光子盒研究院出品
01
量子糾錯：后NISQ時代的主題
IBM路線圖很明確地表示，2023年將推出1000+量子比特芯片，屆時我們將進入后NISQ時代（NISQ是指幾十到幾百量子比特、無糾錯的機器），這將是量子領(lǐng)域注意力完全轉(zhuǎn)向糾錯量子計算的一年。
糾錯是未來開啟有用的量子計算的關(guān)鍵，因為目前所有的量子比特都很脆弱，不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)大量錯誤。即使在“小型”量子計算機上解碼這些數(shù)據(jù)，也需要每秒鐘實時識別和糾正數(shù)十億個錯誤。
2022年，谷歌和Quantinuum已經(jīng)開了一個好頭。谷歌首次實現(xiàn)錯誤率隨著比特數(shù)增加而降低，以往的糾錯研究隨著比特數(shù)的增加，錯誤率會提高，都是“越糾越錯”，而這次谷歌首次實現(xiàn)了“越糾越對”。也就是說，突破了量子糾錯的盈虧平衡點。這是量子計算“萬里長征”中的重要轉(zhuǎn)折點。Quantinuum則在離子阱量子計算機中，利用保真度更低的物理量子比特創(chuàng)造了保真度更高的邏輯量子比特：邏輯量子比特為99.94%，而物理量子比特為99.68%。
下一步，將是實現(xiàn)更大規(guī)模的量子比特糾錯。
02
量子網(wǎng)絡(luò)：保密應(yīng)用加速產(chǎn)業(yè)化
量子網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)一樣都是用于傳輸信息的，不同的是前者傳輸數(shù)字信息，后者傳輸量子信息，這些量子信息以量子態(tài)的形式存在，并以量子比特（例如光子）為載體。然而，量子比特容易出錯、不易存儲和傳輸距離受限的特點，導致這種傳輸量子信息的網(wǎng)絡(luò)還沒有完全實現(xiàn)。但這種情況正在開始改變，荷蘭QuTech的研究人員在實驗室中展示了一個三節(jié)點的量子網(wǎng)絡(luò)，通過中間節(jié)點Bob將量子信息從發(fā)送方Alice傳輸?shù)浇邮辗紺harlie，盡管三方傳輸?shù)谋Ｕ娑戎挥?1%，但這比經(jīng)典極限的2/3要高。相信在2023年會有更多相關(guān)研究進展。
盡管所謂的“量子互聯(lián)網(wǎng)”還未走出實驗室，但用于保密的量子網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化，例如量子密鑰分發(fā)。在量子保密通信方面，中國處于領(lǐng)先地位，目前已經(jīng)實現(xiàn)了4600多公里的天地一體化網(wǎng)絡(luò)，世界上最大的量子城域網(wǎng)也在合肥開通。與此同時，2022年，可以看到歐美各國明顯發(fā)力，芝加哥大學首次使用量子網(wǎng)絡(luò)連接了芝加哥市和郊區(qū)的實驗室長度200公里，成為美國最長的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。英國電信、東芝和咨詢公司安永宣布啟動了英國首個商用量子安全城域網(wǎng)的試驗。根據(jù)計劃，2023和2024歐美各國將陸續(xù)發(fā)射多顆量子通信衛(wèi)星，朝著覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的目標更近一步。
03
抗量子密碼的危與機
2023年可能是抗量子密碼（PQC）機遇與挑戰(zhàn)并存的一年，一方面，從政府到企業(yè)將開始積極布局PQC，另一方面，PQC面臨著被頻繁破解的風險。
盡管到2024年之前，NIST還將進行第四輪的PQC算法篩選，但今年7月已經(jīng)提前公布將進行標準化的算法：CRYSTALS-Kyber、CRYSTALS-Dilithium、Falcon、SPHINCS+，因此越來越多的企業(yè)宣布將推出采用這些算法的產(chǎn)品。而且美國總統(tǒng)拜登剛剛簽署了《量子計算網(wǎng)絡(luò)安全防范法案》，此前白宮管理和預(yù)算辦公室（OMB）也發(fā)布了一份新聲明，概述了聯(lián)邦機構(gòu)需要在運行量子計算機之前開始向抗量子密碼遷移，并要求在2023年5月24日之前各機構(gòu)確定其加密硬件和軟件系統(tǒng)的風險。NIST也表示PQC和量子技術(shù)是其2023年的優(yōu)先事項。
