理论走向实用化,被认为是未来计算技术的重要发展方向。

我国高度重视量子科学的研究,相继出台了多项政策和规划,支持量子技术的研究与应用。在量子计算领域,中国科研机构和企业在超导量子计算、光量子计算等关键技术路线上已取得了一系列具有国际影响力的成果,在全球量子计算竞争中居于较领先地位。

本文将从以下三个方面,就我国量子计算产业的发展现状和投资机会展开讨论。

1、量子计算的主流技术路径

2、我国量子计算云平台布局情况;

3、量子计算商业化应用潜力分析

多种技术路线并存,超导、光量子路径最受关注

当前量子计算处在的早期探索阶段,主流方案包含超导、离子阱、光量子、超冷原子、硅基量子点和拓扑等,基本都沿着量子计算优越性——专用量子计算——通用量子计算的路线图发展。

根据前沿科技咨询机构ICV发布的《2024全球量子计算产业发展展望》报告,从全球主要量子计算整机企业分布看,中美两国占据主导地位,美国20家、中国18家,分别占28%、25%。从技术路线分布看,超导和光量子路径最受关注。2023年全球71家主要量子计算整机企业中,19家为超导量子计算路径,占比27%,其中美国8家,中国5家;其次为光量子计算路径,共计13家,占比为18%,其中中国企业最多,达到4家。

超导量子计算是目前最为成熟的量子计算技术之一。它基于超导电路,通过对超导量子比特进行操控来进行信息的处理。超导量子比特的优势在于其较高的连续性和可扩展性,以及相对较低的失真率。该技术路线已经实现了多量子比特之间的纠缠和量子门操作,为构建实用的量子计算机奠定了基础。然而,超导量子比特对环境的温度和电磁干扰非常敏感,因此需要在极低温和屏蔽良好的环境中进行实验。

光量子计算路径利用光子作为信息的载体,通过量子光学元件实现量子计算过程。光量子计算的关键优势在于光子具有很好的相干性和较低的相互作用,这使得光子在传输过程中不易丢失信息。此外,光量子计算在室温下即可进行,不像超导量子计算需要极低温环境。其技术挑战在于光子的生成、操作和检测等方面,需要高精度的操控技术和设备。

美国量子计算产业链布局完善,IBM、谷歌、微软等头部科技企业入局,尤其在超导量子计算路径上有显著优势。在超导量子芯片领域,2023年12月,IBM发布了全球首款超过1000量子比特的量子计算处理器芯片Condor,其拥有1121量子比特。

2024年4月,中国科学院量子信息与量子科技创新研究院发布了一款504比特超导量子计算芯片“骁鸿”,刷新国内超导量子比特数量的纪录。

中国科学院量子信息与量子科技创新研究院教授、中电信量子集团及国盾量子(688027.SH)首席科学家彭承志此前接受媒体采访时表示,超导量子计算芯片可以复用较成熟的半导体芯片加工技术,在比特数量扩展上特别有优势,因此研发“不算难”,“最困难的是如何让量子比特的质量和数量同步提升,从而真正提升芯片的性能,更精密地调控大规模量子比特,这是国际主流科研团队都在攻坚的。”

据悉,量子计算机所能实现的计算能力取决于多个因素,以超导量子计算机为例,包括比特数、保真度、相干时间、门操作速度、连通性等。其中,比特数是一项关键指标。但是需要特别注意的是,单谈比特数是没有意义的,更重要的是在大规模量子比特下,门保真度(特别是双比特门保真度)、相干时间以及比特的连通性等。

此外,超导材料的特性在于当温度降至某一临界温度以下时,电阻为零,电流可以无损耗地流动。为实现量子比特的高效操作和稳定存储,量子芯片需要在-273.12℃或更低的极低温环境中运行,所以稀释制冷机是超导量子计算的关键设备之一。

2024年2月,国盾量子推出的国产稀释制冷机ez-Q Fridge在交付客户后完成性能测试,实际运行指标达同类产品国际主流水平,成为国内首款可商用可量产的超导量子计算机用稀释制冷机,并服务于“祖冲之二号”实现量子计算优越性实验。

