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重磅!賽迪發布《2021量子計算技術創新與趨勢展望》


中國電子報中國電子報前言量子計算是利用諸如疊加和糾纏等量子現象進行計算的一種革命性計算技術,能夠實現經典計算技術無法比擬的巨大信息攜帶量和超...

- 2021年6月20日21時55分
- 科學文摘 / 中國電子報

中國電子報

前言

量子計算是利用諸如疊加和糾纏等量子現象進行計算的一種革命性計算技術,能夠實現經典計算技術無法比擬的巨大信息攜帶量和超強並行計算處理能力。隨著量子比特位數的增加,其存儲能力與計算能力還將呈指數級規模拓展。量子計算的優越性為解決大量新的議題和項目對計算能力更加強大的計算機設備的需求提供了革命性的解決路徑,受到世界主要國家和科技企業廣泛的關注。盡管在短期內,量子計算將作為一項基礎研究,尚未能呈現切實的落地應用,但其正在不斷向人工智能、生物醫藥、金融安全、交通運輸等領域滲透。更重要的是,量子計算作為一種前所未有的計算微觀世界的強大工具,將給現有的計算理論帶來深刻變革,極大加深人類對物質與信息的理解。量子計算試圖在量子水平上構造、控制物質系統,其研究過程是人類物質科學質的進步。作為當前最重要的科技領域之一,量子計算承載著人類對科技的想象和探索的勇氣,我們應當對量子計算報以熱忱。量子計算所能帶來的改變和應用的領域還有待持續地發掘,站在拓展人類物質科學實踐的風口上,量子計算將不再是科學家的遙遠夢想,人類在量子計算領域的不懈探索使其未來不再遙不可及。

目 錄

1概念界定及發展演進

量子計算為提升算力和降低能耗提供了顛覆性的處理思路,對量子計算的研究是突破經典計算算力極限的革命性科學嘗試。從概念構想到實驗室成果再到商業價值初探,探索物理實現粒子和提高量子比特位數是全球研究機構及科技企業追逐的關鍵。”

01概念定義

量子計算概念:量子計算是利用諸如疊加和糾纏等量子現象進行計算的一種革命性計算技術。這些量子現象遵循量子力學規律通過調控量子信息單元實現。

量子計算機與經典計算機的區別:量子計算機基於量子力學原理構建,用於處理和計算量子信息,運行量子算法。量子計算機與經典計算機在基本單位、運算模式和計算能力上存在明顯區別。

經典計算機與量子計算機運算能力影響因素 資料來源:賽迪顧問,2021,05

02發展曆程

從20世紀80年代量子計算概念的最初構想到20世紀90年代劃時代的量子算法編制,再到21世紀以來商用量子計算機實現路徑的孵化成型,經曆了近半個世紀的積澱與培育,提高量子比特數和探索物理實現粒子是科學界與企業界追逐的關鍵。未來,向實驗室外拓展量子計算,實現通用量子計算機,面向廣泛商業化應用場景是科技浪潮即將奔赴的海岸。

11982-1993理論概念構想期1982年,Richard Feynman提出利用量子體系實現通用計算的想法,即量子計算的早期概念構想。1985年,David Deutsch提出了量子圖靈機模型,使得通用量子計算機的構建更加清晰。1992年,Deutsch Jozsa提出了D-J量子算法,這是量子並行計算理論的基石。

21994-2006實踐成果初探期1994年,Peter Shor提出Shor算法, 對RSA等在內的加密算法和系統造成了威脅,成為量子計算的核心突破。1995年,Benjamin Schumacher第一次提出了量子比特信息學上的概念,並創造了“量子比特”(qubit)的說法。1996年,Lov Grover提出了Grove量子搜索算法,該算法被公認為繼shor算法後的第二大算法。1998年,Bernhard Omer提出量子計算編程語言,拉開了量子計算機可編程的序章。

32007-2013研究開發活躍期2007年,D-wave Systems實現了曆史上第一台商用量子計算機。宣布研制成功 16 量子比特的量子計算機——“獵戶座”(Orion)。2009年,Harrow、Hassidim、Lloyd提出HHL量子算法。該算法在特定條件下實現了相較於經典算法的指數加速效果,將在機器學習、數值計算等場景有優勢體現。

42014-2019商業價值孵化期2014年,Google建設“Google量子人工智能實驗室”,自此專營量子計算的創業公司開始出現。2016年8月16號,墨子號量子科學實驗衛星成功發射升空。2019年1月,IBM公司發布世界上首個商用集成量子計算系統:IBM Q System One,這一新系統對於在實驗室外擴展量子計算至關重要。2019年,穀歌發布論文稱已經利用一台53量子比特的量子計算機,證實了量子計算機性能超越經典計算機,成為量子計算領域發展的標志性事件,刺激了全球科技巨頭和初創企業的進一步投入與競爭。

52020-以後技術應用躍升期未來,隨著量子物理比特數量和質量的提升,預計到2030年,基於百位量級量子物理比特,在含有噪聲,即未實現量子糾錯的條件下,探索開發相關應用和解決特定計算困難問題。到2050年,有望實現通用量子計算機,提高量子比特的操縱精度使之達到能超越量子計算苛刻的容錯閾值(>99.999%),並進一步面向更廣泛的應用場景。

