文/Eric Mounier

量子學(xué)是一個(gè)影響廣泛的戰(zhàn)略技術(shù)領(lǐng)域。量子計(jì)算，突破了傳統(tǒng)計(jì)算的局限性，在醫(yī)療保健、環(huán)境保護(hù)和人工智能（AI）等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。目前，量子和后量子密碼學(xué)發(fā)展相對成熟，有一定的經(jīng)濟(jì)市場和商業(yè)解決方案；但后量子密碼學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)化工作仍未完成，盡管與量子計(jì)算相比，其科學(xué)和工程方面的未知因素更少。

除量子計(jì)算外，量子密碼學(xué)還可能徹底顛覆加密技術(shù)，它將對國家主權(quán)產(chǎn)生重要影響，特別是對敏感通信的保護(hù)。在傳感應(yīng)用方面，量子傳感仍局限于一些小眾應(yīng)用。與量子密碼學(xué)、量子傳感技術(shù)相比，量子計(jì)算的成熟度相對滯后。無論是短期的噪聲中型量子（NISQ）計(jì)算機(jī)、還是長期的容錯(cuò)量子（FTQC）計(jì)算機(jī)，商業(yè)量子計(jì)算機(jī)的可行性仍然充滿不確定性。

量子研發(fā)

量子技術(shù)仍然面臨多種技術(shù)問題亟待研究，如量子比特噪聲、量子糾錯(cuò)、可擴(kuò)展性和量子比特質(zhì)量保持等。這些技術(shù)的不確定性仍然是經(jīng)濟(jì)和市場預(yù)測的難點(diǎn)。因此，如果 NISQ無法展現(xiàn)出切實(shí)的商業(yè)價(jià)值，“量子寒冬”的可能性依然存在。這可能會(huì)減緩整個(gè)量子技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)的投資，影響公共和私人資金的投入。

但市場研究公司 Yole  Group堅(jiān)信，量子技術(shù)和特種計(jì)算將在中長期內(nèi)帶來重要的市場價(jià)值。在《量子技術(shù)2024報(bào)告》中，Yole  Group預(yù)計(jì)到 2029 年量子市場總價(jià)值將達(dá)到 18.32 億美元，其中傳感市場價(jià)值將達(dá)到 6.17 億美元（見圖 1）。[1]

量子計(jì)算

2030年以后，量子計(jì)算預(yù)計(jì)將占主導(dǎo)地位。事實(shí)上，到2035年，量子計(jì)算市場將達(dá)到373.6萬美元（包括硬件和服務(wù)）。量子即服務(wù)（QaaS）將占據(jù)這一價(jià)值的主要份額，大多數(shù)服務(wù)將通過量子計(jì)算云平臺運(yùn)行，其增長速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過量子計(jì)算硬件的發(fā)展。

量子比特是量子計(jì)算的基本單位，其有多種形式。最先進(jìn)的是采用原子進(jìn)行量子計(jì)算，如離子阱量子計(jì)算（其代表公司包括IonQ、Quantinuum和AQT）、冷原子量子計(jì)算（通常采用銣原子、銫原子，其代表公司包括Pasqal、Infleqtion和Atom Computing）、核磁共振量子計(jì)算 （核磁共振不太適合做量子計(jì)算，中國只有一家公司銷售這種類型的產(chǎn)品，用于教育用途）、超導(dǎo)量子計(jì)算和光子量子計(jì)算等。此外，氮空位（NV）中心的電子自旋可以用來存儲量子信息，因此也可用于電子量子計(jì)算，其代表性公司只有Quantum Brilliance。飛行量子比特，是指在量子計(jì)算過程中，處于傳輸狀態(tài)的量子比特，如光子量子比特和飛行電子等。光子量子比特領(lǐng)域的代表性公司有PsiQuantum、Quandela和Xanadu等。

量子計(jì)算機(jī)基于這些不同性質(zhì)、不同類型的物理量子比特進(jìn)行計(jì)算，且每種量子比特各有利弊。目前，大多數(shù)研究工作都集中在超導(dǎo)量子比特上，而其他量子比特類型如電子自旋、NV中心、冷原子、離子阱和光子等都面臨著挑戰(zhàn)。目前沒有一種量子計(jì)算方法是理想的，未來的量子計(jì)算系統(tǒng)可能會(huì)將其中幾種方法結(jié)合起來。