实现“量子优越性”是衡量量子计算机性能的关键,即针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机。目前全世界只有两台超导量子计算机实现:美国“悬铃木”、中国“祖冲之二号”。

“祖冲之二号”由中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与中科院上海技术物理研究所合作研发。国盾量子作为唯一参与“祖冲之号”研发的企业单位,通过超导量子计算原型机的供应链管理和整合能力(包括室温操控系统、低温信号传输系统、芯片封装系统、操控软件系统等),已成功对外销售4台量子计算机整机。

除了“祖冲之号”,我国实现“量子优越性”的量子计算机还有一台——由中科大潘建伟团队研制的“九章”系列。“九章”系列采用光量子计算路径,中国是唯一在超导和光量子两条技术路径上都实现量子优越性的国家。

2023年10月,中科大团队成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”。该原型机由255个光子构成,在解决高斯玻色取样数学问题方面比全球最快的超级计算机快一亿亿倍,再度刷新了光量子信息技术的世界纪录。

云平台成为推动量子计算实际应用关键

实现“量子优越性”是量子计算商业化、普及化的必要前提,量子计算云平台则是量子计算实际应用发展的关键。

目前量子计算机的硬件成本极高,特别是对于高保真度和大规模量子比特的系统,同时量子计算机的运行和维护需要专业的技术和环境。量子计算云平台为大学、科研院所、企业等提供了低成本触达量子计算系统的方式。

国盾量子在接受第一财经采访时表示,“量子计算云平台让更多人与我们共同探索量子计算应用。通过将世界上最优秀的量子计算机开放出来,邀请下游同伴进行更多探索,寻找更多问题,以及开发更多算法。”

一方面,云平台可以快速更新和部署最新的量子计算技术和算法,用户可以即时体验到技术进步带来的优势;另外一方面,用户在试用云平台进行应用开发和测试时,可以向平台提供商反馈问题和需求,促进技术的迭代和优化。量子计算云平台作为连接不同量子计算企业、科研机构和企业用户的桥梁,促进量子计算与各行各业之间的合作,共同推动量子计算技术的发展和应用。

2023年5月,国盾量子发布新一代量子计算云平台,接入了自研的“祖冲之号”同款176比特超导量子计算机,不仅刷新了国内云平台的超导量子计算机比特数记录,也成为国际上首个在超导量子路线上具有实现量子优越性潜力、对外开放的量子计算云平台。

国盾量子表示,未来还计划接入多台高性能量子计算机,互相灾备并迭代更新,使得云平台硬件保持国际先进水平。

2023年11月,国盾量子协助中电信量子集团“天衍”量子计算云平台和中国电信“天翼云”超算平台进行对接,构建“超算-量子计算”混合计算架构体系。

商业化加速,金融领域成潜在最重要应用领域

根据ICV数据,2023年全球量子产业规模达到47亿美元,2023至2028年的年平均增长率(CAGR)预计将达到44.8%,受益于通用量子计算机的技术进步和专用量子计算机在特定领域的广泛应用,到2035年量子计算产业总市场规模有望达到8117亿美元。

作为一种新兴的计算技术,量子计算在金融、医药、化工等多个领域都显示出了突破性的应用潜力。其中,金融行业是量子计算潜在的重要应用领域,主要由于量子计算技术在资产组合优化、风险分析、市场预测等方面显现出巨大潜能,使得金融领域对量子计算需求的快速上升。

在医药研发和化学材料科学方面,量子计算机能够模拟复杂的化学反应和材料特性,这对于发现新药物、新材料以及优化化学反应过程具有重要意义。

根据ICV预测,全球量子计算下游应用占比中,2035年金融领域的市场份额最高,将达到51.9%,较2030年的15.8%实现显著提升。其次为医药和化工领域,分别为20.5%、14.2%。

中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、清华大学量子信息中心等众多高校和科研机构推动了我国量子科技的快速发展,在商业应用层面,我国也涌现了一批像本源量子、量旋科技、图灵量子、启科量子等优秀的初创企业,通过与不同行业头部企业合作,探索量子计算技术在各行各业的创新应用落地。

(本文来自第一财经)

Tue, 11 Jun 2024 19:32:30 GMT 原文链接🔗: