“遇事不決，量子力學(xué)。”
很多時候，量子力學(xué)由于太過艱深，成為人們表示崇敬科學(xué)時的“戲謔”。量子力學(xué)的原理和很多現(xiàn)象確實非常復(fù)雜，如相隔數(shù)億光年仍可瞬間互相影響的“量子糾纏”等反常現(xiàn)象，物理學(xué)者賽斯勞埃德（Seth Lloyd）甚至提出，量子糾纏是時間流向的源頭。
這些過于科幻的概念，一方面讓量子計算產(chǎn)業(yè)更難為公眾理解，另一方面又很適合在科幻電影中出鏡，這又讓公眾對量子計算產(chǎn)生更多興趣。
比如《流浪地球2》中算力驚人、還擁有自主意識的量子計算機MOSS，甚至讓很多觀眾參與了手辦眾籌。各類社交軟件上關(guān)于電影情節(jié)的討論層出不窮，電影結(jié)尾的彩蛋中，MOSS和數(shù)字生命狀態(tài)的圖恒宇還有一番關(guān)于時間的對話，大意就是“放下對過去、現(xiàn)在與未來的執(zhí)念”，甚至讓觀眾猜測這是預(yù)示量子計算機還能時空穿越？當(dāng)然電影未必有這層意思，但量子計算機MOSS的時間觀念肯定不同于人類線性、歷時的特點，更可能是非線性、多元化、共時性的。
從科幻回到現(xiàn)實，量子計算技術(shù)目前已經(jīng)進展到哪一步了？在傳統(tǒng)計算漸至瓶頸的一些領(lǐng)域，量子計算如何實現(xiàn)商業(yè)化落地可能？在計算機硬件、量子通信、量子測量等眾多新方向上，中國量子計算企業(yè)是如何分頭突破經(jīng)典計算時代的“卡脖子”難題？
如何拓展落地場景
在《流浪地球2》展示中國科幻“肌肉”的同時，中國諸多量子計算企業(yè)也在相關(guān)研發(fā)上取得階段性突破，也在近日頻頻展示“肌肉”。
據(jù)報道，啟科量子在2月就宣布推出國內(nèi)首臺模塊化離子阱量子計算工程機天算1號；玻色量子自主知識產(chǎn)權(quán)的相干光量子計算機“天工量子大腦”，在超過100個節(jié)點的Max-Cut圖問題上，獲得了相比經(jīng)典計算機3個數(shù)量級以上的算力優(yōu)勢；量旋科技更是已經(jīng)開始對外出售桌面型量子計算機系列產(chǎn)品，重新定義了量子計算機的機型，更加適用于量子計算教育和普及……
《新蘇黎世報》報道量旋科技
一個全新領(lǐng)域，要想從“作坊式”走向工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)可持續(xù)，如何打通每一個產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)，讓產(chǎn)業(yè)鏈上不同的參與者收獲新領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的利益？
對于量子計算產(chǎn)業(yè)來說，芯片、算法、軟件硬件協(xié)同、應(yīng)用開發(fā)接口等眾多細分環(huán)節(jié)都是全新的，每一個環(huán)節(jié)都是值得行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士開拓的創(chuàng)業(yè)領(lǐng)域，但關(guān)鍵是，這些領(lǐng)域如何找到能順利商業(yè)化、能為創(chuàng)業(yè)公司帶來訂單的真實需求。
玻色量子市場總監(jiān)袁為告訴億歐，玻色量子致力于將量子計算與AI等商用領(lǐng)域結(jié)合起來，可以在人工智能、金融、物流、能源、交通等領(lǐng)域解決深度學(xué)習(xí)和算法組合優(yōu)化等問題。
這些領(lǐng)域的計算加速需求也是客觀存在的，比如在金融投資領(lǐng)域，資產(chǎn)的配置與組合問題一直是業(yè)界和學(xué)界的焦點。玻色量子也與大學(xué)、金融機構(gòu)展開產(chǎn)學(xué)研合作，并建設(shè)了“天工經(jīng)世量子計算量化策略平臺”。
據(jù)了解，2014年，量子近似優(yōu)化算法（Quantum Approximate Optimization Algorithm，QAOA）由Edward Farhi等人提出。QAOA算法是一種經(jīng)典計算與量子計算的混合算法，可用于解決組合優(yōu)化問題、最大分割問題等難題。而玻色量子使用QAOA算法去解決金融資產(chǎn)的組合優(yōu)化問題，也在多項指標中取得相比經(jīng)典計算與傳統(tǒng)算法的優(yōu)勢。
量子計算中，既有研發(fā)全新光量子計算架構(gòu)量子計算機方向的玻色量子，也有通過桌面型核磁共振量子計算機率先實現(xiàn)商業(yè)落地的量旋科技。桌面小型量子計算機又能拓展出哪些場景呢？
量旋科技創(chuàng)始人項金根告訴億歐，量旋科技的小型量子計算設(shè)備主打市場非常明確，那就是大學(xué)或科研機構(gòu)的科研和教學(xué)設(shè)備領(lǐng)域。
這頗類似于淘金熱中的“賣鏟者”，量子計算產(chǎn)業(yè)熱潮也同樣會帶來科研的需求，大學(xué)和科研機構(gòu)需要更多適合的量子計算設(shè)備，這一市場也是切實存在的。項金根指出，“目前大學(xué)相比科研機構(gòu)來說，對設(shè)備的需求更多，一般都是購置來用做算法驗證或者應(yīng)用開發(fā)工作。我們的設(shè)備對于大學(xué)來說非常適合相關(guān)量子計算學(xué)科的教學(xué)、科研，這種設(shè)備應(yīng)該也是全球獨一無二的”。
但相比于直接面對B端的需求挖掘與場景拓展，面對大學(xué)和科研機構(gòu)的市場，足夠大嗎？
對此，項金根表示，“我們小型量子計算機，在全球范圍內(nèi)都有很廣泛的客戶。目前海外市場客戶其實比國內(nèi)還要多，因為從2022年下半年開始，海外量子計算市場增長勢頭甚至比國內(nèi)還要更快。”
據(jù)報道，1月23至24日，加拿大光量子計算公司Xanadu、法國量子計算初創(chuàng)公司W(wǎng)elinq、法國量子計算公司PASQAL、瑞典查爾姆斯大學(xué)先后宣布獲得新一輪巨額融資。這也給從2022年下半年開始的量子計算賽道再次推上高潮。
其中的查爾姆斯大學(xué)瓦倫堡量子技術(shù)中心 (WACQT)開發(fā)了25量子比特量子處理器，但他們是在內(nèi)部使用和試驗，工業(yè)界的外部用戶無法使用。實際上，更多大學(xué)、工業(yè)客戶都對量子計算機產(chǎn)生需求，而這一市場的蓬勃發(fā)展正是量旋科技、玻色量子等企業(yè)的機會所在。
量子計算：玩算法還是拼硬件
自從IBM在2019年發(fā)布全球首臺商用量子計算機后，全球一系列創(chuàng)業(yè)企業(yè)與巨頭也先后在量子計算賽道投注。大部分企業(yè)，也確實是從硬件上著手研發(fā)，或者是在硬件研發(fā)有所突破之后開始著手平臺、應(yīng)用層面的工作。
選擇從應(yīng)用面、軟件層面切入的企業(yè)并不多。據(jù)報道，在IBM之后，2019年6月，鴻海集團旗下的鴻海研究院也啟動了量子計算機項目，但主要在軟件層面切入。有行業(yè)專家就指出，“像國內(nèi)的BAT、華為等布局量子計算一開始也都是從軟件切入，但現(xiàn)在阿里、華為也都開始在硬件上投入，組裝超導(dǎo)量子計算機。鴻海以后也不排除再投入硬件。”
從事量子計算領(lǐng)域的創(chuàng)新，到底是玩算法、應(yīng)用還是拼硬件研發(fā)呢？
其實，并沒有一條固定不變的路線。量子計算機也可以接入云平臺，用戶上云并利用量子算力運行量子機器學(xué)習(xí)算法、使用量子計算應(yīng)用，硬件和軟件結(jié)合，才能在量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期最大化其效用。
對于量子算力而言，硬件當(dāng)然是基矗
中科大“九章二號”量子計算原型機
量子計算基于量子力學(xué)原理，主要是利用量子力學(xué)的兩大特性量子疊加和量子糾纏來獲得比經(jīng)典計算在性能上更大的提升。量子計算機使用量子比特 (qubits)，而不是經(jīng)典計算中用來表示信息的二進制數(shù)字 (bits)。量子位可以同時以多種狀態(tài)存在，允許量子計算機同時執(zhí)行許多計算任務(wù)。
傳統(tǒng)的計算機，只能表示0和1兩種狀態(tài)。量子計算，利用量子疊加和量子糾纏的特性，可以同時表示無窮多個狀態(tài)。
也就是說，具有n個量子比特的計算機，單個量子比特可以表示2的n次方個狀態(tài)，而且可以同時對2n個比特的數(shù)據(jù)執(zhí)行計算。同時，量子計算機的性能翻倍，只需要增加1個量子比特即可以實現(xiàn)；而經(jīng)典計算要想性能翻倍，在不增加處理器數(shù)量的情況下，目前進展甚微，基本已經(jīng)接近摩爾定律的終點。
硬件的基礎(chǔ)性作用，往往會被軟件層面的絢麗功能所掩蓋。正如最近非常火的ChatGPT，也吸引了國內(nèi)眾多軟件、應(yīng)用為主的廠商參與，但ChatGPT可不是一個聊天軟件，其背后需要強大的算力支撐，需要高端GPU。據(jù)報道稱，ChatGPT已導(dǎo)入了至少1萬顆英偉達高端GPU芯片，目前其訓(xùn)練階段總算力消耗約為3640PF-days（即1PetaFLOP/s效率跑3640天）。據(jù)普超資本預(yù)測，GPT-3訓(xùn)練成本預(yù)計在500萬美元/次。未來的GPT-4在算力上更有著超過百倍的需求，而這甚至是當(dāng)下的高端芯片都難以滿足的。
對于量子計算產(chǎn)業(yè)而言，應(yīng)用、算法層與硬件層面同樣重要。只有通過與更多場景結(jié)合，提供合適的算法與應(yīng)用，才能進一步催生對量子計算算力的需求，并一步步點燃整個量子計算產(chǎn)業(yè)的大爆發(fā)，催生出量子計算產(chǎn)業(yè)的新基建。
量旋科技創(chuàng)始人項金根就告訴億歐，目前量子計算機主要是用于補充而不是替代經(jīng)典計算機的算力，在量子計算機配合經(jīng)典計算機運行的時候，除了硬件以外，針對不同應(yīng)用場景的算法開發(fā)同樣重要，硬件和軟件算法是一體化的。
項金根說，“其實硬件類量子計算機公司，特別是國內(nèi)，除了做硬件以外還都會做軟件和算法的研究。像我們公司里面也有一支人數(shù)較多的團隊，就專門做量子計算的平臺、算法、應(yīng)用軟件的開發(fā)。”
量子計算如何破解“卡脖子”？
我們在硅基芯片上的相對落后，其實與光學(xué)技術(shù)存在一定的關(guān)系。光刻機的EUV光源等核心部件，就是人類光學(xué)科技的巔峰，我們暫時還造不出EUV光源。從歷史上來看，人類了解量子世界，也是從了解光開始。牛頓認為光是粒子，麥克斯韋認為光是波，直到后來人類才認識到光具有波粒二象性，一步步引出量子理論。
那么，正如經(jīng)典計算賽道，我們所需要的高算力芯片、先進制程光刻機等存在“卡脖子”之痛一樣；對于量子計算賽道，又是否有著卡脖子的可能？
玻色量子市場總監(jiān)袁為告訴億歐，玻色量子選擇光量子計算這個方向，既有創(chuàng)業(yè)團隊研究方向的原因，也考慮到光量子計算機相比其他技術(shù)路線的一些優(yōu)點。比如，人類對于量子力學(xué)的研究，就是始于對光的本質(zhì)的探索，包括糾纏、疊加在內(nèi)的很多基本量子力學(xué)現(xiàn)象也是在光學(xué)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的，因此用光進行量子計算是很自然的事情。同時光的很多物理量如路徑、自旋、角動量、相位等都可以編碼信息進行計算。
玻色量子相干光量子計算機原型機
這也涉及光學(xué)技術(shù)與量子技術(shù)的深度結(jié)合，由于軌道角動量倍頻沒有上限，結(jié)合單光子分選技術(shù)，軌道角動量的高維希爾伯特空間和大信息容量特性使其可以應(yīng)用于量子信息處理，可以利用軌道角動量實現(xiàn)高階量子糾纏的探索。
而能在室溫條件下運行，無需特別的制冷設(shè)備，更是光量子計算的一個顯著優(yōu)勢。而超導(dǎo)量子計算機的CPU芯片盡管可以在常溫下展示，但其真正運行必須在接近絕對零度（零下273.15攝氏度）的環(huán)境中進行，在其制冷所需部分設(shè)備、材料還存在進口依賴之時，光量子計算機的常溫運行也成為一種重要技術(shù)路線。
袁為指出，超導(dǎo)量子計算機的正常運行需要提供極低溫環(huán)境，這需要很多設(shè)備，其中最關(guān)鍵的是稀釋制冷機。這是一種能夠提供接近絕對零度環(huán)境的設(shè)備，其制冷劑使用液氦。目前制冷劑主要依賴美國進口，稀釋制冷機商用的英國和美國都有在做，而且英國的做得更好，他們也研發(fā)了新一代無液氦稀釋制冷機，對于英國量子計算的產(chǎn)業(yè)來說他們的儀器也能夠幫助英國維持優(yōu)勢。目前最先進的稀釋制冷機，他們也對中國禁運，試圖卡脖子。
