21世紀經濟報道記者鄧浩 上海報道

近日，谷歌(ge)發布新(xin)一代量子計算芯片“Willow”，其在糾錯(cuo)能力和性能表現上實(shi)現了(le)量子計算領域的重(zhong)大突破。

緊(jin)跟其后，由(you)中國科學家研制的105個量子(zi)比特(te)的“祖沖之三(san)號”超(chao)導(dao)量子(zi)計算機也(ye)在arXiv線上發表，從(cong)實驗(yan)數據來看，“祖沖之三(san)號”內置處理器(qi)與Willow性能大致(zhi)相當。

實際上，在量子科技領域，中美同屬第一梯隊。中國在政策引導、技術研究均走在前列。

雖然通用量子計算商業化尚遠，但有業內專家對21世紀經濟報道記者表示，在特定領域商業場景，可能會在未來5~10年內出現實用化的特定解決方案。

特定領域商業化加速

眾所周知(zhi)，由(you)于(yu)先進(jin)制程(cheng)越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)接(jie)近物理(li)極限(xian)，摩爾定律明(ming)顯放(fang)緩(huan)，除了側重(zhong)封裝技術(shu)的More than Moore路(lu)徑被產業愈加重(zhong)視外，量子芯(xin)片成為下一代信息處理(li)技術(shu)的重(zhong)要方向。

量子(zi)芯(xin)片的優勢，在(zai)于能夠同時存儲和處理多個(ge)狀態的信息，具有強(qiang)大的并(bing)行(xing)計算(suan)能力(li)，而且(qie)能耗僅為硅基芯(xin)片的千分之一(yi)甚至更低(di)，在(zai)對功耗要求嚴格的移(yi)動設(she)備和物聯網(wang)設(she)備中(zhong)應用潛(qian)力(li)巨大。不過，量子(zi)芯(xin)片在(zai)技術(shu)穩定和通(tong)用計算(suan)上還面(mian)臨不少難(nan)題。

此次谷(gu)歌(ge)在官(guan)方博客中介紹(shao)，Willow可以在使(shi)用更多量(liang)子比特（擁有105個物(wu)理量(liang)子比特）的情況下，成倍地減少錯(cuo)誤，從而破解了(le)近30年來一直在研究的量(liang)子糾錯(cuo)挑戰。

而且，Willow能夠在不到5分鐘的時(shi)間完成一個“標(biao)準(zhun)基準(zhun)計算(suan)”，如(ru)果用(yong)當今最快的超級計算(suan)機，完成這(zhe)項計算(suan)需要(yao)“10的25次方”年(nian)的時(shi)間，比宇宙的年(nian)齡還長。

什么是(shi)量(liang)子(zi)(zi)計算(suan)？它本質(zhi)上是(shi)一種遵循(xun)量(liang)子(zi)(zi)力學規律調控量(liang)子(zi)(zi)信息單(dan)元進行計算(suan)的新型計算(suan)模式，可以突破經典算(suan)力瓶頸(jing)。

中國科學院計(ji)(ji)(ji)算技(ji)術(shu)研(yan)究所工程師(shi)劉延嘉在(zai)媒體(ti)發文認為，“從信(xin)息(xi)存(cun)儲角(jiao)度看，經(jing)典(dian)計(ji)(ji)(ji)算基(ji)于經(jing)典(dian)物理學，信(xin)息(xi)以二進制(zhi)的(de)比(bi)特存(cun)儲，每個(ge)(ge)比(bi)特就像一個(ge)(ge)普通的(de)開關，非‘0’即‘1’。而量(liang)子計(ji)(ji)(ji)算中的(de)量(liang)子比(bi)特處于疊加態(tai)，兩個(ge)(ge)量(liang)子比(bi)特可(ke)同時代表4種狀態(tai)，隨著量(liang)子比(bi)特數量(liang)增多，它表示的(de)狀態(tai)數量(liang)呈(cheng)指數級增長，為處理海量(liang)信(xin)息(xi)提(ti)供了可(ke)能。”

