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量子計算產業透視#

2021 年，是量子計算界備受矚目的一年。量子比特數量實現較大規模增長的同時，各量子計算硬體技術均有所發展；越來越多的機構開始研發上層軟體和演算法，並有越來越多的演算法在小規模實際問題上得到實驗。
量子計算機能夠解決問題的規模在很大程度上取決於量子比特的數量。2021 年以來，主要研究團隊都實現了突破，中性原子公司 ColdQuanta 和 AtomComputing 推出了 100 + 量子比特量子計算機，哈佛 - MIT 開發了 256 量子比特基於中性原子的量子模擬器。
超導方面，中國科大的 66 量子比特 “祖沖之號” 實現量子計算優越性，計算複雜度比谷歌 “懸鈴木” 提高了 6 個數量級；Rigetti 則提出了模組化的量子處理器架構，預計在幾個月內推出 80 量子比特處理器；IBM 推出了 127 個量子比特的處理器 Eagle。
離子阱方面，IonQ 提出可重構多核量子架構，已擴展到 64 量子比特。光量子方面，傳統上光量子計算的缺點是難以編程，但是越來越多的研究表明，光量子計算同樣可以編程，例如 Xanadu 公司和國防科技大學都展示了可編程光量子計算芯片，此外，研究人員透露，“九章” 未來也將可編程。

一、量子計算發展概述
從主流量子計算公司的技術路線圖來看，2021-2022 年左右將突破 100 量子比特，3 年內突破 1000 量子比特，到這個十年結束（2030 年）實現 100 萬量子比特。
表 1 主流量子計算公司路線圖

量子計算機是否有用的另一個維度是量子比特的質量，主要指標包括：相干時間（決定量子態可以保持多久）、量子比特之間的連接程度、門保真度等。
在相干時間方面：2021 年中國清華大學金奇奐研究組在離子阱系統上刷新了單量子比特相干時間記錄（5500 秒）。
在量子比特之間的連接程度方面：離子阱系統可以實現全連接，但量子比特數量較少，超導量子計算機，例如祖沖之號和懸鈴木，單個量子比特只與周圍 4 個量子比特相連，如果能夠提高連接性，那麼可解決問題的規模將呈指數級增長，日本 RIKEN 則首次實現了三個半導體（矽自旋）量子比特的糾纏。
在門保真度方面：目前最先進的量子計算系統的 2 量子比特門（糾纏門）保真度都在 99% 以上，目前最高記錄是澳大利亞矽量子計算公司通過半導體技術實現的 99.99%，但他們僅僅開發了 2 個量子比特。
當前任何一種技術路線都無法同時在所有指標上領先，不同技術路線都各有優缺點。目前還不斷有研究團隊在製造新的量子比特。在測量和控制方面：2021 年也取得了突破。2021 年以蘇黎世儀器為代表的一些廠商發布了可以測控 100 + 量子比特的測控系統。最大的突破則是澳大利亞新南威爾士大學提出了可以控制數百萬個矽自旋量子比特的技術，為未來百萬量子比特處理器的出現打下了堅實基礎。量子計算快速發展的同時，也不能忽視經典計算的進步。2019 年 Google 宣稱超級計算機需要 1 萬年才能完成的計算，最近的研究表明，經典模擬已經達到了與 Google 量子計算機不相上下的速度。
2021 年該領域的主題可以定為經典模擬與量子計算之爭，而且這場競爭將一直持續下去，經典計算的巨大進步迫使量子計算也加快了發展腳步。

二、量子計算產業鏈

量子計算行業目前處於早期探索階段，核心參與者不多，產業鏈上下游較為清晰，目前國外科技巨頭如 IBM、谷歌、亞馬遜、微軟、英特爾、霍尼韋爾等處於行業領先地位，IonQ、Rigetti、PsiQuantum 等量子計算新貴已獲得數億美元的風險投資，實力同樣雄厚；國內科技巨頭阿里巴巴、百度、騰訊、華為等也在跟進，但國內領先的量子計算公司主要是以本源量子、國盾量子等為代表的依托高校的公司。總體上，國內外量子計算產業鏈已經初具雛形。

產業鏈來看，量子計算設備供應商主要以國際公司為主，特別是稀釋制冷機和低溫同軸線纜。但在其他領域，中國企業已經佔有一席之地，特別是測控系統，中微達信、國盾量子和本源量子與國外廠商並沒有差距，甚至可以達到更高水平。
另外，衰減器、濾波器等低溫組件，本源量子也取得了一定突破。

芯片製造方面，目前量子芯片的製造過程主要是在實驗室完成的，但有一些領先的量子計算團隊已經在工廠製造量子芯片，例如，谷歌 “懸鈴木” 量子芯片，就是在加州大學聖芭芭拉分校（UCSB）的一家工廠製造的。

2022 年 1 月，本源量子自主建設的兩大實驗室 —— 量子芯片製造封裝實驗室和量子計算組裝測試實驗室正式啟用，這也是繼 2021 年本源 - 晶合量子芯片聯合實驗室後建成的國內第二個工程化量子芯片實驗室。

