一文带你了解量子计算 产业化商业化仍是长路漫漫

2019年实现“量子霸权”?

9月20日，谷歌发布论文称已经利用一台53量子比特的量子计算机实现了传统架构计算机无法完成的任务，即全球最强大的超算Summit要花1万年的计算实验中，谷歌的量子计算机只用了3分20秒。此举证实了量子计算机性能超越经典计算机，而谷歌研究人员宣布，谷歌已经实现“量子霸权”。

此处并非传统意义上的霸权，而是指量子计算机能够被证实拥有超越传统计算机性能的绝对优势，则实现了“量子霸权”。谁先宣布了实现量子霸权，谁将会在量子计算长跑中占领先机。尽管相关论文在美国国家航空航天局(NASA)网站上不久后被删除送与评审，但是关于量子计算的讨论又开始被推上热门话题。

对于众多外行来说，量子计算仍是个遥远的新概念。实际上，早在1981年量子计算机的概念就被提出，衍生于量子通信。量子计算是物理学与信息科学的交叉学科，被称作是经典物理学天空的“乌云”。经过多年发展，量子计算已经不再只停留在理论研究阶段，2007年加拿大D-Wave公司实现历史上第一台商用量子计算机，率先推动量子计算机商业化，随后谷歌、IBM、微软等科技巨头也开始布局。

全球著名咨询公司波士顿集团(BCG)曾发布一份报告称，量子计算机将可能改变密码学和化学(以及材料科学、农业和制药)等领域的游戏规则，更不用说人工智能和机器学习，此外物流、制造业、金融和能源，都将因此而改变。尽管谷歌已经证实量子计算机可以解决经典计算机无法解决的问题，但是谷歌的系统只能进行一次单一的、技术性很强的计算，真正使用量子计算机解决实际问题还需要数年时间。

经典计算机依赖二进制，信息量的基本度量单位是比特，每一位可以表示为0或1。而量子计算机使用的是量子比特，一个量子比特不仅可以表示为0或1，还能表示0与1的叠加态(量子叠加)，也就是说，n个“比特”只能表示2n个状态中的一个，n个“量子比特”却能同时表示2n个状态。理想状态下，50个量子比特一次可以进行2的50次方次运算。因此，量子系统具有比二进制系统更快更高效的潜力，这种特性让量子计算的工作速度呈双指数倍增长，算力优势达到恐怖级别，将实现对传统计算机的碾压式跨越。

从上个世纪80年代开始，一场关于建造功能最强大、量子比特最多的量子计算机研发竞赛就已经拉开序幕。1988年IBM、牛津、伯克利、斯坦福和麻省理工学院的研究人员制作了一个2比特的计算系统;2017年美国IBM宣布成功研制一款50量子位处理器原型，业内专家称“量子霸权”进入争夺关键期;2018年初英特尔推出了49量子比特超导量子测试芯片，名为“Tangle Lake”，过后两个月不到，谷歌公司发布72量子比特计算系统“Bristlecone”，同年8月，从事量子计算研究的新兴公司Rigetti预计2019年将会发布一个容量为128比特的计算系统，这一实现将是量子领域的重大突破，标志着距离实现量子优势(Quantum Advantage )和量子霸权(Quantum Supremacy)这两个目标更近一步。

摩尔定律濒临上限量子计算成为重要突破点

传统计算机遵循摩尔定律，即每隔18个月，集成电路上可容纳的元器件数目约增加一倍，计算机的计算性能也增加一倍。当前集成电路在材料和制程工艺方面已经逼近瓶颈，2018年台积电公司推出的7纳米硅基芯片制程理论上已达到物理极限，要想继续突破除了改用碳元素制作芯片，量子计算则是另外一种重要的选择方式。

欧美日韩积极布局

当前，量子力学已经成为世界的科技研究一大热点。全球主要国家高度关注量子信息技术发展，纷纷加大政策和资金支持，力争抢占新兴信息技术制高点。

美国是量子计算布局里最早也最积极的玩家之一，2018年美国通过《国家量子倡议法案》，在此之前，美国商务部的国家标准与技术研究院(NIST)，以及非营利组织SRI International签署了合作研发协议。通过财团的力量，帮助美国推动量子计算行业的发展。2019年，美国政府发布未来工业发展计划，将量子信息技术等四大关键技术视为未来科技和产业发展的“基础设施”，认为发展量子信息科学能够保持美国在全球产业变革中的主导地位。政策上的持续加码，让美国在全球量子计算研发上占据主导地位。