劉延嘉(jia)用“走(zou)迷宮”來通俗解釋這種量子(zi)計(ji)算(suan)(suan)的強大能(neng)力，他(ta)表示，想(xiang)要在一(yi)個大迷宮中找到出(chu)口，如果借助(zhu)經典計(ji)算(suan)(suan)機，它會逐個嘗試不(bu)同的路徑(jing)，直到找到出(chu)口。而量子(zi)計(ji)算(suan)(suan)機可同時走(zou)遍迷宮的所有路徑(jing)，更快速找到出(chu)口，這種能(neng)力全面碾(nian)壓經典計(ji)算(suan)(suan)機。

以往量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)(suan)的基礎計(ji)算(suan)(suan)單元是量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)特，利用(yong)疊加態來進行計(ji)算(suan)(suan)，對環境(jing)擾(rao)動極(ji)其敏感(gan)。通(tong)常量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)特越(yue)多，發生的錯(cuo)誤就(jiu)越(yue)多。而谷歌(ge)的Willow正(zheng)是在這(zhe)一問題上取得了重大進展，基于可(ke)擴展的方(fang)形網格，邏輯量(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)特數(shu)量(liang)(liang)(liang)(liang)越(yue)多，錯(cuo)誤率下降(jiang)越(yue)快。

不過，盡管谷歌的“Willow”取得了重要突破，但距離量子計算機的大規模商業化仍有一段距離。

上海交通大學無錫光子芯片研究院相關專家對記者表示，“首先是硬件規模化與穩定性，當前的量子芯片仍局限于數百個量子比特，而解決復雜實際問題可能需要上百萬的糾錯量子比特；其次，有運行環境的限制，谷歌的“Willow”是超導量子芯片，需要在毫開爾文的低溫環境下運行，設備體積龐大且成本高昂，限制了其在日常場景中的部署；最后，軟件生態與應用開發商業化需要與具體應用場景的結合，而目前的量子算法尚未完全適配實際需求。”

上述專家判斷，量子計算的大規模商業化可能還需要10-20年時間。但在特定領域（如量子化學模擬、加密破解），可能會在未來5-10年內出現實用化的特定解決方案。

光量子路線中國超車

量子科技憑借強大的計算與商用潛力，市場發展前景樂觀。

根據ICVTA&K的預測，全球2023年(nian)(nian)量(liang)(liang)子(zi)產業(ye)(ye)的總體市場規模(mo)或(huo)達(da)到(dao)72.4億美元，到(dao)2030年(nian)(nian)，全球量(liang)(liang)子(zi)產業(ye)(ye)市場規模(mo)或(huo)可(ke)達(da)到(dao)2,391億美元，復合年(nian)(nian)增長率高(gao)達(da)65%。

國(guo)(guo)海證券研(yan)報稱，量(liang)(liang)子(zi)(zi)計算(suan)目前主要分為(wei)超(chao)(chao)導(dao)、光量(liang)(liang)子(zi)(zi)、離子(zi)(zi)阱、半導(dao)體等(deng)路(lu)線(xian)，我國(guo)(guo)在超(chao)(chao)導(dao)和光量(liang)(liang)子(zi)(zi)領(ling)域有(you)優(you)勢，均已實現量(liang)(liang)子(zi)(zi)優(you)越性。其中超(chao)(chao)導(dao)是(shi)最為(wei)成熟的(de)技(ji)術(shu)之一，谷歌的(de)Willow便是(shi)超(chao)(chao)導(dao)路(lu)線(xian)的(de)產物。

對此，前述無錫光子芯片研究院專家對記者表示，相比離子阱、超導等其他路徑，光量子路線是唯一沒有明顯短板的方向，具備可室溫運行、芯片化和兼容人工智能的優勢。

其使用(yong)光子(zi)(zi)作為量(liang)子(zi)(zi)信息的(de)載體，通過光路(lu)設計實(shi)現量(liang)子(zi)(zi)計算。同時，光量(liang)子(zi)(zi)芯片的(de)制(zhi)造可使用(yong)成熟的(de)CMOS工藝，無需依賴國外高端光刻機和(he)制(zhi)程工藝，是實(shi)現彎道超車的(de)重要機遇。