產業鏈中的量子計算公司主要集中於硬體和軟體研發，目前領先的硬體團隊主要是科技巨頭和有實力的研究機構（如中科大），但中國的科技巨頭佈局量子計算較晚，初創公司如本源量子、國盾量子、啟科量子、圖靈量子是行業的中堅力量。軟體方面，國際上已經有 100 多家量子軟體公司，但中國的量子軟體公司較少。

三、量子計算應用場景#

量子計算機過大的體積、極其嚴苛的運行環境和數千萬美元的價格，使得當前量子計算的應用主要通過雲平台範圍量子硬體，量子計算與經典計算也不是取代和被取代的關係，而是在對算力要求極高的特定場景中發揮其高速並行計算的獨特優勢。
對於量子計算機將能夠解決的所有問題，目前還沒有達成共識，但研究主要集中在以下類型的計算問題上：

• 模擬：模擬自然界中發生的過程，很難或不可能用當今的經典計算機來描述和理解。這在藥物發現、電池設計、流體動力學以及衍生品和期權定價方面具有巨大潛力。

• 優化：使用量子演算法來確定一組可行選項中的最優解。可能適用於幹線物流和投資組合風險管理。

• 機器學習：識別數據中的模式以訓練機器學習演算法。這可以加速人工智慧的發展（例如用於自動駕駛汽車）以及防止欺詐和洗錢。

• 密碼：打破傳統加密和支持更強的加密標準。

從行業上來說，量子計算的潛在應用主要包括供應鏈、金融、交通、物流、製藥、化工、汽車、航空、能源、氣象等領域。
製藥、化工、新材料：量子計算可模擬分子特性，有望通過計算機數字形式直接幫助研究人員獲得大型分子性狀，縮短理論驗證時間，極大地推動製藥行業藥品研發和開發新型材料。

金融：量子計算非常適合複雜的金融建模，在投資組合定價、衍生品定價等方面具有潛在優勢。據不完全統計，全球已有超過 25 家國際大型銀行及金融機構與量子計算企業展開合作研究。交通、物流、供應鏈：這三個領域均涉及量子計算優化，利用量子計算優化供應鏈、交通（包括飛機、火車、汽車等）路線和物流，從而降低成本。

航空：量子計算有助於解決航空行業面臨的一些最嚴峻的挑戰，從基礎材料科學研究、機器學習優化到複雜的系統優化，而且有可能改變飛機的製造和飛行方式。
能源：量子計算有可能應用於模擬碳氫化合物井中各種類型黏土的化學成分和累積 —— 這是高效碳氫化合物生產的關鍵因素；分析和管理風電場的流體動力學；優化自主機器人設施檢查；並幫助創造前所未有的機會，提供世界想要和需要的清潔能源。

2021 年 2 月，英國 BP 公司與 IBM Quantum 展開合作，探索提高能源利用效率和減少碳排放。

• 汽車：近年來各大汽車廠商加快推進電動化戰略。推進電動化戰略過程中，量子計算將發揮其在化學模擬的優勢，多家汽車廠商正致力於利用量子計算技術來研發性能更好的電池。

• 氣象：量子計算可以有效和快速處理包含多個變量的大量數據，而且，並行計算和不斷優化的演算法，可促進對氣象條件的跟蹤和預測，有助於提高天氣預報的準確性。此外，量子計算機還可通過機器學習來識別和理解不同的天氣模式。

量子計算機 —— 齊頭並進現量子計算的物理平台需要有編碼量子比特的物理載體，使不同量子比特之間可以可控的耦合，並對噪聲環境影響有一定的抵抗力。

2021 年，超導體系發展迅速，量子比特的規模不斷刷新，而離子阱、光量子、矽自旋、中性原子等技術路線同樣發展強勁，其他技術路線如金剛石 NV 色心也取得了一定的進展。

• 拓撲方案雖然因為 “發現馬約拉納粒子”（拓撲量子計算實現的基石）的文章被撤回而遭遇重挫，但研究人員仍然堅信這種不需要糾錯的方案可以實現。總之，量子計算物理實現方案的發展遠遠沒有收斂。除了基於門的量子計算機，近年來出現的相干伊辛機（CIM）方案也表現不俗，2021 年，日本 NTT 通過 CIM 方案實現了 10 萬量子比特，雖然無法與基於門的量子計算機直接比較，但這也是一個不小的里程碑。值得一提的是，2021 年量子退火先驅 D-Wave 宣佈將開發基於門的量子計算機，從某種程度上表明量子退火機的前景可能有限。

注：評分採用 5 分制，1 為最差，5 為最優，○代表 1 分，●代表 5 分。
綠色箭頭表示商業化發展情況較其他路線較好，黃色和紅色依次次之。

一、超導 —— 最受關注#

• 超導量子計算是目前國際上發展相對迅速的一種固態量子計算的實現方法。

• 超導效應作為一種宏觀量子效應，為量子態相干操控提供了無損耗環境。超導量子電路的能級可以通過外加電磁場進行干預，電路更容易實現定制化開發。

• 由於集成電路工藝已經比較成熟，超導量子電路的可擴展性優勢將會更加明顯。目前，基於超導量子電路的量子計算技術已經在退相干時間、量子態操控和讀取、量子比特間可控耦合、中大規模擴展等關鍵技術上取得大量突破，成為構建通用量子計算機和量子模擬機最有前途的候選技術路線之一。