此外，英国、德国、荷兰等国也相继出台了针对量子计算、量子通信等量子领域的发展规划;日本、韩国起步较晚，但是凭借着本身的技术积累，在量子计算领域的发展也来势汹汹。

我国在推动量子技术方面也不甘落后，先后启动“自然科学基金”、“863”计划和重大专项，2016年多个“十三五”规划文件中提及量子计算的战略地位，支持量子计算的技术研发和产业化落地。2019年9月，济南市政府正式批复了《济南市人民政府关于加快建设量子信息大科学中心的若干政策措施》，这是我国城市出台的首个量子信息产业专项政策。文件提出2019-2021年，每年安排经费600万元，重点支持量子信息青年科研人员，强化量子科技与人才储备;在建设高水平量子研发机构方面，济南市政府最高支持1亿元。

随着量子计算技术不断发展，一个由硬件和软件架构师及开发人员、贡献者、投资者、潜在用户和附属参与者组成的量子计算生态系统雏形显现。总的来说，目前量子信息产业的主要参与者有五大类：端对端提供商、硬件和系统参与者、软件和服务参与者、专家级参与者。

其中，端对端集成公司仍然是技术生态系统的中心。它们往往是大型科技公司和资金充足的初创公司，前者中如IBM一直是量子计算的先驱，并一直走在产业发展最前沿;后者如Rigetti是初创公司中领头羊。

基础研究方面，谷歌、IBM、英特尔等科技巨头积极展开全球合作，与耶鲁大学、麻省理工学院、加州大学等科研机构联合攻关共性技术，主要集中在超导量子计算领域，并且这些企业已经在超导量子计算取得了一定的成果。

超导量子计算是目前进展最好最快的一种固体量子计算实现方法。超导阵营的所有主要参与者都已让软件和服务公司以及首选合作伙伴能够从外部访问他们的小型芯片，有的已经向整个社区开放了性能较差的版本和模拟器。未来三到四年内超导量子元位可能领先于其他技术。

具体落地应用依旧长路漫漫

量子计算的出现，为经典计算机算力的跃迁带来可能，但是目前量子计算技术仍处于初级阶段，距离解决工程规模的问题可能还需5-7年。据IDC预计，2027年，全球量子计算市场规模将达到107亿美元，较2017年相比，10年内增长超过40倍;波士顿咨询发布的报告预测，在不考虑量子纠错算法的进展情况下，保守估计到2035年全球量子计算应用市场规模将达到近20亿美元，随后暴涨到2050年的2600多亿美元;若量子计算技术迭代速度超出预期，乐观估计2035年市场规模可突破600亿美元，2050年则有望飙升至2950亿美元。

在一些传统行业，以现有人类科技的计算能力，所消耗的时间和成本巨大，如生物制药、化工、能源等;还有另一些本身对计算能力要求较高达到科技行业，也将会是量子计算实现商用的领域。例如：搜索、数字安全。人工智能、机器学习等等。

当前量子计算元年无法预测，但是可以预见的是，在所有商业应用领域不存在偶然爆发的情况下，前5年的发展将非常平稳。生物医药和化工行业作为庞大的行业，在量子元年应用市场规模将占据大部分份额，随着时间推移，搜索、机器学习和数字安全三个行业凭借本身对计算的直接需求，将以量子计算作为时代跳板，市场规模占比逐渐扩大，成为量子计算应用领域的主流。

近几年全球范围内在量子计算物理验证取得的进展是有目共睹的，并且也导致了越来越高的市场兴趣和投资活动，但是在实际解决问题方面，国际公认短期内无法实现通用量子计算机。根据赛迪智库电子信息研究所9月发布的《量子计算发展白皮书(2019年)》，量子计算发展预计分为近期、中期与远期三个阶段。

近期的量子霸权仅为技术研发初期的一种特有概念形式，距离真正的量子计算机仍有很大距离;中期将利用可控的人造量子系统实现对复杂物理过程的高效量子模拟;后期通用量子计算机将对大数据。人工智能。密码破译等领域产生颠覆性影响，并且量子计算机与经典计算机将实现功能互补。

BCG预测量子计算在25年内将经历三个发展阶段，最终走向成熟，该预测比前文所述的原计划要晚十年。其中，第一个阶段是2018到2028年，工程师们将研发出可用于低复杂程度的量子模拟问题的非通用量子计算机;

第二个阶段是2028到2039年，逻辑量子比特数量将扩展到50多个，并实现所谓的“量子霸权”，更快速地执行特定算法的应用程序，主要包括分子模拟、研发和软件开发等，创造巨大的市场潜力;

第三阶段为2031年至2042年，量子计算机将在高级模拟、搜索和优化的商业应用取得比经典方法更有显著优势的规模。由于摩尔定律的扩展，以及量子计算在某些应用中超过二进制计算的阈值，第二阶段和第三阶段量子计算机之间有相当大的重叠。作为一个总体轨迹，BGC预测2030年左右将出现快速增长。

更多数据参考前瞻产业研究院发布的《中国计算机网络设备制造行业产销需求与投资预测分析报告》

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