雖然如此，在大規模應用上，各種路線面臨的問題不盡相同，并且都有不小挑戰。

比如超導量(liang)子路線依賴低至毫開爾文的(de)制冷環境，這種極端條件增(zeng)加了系(xi)統(tong)成本和工程難度；離子阱則需要高度穩定的(de)激光(guang)系(xi)統(tong)，制造工藝的(de)不(bu)成熟導致生產(chan)成本高昂且良(liang)品率低；光(guang)量(liang)子路徑(jing)面(mian)臨國內中試平臺缺位(wei)、工藝技術壁(bi)壘高、良(liang)品率驗證低、產(chan)能(neng)轉化不(bu)足、國外(wai)平臺流(liu)片周期長等(deng)瓶頸。

值(zhi)得一提(ti)的是，今年9月，上海(hai)交大無錫(xi)光子芯(xin)(xin)片研究(jiu)院(yuan)光子芯(xin)(xin)片中試線(xian)建(jian)成啟用(yong)，或將解決上述難題。記者獲悉，該中試線(xian)總(zong)面積3.5萬平(ping)方米，總(zong)投入6.5億元，具有98臺(tai)CMOS工藝(yi)設備和(he)CIM芯(xin)(xin)片智(zhi)能制造(zao)系統，設備配(pei)套齊(qi)全，形成自(zi)主可控的工藝(yi)閉環。預(yu)計2025年第一季度(du)，將發布PDK工藝(yi)設計包。

從量(liang)子(zi)計(ji)算產業鏈來看，主(zhu)要包括(kuo)上(shang)游的環境(jing)設備、測控系統、芯(xin)片(pian)等(deng)產品，中游的量(liang)子(zi)計(ji)算機(ji)整機(ji)、系統軟件、應用軟件和(he)(he)量(liang)子(zi)計(ji)算云平(ping)臺，下游的產業應用玩(wan)家。A股量(liang)子(zi)產業相(xiang)關玩(wan)家則集中在量(liang)子(zi)計(ji)算、量(liang)子(zi)通信和(he)(he)量(liang)子(zi)加密領域。其中國盾量(liang)子(zi)、科(ke)大國創、科(ke)華數據、國芯(xin)科(ke)技所處位置相(xiang)對頭部。

值得注意的是，由于目前產業還處于從前沿研究向應用探索落地突破的關鍵階段。以量子科技為主營業務的公司營收表現尚弱。

國盾量(liang)子管(guan)理層在投資者交流中坦言，相較傳(chuan)統行業，量(liang)子計算(suan)(suan)產(chan)業上市公司數(shu)量(liang)和規(gui)模都比較少(shao)，量(liang)子產(chan)業處于(yu)非常早期階段，尤其是量(liang)子計算(suan)(suan)，目(mu)前(qian)整體還處于(yu)探索階段，實現通用量(liang)子計算(suan)(suan)需要較長歷程。

回到之(zhi)前的(de)問題，雖(sui)然“Willow”和(he)“祖沖(chong)之(zhi)三號”表現卓越，但(dan)解決的(de)還是“隨(sui)機電路采樣”這一特定(ding)問題，尚無法為現實(shi)(shi)問題提供真實(shi)(shi)有用的(de)算力(li)。前述(shu)國盾量(liang)(liang)子(zi)相關人士(shi)認為，下一步產業重(zhong)點任(ren)務之(zhi)一就(jiu)是突破量(liang)(liang)子(zi)糾錯技術，以此才能(neng)讓量(liang)(liang)子(zi)計算走向專用和(he)通用。

國盾量子公司高層強調，“我們離實現‘有用’的量子計算更進了一步，但仍需大量投入。 ”