量子芯片，暴漲還是坍塌？

量子芯片，是貫穿 2024 年的亮點(diǎn)之一。

量子芯片是一種基于量子力學(xué)原理設計和制造的半導體芯片，集成有大量的量子邏輯單元，可以執行量子信息處理過(guò)程，在諸如量子化學(xué)模擬、量子人工智能等諸多領(lǐng)域具有巨大的潛力，有望突破傳統計算機的算力極限。

此前，黃仁勛的一則發(fā)言引起業(yè)內熱議。

黃仁勛一句話(huà)，讓量子概念股暴跌

量子計算有望解決當前處理器難以解決的問(wèn)題，如解碼加密、生成隨機數和大規模模擬。幾十年來(lái)，技術(shù)人員一直對其進(jìn)行研究，包括英偉達、微軟和 IBM 在內的公司，以及初創(chuàng )公司和大學(xué)的研究人員。

在被問(wèn)及英偉達的量子運算策略時(shí)，黃仁勛表示，英偉達可以制造量子電腦芯片所需的傳統芯片，但這些電腦需要的量子位元（qubits）數量，將是目前的 100 萬(wàn)倍。他并預測，要讓「非常有用的量子電腦」上市可能需要 15 到 30 年。

此番言論引發(fā)市場(chǎng)恐慌，更導致多家量子運算公司股價(jià)重挫。

其中，量子運算芯片開(kāi)發(fā)商 Rigetti Computing 跌 45.41%、量子運算產(chǎn)品商 Quantum Computing 跌 43.34%、量子運算軟硬件商 IonQ 跌 39%、量子運算系統商 D-Wave 在當周周三暴跌 36.13%?；仡?2024 年，上述公司 4 家公司 Rigetti、IonQ、Quantum Computing 及 D-Wave，分別暴沖 1,449.4%、237.13%、1,712.51%、854.44%。

量子技術(shù)一直被認為是科技領(lǐng)域的下一個(gè)前沿高地，如今英偉達的一句話(huà)令業(yè)內諸多人士紛紛猜測，量子技術(shù)是否真的具備如此巨大的潛力，以及它距離實(shí)現廣泛應用是否仍有一段難以逾越的距離？

Meta Platforms 首席執行官扎克伯格也警告稱(chēng)，量子計算機的應用仍需數年時(shí)間。受此影響，量子計算概念股遭遇集體拋售。

「我并不是量子計算方面的專(zhuān)家，但我的理解是，這離成為一個(gè)非常有用的范式還有很長(cháng)的路要走，」他在周五的一個(gè)播客上表示，并補充道，許多人認為這項技術(shù)可能需要「十年以上的時(shí)間」。

這番言論印證了黃仁勛最近的評論。

然而針對黃仁勛說(shuō)法，D-Wave 執行長(cháng) Alan Baratz 在接受《CNBC》采訪(fǎng)時(shí)表示「完全錯誤」，強調 D-Wave 的量子電腦已在商業(yè)應用中，并非遙不可及。

過(guò)去幾年，量子芯片一直備受關(guān)注。不少公司和科研機構積極投入研發(fā)，探索其潛力。市場(chǎng)對量子芯片前景頗為看好，吸引了各方資本與行業(yè)力量。

在這樣一個(gè)熱門(mén)賽道上，有人唱衰，同時(shí)也有人熱烈追捧。谷歌便是極具代表性的企業(yè)之一。

一個(gè)月內，兩款 105 比特超導量子芯片問(wèn)世！

2024 年最后一個(gè)月，谷歌和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先后發(fā)布 105 比特的超導量子芯片。

谷歌量子芯片 Willow，碾壓超算

根據谷歌的說(shuō)法，即使是如今最快的超級計算機，也需要花費「10 的 25 次方」年的時(shí)間才能完成這項計算——這個(gè)數字遠遠超過(guò)了宇宙的年齡。

隨著(zhù)芯片上量子比特數量的增加，這些錯誤累積起來(lái)，芯片的性能可能并不比傳統計算機芯片好。因此，自 20 世紀 90 年代以來(lái)，科學(xué)家們一直在研究量子糾錯。