2政策資源分布

全球主要國家高度重視量子科技發展,我國充分認識推動以量子計算為代表之一的量子科技發展的重要性和緊迫性。在各國頂層政策催化下,量子計算在前沿科技領域受到廣泛關注,科研探索和技術創新保持活躍,發展態勢良好。”

01全球政策

量子科技是新一輪科技革命和產業變革的必爭領域之一。近年來,美國、歐盟、英國、日本等主要國家和地區高度重視量子科技發展,通過出台政策文件、成立研究機構、支持量子科技研究等方式加大對量子科技的規劃布局和支持力度。

全球量子科技相關政策梳理 資料來源:賽迪顧問整理,2021,05

02中國政策

在我國,量子科技產業獲政策持續支持,已上升為國家戰略。早在2006年發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》中,就已經提出“重點研究量子通信的載體和調控原理及方法,量子計算,電荷-自旋-相位-軌道等關聯規律以及新的量子調控方法”。2016年,在國務院《國家創新驅動發展戰略綱要》中提出了促進“量子信息技術”發展的戰略規劃。2020年,中共中央政治局就量子科技研究和應用前景進行第二十四次集體學習,習近平總書記提出“要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性,加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局,把握大趨勢,下好先手棋”。

3技術發展情況

量子計算存在多種技術路線以制作出糾纏態的最基本物理實現粒子,但尚無任何一種路線能夠完全滿足實用化條件要求從而推動技術方案的融合收斂。量子計算目前還處於原型機研發階段,對粒子狀態的控制是亟需突破的難點。距離實現對規模化多體量子體系的精確制備、操控與探測還需至少十年的探索周期。”

01技術成果

量子計算存在多種技術路線以制作出最基本的物理實現粒子。主流技術路徑包括超導、離子阱、半導體量子點、量子光學以及拓撲量子等。技術路徑的研發目的都是為了制作出糾纏態的最基本粒子。超導和離子阱技術路線當前處於領先地位,受到關注程度最高,半導體量子點和光量子路線發展提速,上述四種路徑均已制作出物理原型機,但拓撲量子尚無物理層面的實現。目前,仍無任何一種路線能夠完全滿足實用化條件要求從而推動技術方案等融合收斂。

02技術瓶頸

量子計算目前還處於原型機研發階段,在技術上仍面臨多項挑戰,主要包括以下五方面的困難。對粒子狀態的控制是亟需突破的難點,距離達到超越量子計算苛刻的容錯閾值(>99.999%),實現對規模化多體量子體系的精確制備、操控與探測還有至少十年的探索周期。

4賽迪預判

若實現量子糾錯機制的應用,量子計算有望在10-15年內實現商用,市場規模將實現爆發性增長,預計量子計算的商用元年在2030年左右,量子計算商用元年的市場規模將達到140.1億美元。”

01商業前景

當前,量子計算市場主要集中於研發環節。若實現量子比特質量、量子糾錯算法、量子比特控制等核心挑戰的突破,未來市場規模將實現爆發性增長。量子比特位數、量子體積、量子相幹時間等參數對於預測量子計算商業化元年具有較高的參考價值。

綜上,並結合量子計算所需的物理學基礎與算法基礎,量子計算有望在10-15年內實現商用,預計量子計算的商用元年在2030年左右。以2030年為量子計算商用元年,預計2030年全球量子計算市場規模將達到140.1億美元,並以30%左右的增速平緩上漲,至2035年預計會達到489.7億美元的量子計算市場規模。

全球量子計算商用市場規模預測 數據來源:賽迪顧問,2021,05

02發展趨勢

① 量子計算作為量子科技的重要應用之一,在面向“十四五”乃至更長遠的未來,有望成為中國在全球科技產業中“換道超車”、掌握尖端技術話語權的重要核心技術。

② 量子計算尚無專利壁壘,當前搶占技術入口將獲得至關重要的議價權。在經典計算機體系內,計算芯片設計與制造的核心技術掌握在科技巨頭公司手中,並處於壟斷地位;而在量子計算領域尚未形成壟斷性巨頭公司或者較高的技術專利壁壘。

③ 相較於量子通信,量子計算的技術突破難度較高,由於量子計算極易被環境熱量或波動幹擾致使計算結果出錯,因此量子糾錯算法對結果的准確性極其重要,而提升量子比特的測控精度是量子計算機實用化的關鍵問題。

④ 量子計算當前還處於原型機研發階段,商業化前景仍然存在不確定性,但氣象、金融、石油化工、材料、生物醫藥、汽車交通等眾多行業已開始關注和重視到“量子計算”的巨大發展潛力,並開始與量子計算科技企業和初創企業進行合作探索。量子計算企業在量子計算技術的研究及落地應用中的地位不可或缺,應當進一步與科研院所合作交流,破除技術交流壁壘。

⑤ 量子計算與經典計算並非競爭關系,量子領域的發展應加深和傳統技術領域的合作,利用現有技術成果加速自身發展。未來,量子計算機和經典計算機將相輔相成、並行存在,分別面對不同的市場需求,從中找到適合的商業模式和應用模式,占據相應市場份額。


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