但與此同時，抗量子密碼也暴露了自己的缺點，2022年屢次出現(xiàn)NIST備選算法被破解的情況，雖然這些算法可以通過不斷改進減少被破解的風險，而且已入選的四種算法還未暴露風險，但這確實給PQC敲響了警鐘，因此這些算法仍然缺少大量實踐驗證。
04
行業(yè)洗牌：企業(yè)合并、資金危機
自2021年1月霍尼韋爾量子計算部門與劍橋量子公司合并以來，2022年掀起了量子企業(yè)合并的一個小高潮，創(chuàng)新藥物研發(fā)商Odyssey收購了英國量子計算初創(chuàng)公司Rahko的多數(shù)股權(quán)，Pasqal收購了Qu&Co，ColdQuanta收購了Super.tech，量子計算軟件公司QCI收購了光量子系統(tǒng)公司QPhoton……再往前數(shù)，SK電訊收購了量子通信公司IDQ，iXblue收購了量子重力儀公司Muquans，是德科技收購了Quantum Benchmark，等等。
有合并也有分拆，例如SandboxAQ從Alphabet獨立出來，當然目前量子行業(yè)更多的分拆公司還是從科研機構(gòu)中獨立出來。
此外，雖然量子投資仍然看起來十分蓬勃，但一些量子公司可能面臨資金危機，例如，幾家上市公司中，IonQ在上市時融資了6億多美元，但另一家公司Rigetti卻只拿到了1億多美元，從虧損情況來看，IonQ在幾年內(nèi)財務(wù)可能無虞，但Rigetti可能面臨資金危機。對于上市公司尚且如此，一些多年未融資的初創(chuàng)公司可能更加擔憂。
隨著企業(yè)合并加劇、新公司不斷涌現(xiàn)、更多公司面臨資金危機，2023年量子行業(yè)可能迎來大洗牌。
05
量子計算與HPC的結(jié)合
在NISQ時代，混合量子-經(jīng)典方法被認為是解決實際問題的重要途徑。而在2022年，行業(yè)進一步明確量子計算與高性能計算中心（HPC）的結(jié)合。
在這方面，歐洲開了全球之先河，芬蘭公司IQM開發(fā)的5量子比特QPU已經(jīng)被部署在HPC中心，德國萊布尼茨超級計算中心正在評估百億億級超級計算機以及由量子和AI系統(tǒng)提供的加速計算。這種量子+HPC的結(jié)合可以很好地利用當前的變分算法。芯片巨頭英偉達也在今年推出了量子優(yōu)化設(shè)備架構(gòu)QODA，被譽為量子領(lǐng)域的CUDA架構(gòu)，可以將量子計算與經(jīng)典計算結(jié)合在一起。
預(yù)計2023年，這一趨勢將進一步凸顯，例如中國的超算團隊開始參與量子計算研究，特別是獲得2021年度戈登貝爾獎的國家超級計算無錫中心，在新一代神威超級計算機中實現(xiàn)了超大規(guī)模量子隨機電路實時模擬。因此，量子計算機走進國家超算中心將指日可待。
06
量子比特技術(shù)百花齊放
IBM在量子領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先，2023年即將突破1000量子比特。但除了領(lǐng)頭羊外，其他市場參與者基本沒有拉開差距。除了超導外，其他路線也在奮力追趕，例如目前普遍超過100量子比特的中性原子量子計算機。2023年仍不能確定最終哪種量子比特技術(shù)會在未來脫穎而出。實際上，僅就超導路線而言，最近也出現(xiàn)了很多性能可能超越transmon的新型量子比特。
目前量子比特大致分為三類：原子（離子阱，中性原子）、固態(tài)（超導，半導體，NV量子比特）和光子，每一種量子比特都有各自的優(yōu)勢，從而可能適合不同類型的用例，盡管目前各種體系都是各自為戰(zhàn)，但不排除未來出現(xiàn)一種結(jié)合各種量子比特優(yōu)勢的技術(shù)。
此外，量子比特不僅關(guān)系到量子計算，甚至還要考慮到未來的量子互聯(lián)網(wǎng)，選擇一種合適的量子比特或者開發(fā)高效的接口，是非常重要的課題。
07
量子教育市場蓬勃