量子比特是量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)，量子計(jì)算機(jī)也有不同的類型。量子模擬器通過大型矢量和矩陣計(jì)算，在（非量子）筆記本電腦及超級計(jì)算機(jī)等各種計(jì)算設(shè)備上執(zhí)行量子算法，從而可以幫助研究人員在沒有實(shí)際量子計(jì)算機(jī)的情況下，測試和驗(yàn)證量子算法和協(xié)議。

量子退火計(jì)算機(jī)是一種利用量子力學(xué)中的絕熱性質(zhì)來解決優(yōu)化問題的計(jì)算機(jī)，根據(jù)特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如 D-Wave 公司的“Pegasus”或“Zephyr”結(jié)構(gòu)）連接一組量子比特。系統(tǒng)從一個(gè)處于基態(tài)的哈密頓量開始，在時(shí)間上逐漸改變系統(tǒng)的哈密頓量，以確保系統(tǒng)往基態(tài)收斂或者保持在基態(tài)，便于尋找能量極小值，以解決模擬、優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)等各種問題。此外，數(shù)字量子計(jì)算機(jī)或通用量子計(jì)算機(jī)是基于量子門操作。其使用的量子比特配備了能夠執(zhí)行所有量子算法的量子門，因此成為了比較通用的量子計(jì)算機(jī)。

但是由于量子噪聲的影響，基于量子門的量子計(jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)量有限。為了減輕這種噪聲，采用了由多個(gè)物理量子比特和量子糾錯(cuò)碼（QEC）組成的邏輯量子比特。在基于邏輯量子比特的FTQC計(jì)算機(jī)普及之前，通常采用基于非校正量子比特的NISQ計(jì)算機(jī)。NISQ計(jì)算機(jī)僅支持五十到幾百個(gè)物理量子比特，并且由于量子比特誤碼率的影響，只能在有限的電路深度下執(zhí)行運(yùn)算。

目前正在努力利用量子誤差抑制和緩解技術(shù)提高其性能。最終，NISQ計(jì)算機(jī)有望在特定任務(wù)上超越超級計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。在未來，具有多個(gè)物理量子比特和100多個(gè)邏輯量子比特的FTQC計(jì)算機(jī)將徹底改變量子計(jì)算。

量子加速器

我們也看到了量子加速器的曙光，它可以作為量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行，并通過執(zhí)行變分算法對超級計(jì)算機(jī)或高性能計(jì)算系統(tǒng) （HPCs）進(jìn)行性能補(bǔ)充。量子加速器其本身通常包含一臺經(jīng)典計(jì)算機(jī)，其為量子加速器準(zhǔn)備數(shù)據(jù)；而量子加速器為HPCs 系統(tǒng)提供加速功能。整個(gè)量子加速設(shè)備，需要緊密集成，以便批量加載和多次執(zhí)行量子算法。

無論量子比特的類型以及量子計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)如何，光子學(xué)對于量子技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，因?yàn)殡x子阱、光子及中性原子等技術(shù)都用到了激光和其他光子設(shè)備（見圖 2）。此外，離子阱、冷原子和 NV 中心都需要激光系統(tǒng)。盡管激光器供應(yīng)商眾多，但只有少數(shù)幾家能提供可用于量子應(yīng)用的系統(tǒng)。事實(shí)上，一款全頻率可調(diào)、高可靠性和長壽命的激光系統(tǒng)對量子技術(shù)非常關(guān)鍵。

量子計(jì)算機(jī)要想取得成功，仍需在尺寸、重量、功耗和成本等方面下功夫。盡管量子技術(shù)的發(fā)展是一項(xiàng)長期性事件，但現(xiàn)在正是投資的好時(shí)機(jī)。開發(fā)一套光子系統(tǒng)或許不失為一種較好的方法，它將在 3 -5 年內(nèi)獲得收益，也能讓投資者放心。

參考文獻(xiàn)

1. www.yolegroup.com/product/report/quantum-technologies-2024.