谷歌在 12 月 9 日發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中表示，它已經(jīng)找到了一種將 Willow 芯片的量子比特串聯(lián)起來(lái)的方法，這樣隨著(zhù)量子比特數量的增加，錯誤率就會(huì )下降。該公司還表示，它可以實(shí)時(shí)糾正錯誤，這是讓量子機器實(shí)用化的關(guān)鍵一步。

「我們已經(jīng)過(guò)了盈虧平衡點(diǎn)，」谷歌量子人工智能部門(mén)負責人 Hartmut Neven 在接受采訪(fǎng)時(shí)表示。

中國科大發(fā)布「祖沖之三號」最新成果

一周后的 12 月 17 日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團隊在 arXiv 平臺上發(fā)布我國研制的具備 105 個(gè)量子比特的超導量子計算機「祖沖之三號」的相關(guān)成果。

實(shí)驗數據顯示，「祖沖之三號」的性能優(yōu)于谷歌上一代的「懸鈴木」（Sycamore，2024 年 10 月《自然》刊文結果中采用 72 個(gè)量子比特）6 個(gè)數量級，各項性能指標也與谷歌剛發(fā)布的「垂柳」達到了同一量級，為目前超導量子計算的最強優(yōu)越性。

據介紹，「祖沖之三號」的量子比特數相比擁有 66 個(gè)量子比特的「祖沖之二號」提升至 105 個(gè)，從而使其計算能力在理論上有了顯著(zhù)的拓展，能夠處理更為復雜的量子計算任務(wù)，為探索更大規模的量子算法和應用提供了可能。

同時(shí)，其保真度也實(shí)現了提升，「祖沖之二號」單量子比特門(mén)保真度約為 99.7%，「祖沖之三號」達到了 99.90%；「祖沖之二號」雙量子比特門(mén)保真度約為 99.2%，「祖沖之三號」提升至 99.62%。

據中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超導量子團隊正在基于「祖沖之三號」處理器開(kāi)展相關(guān)工作，計劃在數月內實(shí)現碼距為 7 的表面碼邏輯比特，并進(jìn)一步將碼距擴展到 9 和 11，為實(shí)現大規模量子比特的集成和操縱鋪平道路。

這些公司和機構，跑馬競賽

除了上述公司和機構外，還有許多參與者正在加大對量子芯片領(lǐng)域的投入。

比如，美國的斯坦福大學(xué)、加州理工學(xué)院等高校在量子芯片的基礎研究方面成果豐碩，為企業(yè)提供了技術(shù)支持和人才儲備。

英國、德國、法國等國家在量子芯片領(lǐng)域都有一定的研究和發(fā)展。例如，英國在量子通信和量子計算的融合研究方面取得了進(jìn)展；德國在量子芯片的材料研究和制造工藝方面有一定優(yōu)勢；法國在量子算法和量子軟件方面的研究較為突出。歐洲各國之間也通過(guò)合作項目，共同推動(dòng)量子芯片技術(shù)的發(fā)展。

日本在量子芯片的材料研發(fā)和制造工藝方面有一定的技術(shù)積累，同時(shí)在量子計算與人工智能的結合研究方面也較為活躍。索尼、東芝等企業(yè)在量子芯片的研發(fā)方面有一定投入。

加拿大在量子計算硬件和軟件方面都有一定的研究成果，其量子計算公司 D-Wave 在量子退火技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，為特定類(lèi)型的量子計算應用提供了有效的解決方案。

再看國內量子芯片競爭格局，除了上文提到的中國科技大學(xué)，國盾量子、本源量子等企業(yè)在量子芯片的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面取得了重要突破，成功研制出具有實(shí)用價(jià)值的量子計算機和量子通信設備，并在量子芯片的設計、制造和封裝測試等環(huán)節積累了一定的經(jīng)驗。

2023 年 1 月 31 日，中國第一條量子芯片生產(chǎn)線(xiàn)通過(guò)央視新聞客戶(hù)端首次向公眾亮相。這條產(chǎn)線(xiàn) 2022 年 1 月投入運營(yíng)，在這一年的時(shí)間里，陸續導入 24 臺量子芯片生產(chǎn)相關(guān)的工藝設備，孵化出了 3 套自研的量子芯片專(zhuān)用設備，生產(chǎn)了 1500 多個(gè)批次流片試制的產(chǎn)品，交付了多個(gè)批次的量子芯片以及量子放大器等產(chǎn)品。