這就需要國內(nèi)相關(guān)設(shè)備企業(yè)在上游能夠突破封鎖了。據(jù)報道，中國科學(xué)院物理研究所自主研發(fā)的無液氦稀釋制冷機在2021年就已經(jīng)實現(xiàn)10mK以下極低溫，在高端極低溫儀器研制上也在一步步進展。無液氦稀釋制冷機有別于傳統(tǒng)的依賴液氦輔助降溫的濕式稀釋制冷機，無需液氦供應(yīng)，樣品空間大，連續(xù)運行時間長且運維方便，這還有利于降低對液氦的進口依賴。
量旋科技創(chuàng)始人項金根向億歐表示，其小型化核磁共振量子計算機的運行并不需要超低溫度，因此適用性更廣，這一技術(shù)路線目前沒有卡脖子之痛。同時，量旋科技也跟IBM一樣，對需要超低溫的超導(dǎo)芯片量子計算機技術(shù)路線進行布局。
項金根指出，在經(jīng)典計算機中，CPU主要部分是晶體管，然后由晶體管組成各種邏輯門，邏輯門再組成各種運算單元。邏輯門是真實的，而比特則是虛的，因為它是由高低脈沖來表示比特狀態(tài)的。一旦斷電，比特狀態(tài)就沒有了。而量子芯片恰恰相反。量子芯片核心部件是量子比特，它實實在在存在于量子芯片上。邏輯門反而是虛的，并不存在于量子芯片上，而是通過發(fā)射不同的射頻脈沖來實現(xiàn)。
據(jù)項金根介紹，量旋科技也有超低溫技術(shù)路線，這一技術(shù)路線所需稀釋制冷機目前主要是進口歐洲的設(shè)備。但項金根指出，其實稀釋制冷機的能耗并沒有想象中那么高，目前量旋科技的超導(dǎo)芯片量子計算機運行時，能耗最高大概是20千瓦左右。而且量子計算機比特數(shù)的增長，和稀釋制冷機能耗的增長并不是同比例的線性增長關(guān)系。
“比如20比特的量子計算機，可能需要的稀釋制冷機功耗是20千瓦，那么200比特的量子計算機，其所用稀釋制冷機功耗并不會達到200千瓦，像IBM具備433個量子比特的量子計算機，其稀釋制冷機的功耗大概也就是幾十千瓦的量級。” 項金根說。
因此，對于國產(chǎn)稀釋制冷機來說，即使耗能更高，只要性能能夠在近似的情況下?lián)碛袃r格優(yōu)勢，也是存在國產(chǎn)替代機會的。
項金根告訴億歐，“我們現(xiàn)在用不上先進納米制程的光刻機，其實我們用到的另外一個類型的設(shè)備電子束曝光機，它的功能其實跟光刻機很像，效率低很多，但是它的成本也要低很多，通過高能電子束進行曝光，它的加工精度甚至可以達到10納米以下。對量子計算機來說，由于超導(dǎo)量子芯片需求量不高，少量生產(chǎn)沒有問題，但如果要大規(guī)模量產(chǎn)還會存在很多問題。”
從實驗室到規(guī)模化量產(chǎn)，對技術(shù)來說是一次驚險但又必須完成的跳躍。加工實驗室的環(huán)境中，可以手工“打磨”，用人力來彌補高端設(shè)備的不足，且少量的規(guī)模良率即使低一些也不構(gòu)成較大損失。但到了生產(chǎn)線，必須在成千上萬道工序中每一環(huán)節(jié)都做到最高的良率，要不然累計下來的良率損失將會壓垮制造者。也就是說，對中國量子計算產(chǎn)業(yè)來說，少數(shù)超導(dǎo)芯片的生產(chǎn)，倒也不懼卡脖子。但是一旦大規(guī)模量產(chǎn)，還是存在卡脖子風(fēng)險。
在這個以量子計算為代表的先進計算群雄逐鹿時代，我們也無懼風(fēng)險，迎難而上已經(jīng)有很多量子計算的初創(chuàng)企業(yè)在為產(chǎn)業(yè)探路。而金融、交通、能源、人工智能等更多領(lǐng)域也對量子計算產(chǎn)生興趣，并愿意與量子計算企業(yè)合作，借助量子計算解決行業(yè)問題。
隨著量子計算在各個行業(yè)的應(yīng)用漸趨深化，輻射帶動出更多產(chǎn)業(yè)，助力產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大，那么從上游設(shè)備到下游應(yīng)用，也將構(gòu)建出一個繁榮的“量子計算機硬件+平臺+應(yīng)用+服務(wù)”產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系。