• 2021 年，中國在超導量子研究中取得重要進展。

• 2021 年 1 月，南方科技大學在基於超導量子線路系統中，利用可調耦合器實現高保真度、高擴展性的兩比特量子門方案。在實驗中實現了快速（30ns）高保真度（0.995）的兩比特量子門操作。相比於之前的兩比特量子門，該方案魯棒性更高、需要的控制線更少、串擾影響更小、系統校準流程更簡化。2 月，本源量子上線國產工程化超導量子計算機本源悟源 2 號。

• 5 月，中國科大中科院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊，成功研製了 62 比特可編程超導量子計算原型機 “祖沖之號”，並在此基礎上實現了可編程的二維量子行走；

• 6 月，潘建偉團隊再次將可編程超導量子計算原型機 “祖沖之號” 升級，構建了 66 比特可編程超導量子計算原型機 “祖沖之二號”，實現對 56 量子比特 20 層循環 “量子隨機電路採樣” 任務的快速求解。在計算複雜度上，比谷歌的 “懸鈴木” 量子計算機高出 3 個數量級。

• 9 月，中國科大郭光灿院士團隊郭國平教授研究組與本源量子合作，在本源 “夸父” 6 比特超導量子芯片上研究了串擾對量子比特狀態讀取的影響，並創新性地提出使用淺層神經網絡來識別和讀取量子比特的狀態信息，從而幅度抑制了串擾的影響，進一步提高了多比特讀取保真度。

• 8 月，清華大學交叉信息研究院段路明研究組利用可調耦合的多量子比特系統首次實驗研究了環境比特對於交叉共振邏輯門（Cross-resonance, CR）的影響並提出了在大規模超導量子體系中，環境比特存在和不存在兩種情況下有效提高雙量子比特門操作保真度的解決方案。

• 10 月，潘建偉團隊又實現了 60 量子比特 24 層循環量子隨機電路採樣，計算複雜度比 “懸鈴木” 高出 6 個數量級。

• 10 月，潘建偉團隊使用變分量子本徵求解器（VQE）模擬約瑟夫森結陣列量子電路，從而發現了一種新型高性能量子比特 plasonium。

• 10 月，騰訊量子實驗室實現一種快速、高保真、易擴展的超導量子比特初始化方案，與業內已有工作相比，該初始化方法具有速度快、保真度高、對周圍比特影響小、擴展性強的優勢。

• 9 月 12 號，浙江大學發布了兩款超導量子芯片。“莫干 1 號” 是一款專用量子芯片，採用全連通架構，適用於實現針對特定問題的量子模擬和量子態的精確調控。另一款芯片 “天目 1 號” 面向通用量子計算，採用較易擴展的近鄰連通架構，芯片集成 36 個具備更長比特壽命的超導量子比特（退相干時間約 50 微秒），實現高保真度的通用量子門（受控相位門，精度優於 98%）。

• 國際方面，2021 年 4 月，美國國家標準與技術研究院（NIST）的物理學家使用光纖代替金屬電線來測量和控制了超導量子比特，有利於實現量子計算機的可擴展性。112021 年 9 月，日本情報通信研究機構（NICT）開發出了一種全氮化物超導量子比特，它的超導轉變溫度為 16K（-257℃），比其他超導量子比特結構所需的溫度高 15 度。

• 12，2021 年 11 月，哥倫比亞大學工程學院 James Hone 教授的實驗室展示了一種由 2D 材料製成的超導量子比特電容器，其尺寸比傳統法生產的芯片小 1000 倍。

• 13 年 11 月，IBM 發布目前最高量子比特數的超導量子計算芯片 ——127 量子比特處理器 Eagle。

• 142021 年 12 月，Rigetti Computing 推出其下一代 80 量子比特 Aspen-M 量子處理器，利用其多芯片專利技術，由兩個 40 量子比特芯片組裝而成。基於單芯片 40 量子比特處理器的新 Aspen 系統也同時發布。

• 15 年 12 月，芬蘭國家技術研究中心（VTT）和 IQM 公司推出該國首台 5 比特超導量子計算機 Micronova。16 年取得進展的同時，2021 年的幾項研究表明，超導量子計算機存在一些我們之前沒有發現的障礙。

• 2021 年 6 月，威斯康星大學麥迪遜分校提出，宇宙射線可能是導致超導量子比特出錯的原因之一。

• 2021 年 12 月，谷歌在其量子處理器上證明了宇宙射線確實會導致超導量子比特出錯。182021 年 8 月，費米國家加速器實驗室發現了納米氫化物會導致超導量子比特的相干時間縮短。19 年研究人員表示他們正在努力克服這些障礙。