總的來(lái)說(shuō)，美國和中國在量子芯片領(lǐng)域都展現出了強大的競爭力。兩國政府都高度重視量子科技的發(fā)展，并投入了大量資源進(jìn)行研發(fā)。

與此同時(shí)，全球主要國家也正在加快布局建立量子經(jīng)典協(xié)同計算平臺。

2023 年，國際商業(yè)機器公司（IBM）在加拿大、西班牙的超算中心部署 127 比特量子計算機。

歐盟將 6 臺高性能量子計算機集成到捷克、法國、德國、意大利、波蘭和西班牙的各個(gè)超算中心，組成歐洲的量子計算網(wǎng)絡(luò )。

日本理化學(xué)研究所（RIKEN）在日本產(chǎn)的 64 比特超導量子計算機和超級計算機「富岳」之間建立通信鏈路。

2024 年，「本源悟空」成功接入上海超算中心、國家超算鄭州中心、長(cháng)三角樞紐蕪湖集群，軟件層面實(shí)現不同算力的弱耦合。合肥先算中心率先在國內啟動(dòng)超量融合中心建設，即將試點(diǎn)部署真實(shí)量子計算機。

不過(guò)，值得注意的是，新技術(shù)唯有投入應用，才能實(shí)現其價(jià)值。那么，讓我們回到文章開(kāi)頭探討的話(huà)題，備受熱捧的量子技術(shù)，距離實(shí)際應用還有多長(cháng)的路要走？

量子應用，何時(shí)爆發(fā)？

實(shí)用化量子計算機發(fā)展可分為 3 個(gè)階段。

第一階段，實(shí)現量子計算優(yōu)越性的實(shí)驗室階段。

第二階段，尋求在某些特定領(lǐng)域實(shí)用價(jià)值的展現。

第三階段，研制可編程的通用量子計算機?？删幊痰牧孔佑嬎銠C在多場(chǎng)景下應用，量子比特的操縱精度、集成數量和容錯能力都將大幅提升。

現階段發(fā)展最快的超導量子計算機正處于第二階段，已經(jīng)在金融、材料科學(xué)、藥物設計等領(lǐng)域展現廣泛的應用前景。超導量子計算機「本源悟空」已在特定領(lǐng)域上線(xiàn)多款量子計算真機應用，包括金融領(lǐng)域投資組合優(yōu)化應用、生物醫藥領(lǐng)域分子對接應用等。

至于量子應用，何時(shí)爆發(fā)？有以下兩點(diǎn)影響因素。

首先，技術(shù)成熟度是量子應用爆發(fā)的先決條件。盡管量子計算、量子通信等領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著(zhù)的進(jìn)展，但要實(shí)現大規模的商業(yè)應用，還需要在量子比特穩定性、量子糾錯、量子算法優(yōu)化等方面取得更多的突破。只有當這些技術(shù)難題得到有效解決，量子應用才能真正走向成熟，并發(fā)揮出其巨大的潛力。

其次，市場(chǎng)需求也是推動(dòng)量子應用爆發(fā)的重要因素。隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域開(kāi)始關(guān)注并嘗試應用量子技術(shù)。例如，金融、醫療、物流等行業(yè)都希望通過(guò)量子技術(shù)來(lái)提高數據處理效率、降低運營(yíng)成本、提升服務(wù)質(zhì)量。然而，目前量子應用的市場(chǎng)需求尚未完全釋放，還需要進(jìn)一步的市場(chǎng)教育和引導。只有當越來(lái)越多的企業(yè)和個(gè)人認識到量子技術(shù)的價(jià)值，并愿意為之買(mǎi)單時(shí)，量子應用才能真正迎來(lái)爆發(fā)式增長(cháng)。

據此分析，量子技術(shù)的全面普及可能確實(shí)尚需時(shí)日。然而，針對組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機器學(xué)習等特定領(lǐng)域的問(wèn)題，利用量子技術(shù)來(lái)指導材料設計、藥物開(kāi)發(fā)等工作已經(jīng)起步并取得進(jìn)展。至于構建可編程的通用量子計算機這一目標，黃仁勛與扎克伯格的預測或許較為貼近實(shí)際。