國內(nèi)外對量子教育愈發(fā)重視，國內(nèi)以中科大、清華為首的高校開設(shè)了量子信息本科班，國外同樣越來越多的高校將量子教育提前到了本科階段。因為量子信息涉及多學科的交叉，需要非常長的培養(yǎng)周期。量子教育的需求增加自然會帶來量子教育市場的蓬勃，包括量子教具的開發(fā)。
目前量子教具主要以教學機為主，可用于演示量子力學、量子計算、量子通信、量子傳感中的基礎(chǔ)實驗。例如，中國的量旋科技推出了三款桌面量子計算機，主要用于大學甚至中學的量子計算教育，同樣銷售量子計算教學機的還有國儀量子，目前這兩家的量子教育產(chǎn)品均已實現(xiàn)出海。
預(yù)計2023年及以后，量子教育市場將蓬勃發(fā)展，因為當前和未來一段時間量子技術(shù)的實際應(yīng)用仍非常局限，而量子教育可能是一個重要風口。
08
創(chuàng)始人讓位于專業(yè)經(jīng)理人
目前量子公司的創(chuàng)始人幾乎都是實驗室中的研究人員，可能給公司經(jīng)營帶來一些問題，例如科學家創(chuàng)始人可能只有很少一部分精力投入到公司中來，另一方面，這些科學家在公司經(jīng)營方面也缺乏經(jīng)驗。
因此，一些科學家創(chuàng)始人選擇從一開始就將公司交由專業(yè)經(jīng)理人經(jīng)營，但也有一些創(chuàng)始人會兼任公司CEO。例如Rigetti公司的創(chuàng)始人Chad Rigetti在2013年成立公司后就一直擔任CEO，而他本身是一位技術(shù)人員，直到前段時間Chad Rigetti才離開了CEO的崗位。預(yù)計2023年會出現(xiàn)更多創(chuàng)始人讓位于專業(yè)經(jīng)理人的現(xiàn)象。
09
更多公司開始考慮采用量子技術(shù)
對于量子技術(shù)來說，永遠停留在實驗室中是很難取得進步的，實際上如何將量子技術(shù)應(yīng)用于不同行業(yè)的重要性不亞于開發(fā)一臺量子計算機。與潛在客戶的合作和探索，是量子技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要一步。正如計算機行業(yè)的開源文化，只有持續(xù)不斷的反饋和優(yōu)化，才能實現(xiàn)更好的產(chǎn)品。
而各行各業(yè)的公司選擇采用量子技術(shù)的原因或許是一種“技術(shù)恐懼”，尤其是在量子計算機巨大算力的壓力下，雖然不知道是哪一天，但總有一天可能攻破目前所有的加密設(shè)施，作為企業(yè)核心資產(chǎn)的數(shù)據(jù)存在被竊取的風險。因此，一些企業(yè)在積極嘗試量子計算機的同時也在考慮部署抵御量子計算機的新型加密技術(shù)。
但不管是出于何種原因，的確有越來越多的企業(yè)開始嘗鮮量子技術(shù)。根據(jù)IQM的最新調(diào)查顯示。70%的受訪企業(yè)高管表示，他們正在使用和開發(fā)現(xiàn)實生活中的用例；只有4%的企業(yè)沒有使用，也沒有計劃在未來5年內(nèi)采用量子技術(shù)。
10
國防領(lǐng)域加大投入
軍事史本質(zhì)上是一部技術(shù)創(chuàng)新史，近代以來，所有科學技術(shù)的創(chuàng)新都率先應(yīng)用于軍事。量子作為前沿技術(shù)，被各國國防部視為可以改變未來戰(zhàn)爭的技術(shù)，今年發(fā)表在EPJ Quantum Technology的報告《
量子技術(shù)的軍事應(yīng)用
》回顧并描述了可能的量子技術(shù)軍事應(yīng)用，包括量子技術(shù)在各種戰(zhàn)爭領(lǐng)域的具體軍事應(yīng)用，并闡述了相關(guān)問題和挑戰(zhàn)。
包括美國在內(nèi)的多國軍方非常重視量子技術(shù)的發(fā)展。例如美國國防高級研究計劃局DARPA是量子技術(shù)的積極推動者，特別是2020年啟動的“中等規(guī)模量子器件噪聲優(yōu)化”（ONISQ）項目，計劃通過48個月的時間證明量子優(yōu)勢的現(xiàn)實世界組合優(yōu)化問題，明年該項目將進入尾聲。
預(yù)計2023年國防領(lǐng)域?qū)α孔蛹夹g(shù)的投入將持續(xù)加大。
