量子芯片技术重大突破 光量子路线中国有望超车

　　近日，谷歌发布新一代量子计算芯片“Willow”，其在纠错能力和性能表现上实现了量子计算领域的重大突破。

　　紧跟其后，由中国科学家研制的105个量子比特的“祖冲之三号”超导量子计算机也在arXiv线上发表，从实验数据来看，“祖冲之三号”内置处理器与Willow性能大致相当。

　　实际上，在量子科技领域，中美同属第一梯队。中国在政策引导、技术研究均走在前列。

　　虽然通用量子计算商业化尚远，但有业内专家对21世纪经济报道记者表示，在特定领域商业场景，可能会在未来5~10年内出现实用化的特定解决方案。

　　特定领域商业化加速

　　众所周知，由于先进制程越来越接近物理极限，摩尔定律明显放缓，除了侧重封装技术的More than Moore路径被产业愈加重视外，量子芯片成为下一代信息处理技术的重要方向。

　　量子芯片的优势，在于能够同时存储和处理多个状态的信息，具有强大的并行计算能力，而且能耗仅为硅基芯片的千分之一甚至更低，在对功耗要求严格的移动设备和物联网设备中应用潜力巨大。不过，量子芯片在技术稳定和通用计算上还面临不少难题。

　　此次谷歌在官方博客中介绍，Willow可以在使用更多量子比特（拥有105个物理量子比特）的情况下，成倍地减少错误，从而破解了近30年来一直在研究的量子纠错挑战。

　　而且，Willow能够在不到5分钟的时间完成一个“标准基准计算”，如果用当今最快的超级计算机，完成这项计算需要“10的25次方”年的时间，比宇宙的年龄还长。

　　什么是量子计算？它本质上是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，可以突破经典算力瓶颈。

　　中国科学院计算技术研究所工程师刘延嘉在媒体发文认为，“从信息存储角度看，经典计算基于经典物理学，信息以二进制的比特存储，每个比特就像一个普通的开关，非‘0’即‘1’。而量子计算中的量子比特处于叠加态，两个量子比特可同时代表4种状态，随着量子比特数量增多，它表示的状态数量呈指数级增长，为处理海量信息提供了可能。”

　　刘延嘉用“走迷宫”来通俗解释这种量子计算的强大能力，他表示，想要在一个大迷宫中找到出口，如果借助经典计算机，它会逐个尝试不同的路径，直到找到出口。而量子计算机可同时走遍迷宫的所有路径，更快速找到出口，这种能力全面碾压经典计算机。

　　以往量子计算的基础计算单元是量子比特，利用叠加态来进行计算，对环境扰动极其敏感。通常量子比特越多，发生的错误就越多。而谷歌的Willow正是在这一问题上取得了重大进展，基于可扩展的方形网格，逻辑量子比特数量越多，错误率下降越快。

　　不过，尽管谷歌的“Willow”取得了重要突破，但距离量子计算机的大规模商业化仍有一段距离。

　　上海交通大学无锡光子芯片研究院相关专家对记者表示，“首先是硬件规模化与稳定性，当前的量子芯片仍局限于数百个量子比特，而解决复杂实际问题可能需要上百万的纠错量子比特；其次，有运行环境的限制，谷歌的”Willow“是超导量子芯片，需要在毫开尔文的低温环境下运行，设备体积庞大且成本高昂，限制了其在日常场景中的部署；最后，软件生态与应用开发商业化需要与具体应用场景的结合，而目前的量子算法尚未完全适配实际需求。”

　　上述专家判断，量子计算的大规模商业化可能还需要10-20年时间。但在特定领域（如量子化学模拟、加密破解），可能会在未来5-10年内出现实用化的特定解决方案。

　　光量子路线中国超车

　　量子科技凭借强大的计算与商用潜力，市场发展前景乐观。

　　根据ICVTA&K的预测，全球2023年量子产业的总体市场规模或达到72.4亿美元，到2030年，全球量子产业市场规模或可达到2,391亿美元，复合年增长率高达65%。

　　国海证券研报称，量子计算目前主要分为超导、光量子、离子阱、半导体等路线，我国在超导和光量子领域有优势，均已实现量子优越性。其中超导是最为成熟的技术之一，谷歌的Willow便是超导路线的产物。

　　对此，前述无锡光子芯片研究院专家对记者表示，相比离子阱、超导等其他路径，光量子路线是唯一没有明显短板的方向，具备可室温运行、芯片化和兼容人工智能的优势。

　　其使用光子作为量子信息的载体，通过光路设计实现量子计算。同时，光量子芯片的制造可使用成熟的CMOS工艺，无需依赖国外高端光刻机和制程工艺，是实现弯道超车的重要机遇。

　　虽然如此，在大规模应用上，各种路线面临的问题不尽相同，并且都有不小挑战。

　　比如超导量子路线依赖低至毫开尔文的制冷环境，这种极端条件增加了系统成本和工程难度；离子阱则需要高度稳定的激光系统，制造工艺的不成熟导致生产成本高昂且良品率低；光量子路径面临国内中试平台缺位、工艺技术壁垒高、良品率验证低、产能转化不足、国外平台流片周期长等瓶颈。

　　值得一提的是，今年9月，上海交大无锡光子芯片研究院光子芯片中试线建成启用，或将解决上述难题。记者获悉，该中试线总面积3.5万平方米，总投入6.5亿元，具有98台CMOS工艺设备和CIM芯片智能制造系统，设备配套齐全，形成自主可控的工艺闭环。预计2025年第一季度，将发布PDK工艺设计包。

　　从量子计算产业链来看，主要包括上游的环境设备、测控系统、芯片等产品，中游的量子计算机整机、系统软件、应用软件和量子计算云平台，下游的产业应用玩家。A股量子产业相关玩家则集中在量子计算、量子通信和量子加密领域。其中国盾量子、科大国创、科华数据、国芯科技所处位置相对头部。

　　值得注意的是，由于目前产业还处于从前沿研究向应用探索落地突破的关键阶段。以量子科技为主营业务的公司营收表现尚弱。

　　国盾量子管理层在投资者交流中坦言，相较传统行业，量子计算产业上市公司数量和规模都比较少，量子产业处于非常早期阶段，尤其是量子计算，目前整体还处于探索阶段，实现通用量子计算需要较长历程。

　　回到之前的问题，虽然“Willow”和“祖冲之三号”表现卓越，但解决的还是“随机电路采样”这一特定问题，尚无法为现实问题提供真实有用的算力。前述国盾量子相关人士认为，下一步产业重点任务之一就是突破量子纠错技术，以此才能让量子计算走向专用和通用。

　　国盾量子公司高层强调，“我们离实现‘有用’的量子计算更进了一步，但仍需大量投入。 ”

（文章来源：21世纪经济报道）

(原标题：量子芯片技术重大突破，光量子路线中国有望超车)

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