谷歌量子計(jì)算芯片取得“爆炸性”進(jìn)展 產(chǎn)業(yè)鏈哪些環(huán)節(jié)至關(guān)重要？

每經(jīng)記者 朱成祥  張寶蓮    每經(jīng)編輯 陳俊杰    

近日，谷歌披露其成功研發(fā)新一代量子計(jì)算芯片Willow，芯片尺寸僅4平方厘米，內(nèi)建105個(gè)量子位元（Qubit）。在“隨機(jī)電路取樣”（RCS）基準(zhǔn)測(cè)試中，全球第二快超級(jí)電腦Frontier需耗時(shí)“10的25次方”年才計(jì)算好的答案，Willow不到5分鐘就能完成。

谷歌的成功，也引發(fā)馬斯克、奧特曼等科技大佬點(diǎn)贊。

12月11日，國盾量子的量子計(jì)算負(fù)責(zé)人王哲輝對(duì)《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者表示：“（這是）一個(gè)很牛的科技進(jìn)展，說明我們離可以糾錯(cuò)的量子比特應(yīng)該不太遠(yuǎn)了，但量子計(jì)算是一個(gè)漫長的征程，如何用這樣的量子比特做出‘能用’的量子計(jì)算機(jī)依舊是件極為不容易的事。”

“爆炸性”進(jìn)展

谷歌表示，Willow可以成倍地減少錯(cuò)誤，這破解了該領(lǐng)域近30年來一直追求的量子糾錯(cuò)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

對(duì)于谷歌此次在量子計(jì)算領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展的意義，王哲輝表示：“這次，谷歌使用隨機(jī)電路采樣RCS基準(zhǔn)測(cè)試來衡量Willow的性能。它是目前可在量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的最難的經(jīng)典基準(zhǔn)測(cè)試。Willow在五分鐘內(nèi)完成了一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)計(jì)算，而當(dāng)前最快的超算之一Frontier完成同樣計(jì)算需要10萬億億年。這一成果進(jìn)一步體現(xiàn)了量子系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的巨大計(jì)算優(yōu)勢(shì)。”

王哲輝補(bǔ)充說：“Willow實(shí)現(xiàn)了隨著比特?cái)?shù)的增加，錯(cuò)誤率反而指數(shù)級(jí)下降。谷歌測(cè)試了從3×3、5×5到7×7不同大小的量子比特網(wǎng)格。這是超導(dǎo)量子系統(tǒng)上實(shí)時(shí)糾錯(cuò)的首次成功案例之一，提升了量子計(jì)算機(jī)的可靠性。”

據(jù)頭豹研究院報(bào)告，量子計(jì)算可分為量子比特、量子門、量子算法、量子糾錯(cuò)、量子通信、量子仿真和量子編碼等。由于量子比特極度脆弱，容易受到環(huán)境中的噪聲和干擾，因此量子糾錯(cuò)是量子計(jì)算中重要的一環(huán)。

王哲輝也認(rèn)為：“量子計(jì)算的潛力在于能夠在某些特定任務(wù)上超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，顯著提高計(jì)算速度。但量子比特不可避免地會(huì)受到環(huán)境噪聲的影響而出錯(cuò)，通常在量子計(jì)算中，使用的量子比特越多，發(fā)生的錯(cuò)誤就越多。所以，對(duì)于規(guī)?；牧孔颖忍叵到y(tǒng)，通過量子糾錯(cuò)來保證整個(gè)系統(tǒng)的正確運(yùn)行是必然要求，也是當(dāng)下量子計(jì)算走向?qū)嵱?，能提供真?shí)有用的算力所面臨的主要挑戰(zhàn)。”

中國的“量子計(jì)算”力量

王哲輝認(rèn)為：“一般來說，國際學(xué)術(shù)界設(shè)定了三個(gè)里程碑。第一步是實(shí)現(xiàn)‘量子計(jì)算優(yōu)越性’；第二步是實(shí)現(xiàn)專用量子模擬機(jī)；第三步是在量子糾錯(cuò)的輔助下實(shí)現(xiàn)可編程通用量子計(jì)算機(jī)。”

頭豹研究院報(bào)告顯示，2020年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、陸朝陽教授組成的研究小組在76個(gè)光子量子計(jì)算原型機(jī)上完成了“高斯玻色采樣”計(jì)算，計(jì)算速度要比超級(jí)計(jì)算機(jī)快100萬億倍，從而實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

2021年，中國可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”問世。

本源量子方面向《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者提供的資料顯示，本源量子已向海外首次銷售中國自主量子算力。向海外銷售的中國自主量子算力為中國第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”。

在量子計(jì)算機(jī)方面，國盾量子參與“巢湖明月”超量融合計(jì)算中心項(xiàng)目、協(xié)助中電信量子集團(tuán)構(gòu)建“超算-量子計(jì)算”混合計(jì)算架構(gòu)體系，探索“超量融合”技術(shù)發(fā)展等。

頭豹研究院認(rèn)為：“通過中美量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，美國在量子計(jì)算領(lǐng)域的科研基礎(chǔ)、政府活動(dòng)、私營企業(yè)參與度和技術(shù)成果上均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。中國在部分領(lǐng)域有所進(jìn)步，但在整體上仍需加強(qiáng)。未來隨著基礎(chǔ)研究提升、企業(yè)創(chuàng)新能力增強(qiáng)，中國量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模在世界占比有望從2023年的15.1%上升至2028年的17.2%。”

產(chǎn)業(yè)還是早期階段

王哲輝向記者表示：“我們始終強(qiáng)調(diào)，量子計(jì)算前途光明，但目前產(chǎn)業(yè)還是早期的階段。”

王哲輝說：“從節(jié)奏上看，預(yù)計(jì)未來3年至5年，實(shí)現(xiàn)數(shù)百至上千個(gè)量子比特的相干操縱，解決量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等問題，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子糾錯(cuò)；未來10年至15年，在量子糾錯(cuò)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)具備基本功能的通用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，探索密碼分析、大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用。概言之，目前依舊處于量子計(jì)算早期發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化初期階段，距離商業(yè)化還有很長的路要走，需產(chǎn)學(xué)研界的長期努力。”

量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈方面，據(jù)頭豹研究院報(bào)告，量子計(jì)算行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上游為環(huán)境與測(cè)控部分，主要包括量子比特測(cè)控系統(tǒng)（測(cè)控系統(tǒng)整機(jī)、低溫微波器件、線纜、激光器和探測(cè)器）、量子比特環(huán)境（GM/脈沖管制冷機(jī)、稀釋制冷機(jī)、真空系統(tǒng)）、芯片（設(shè)備與加工制造）、其他（材料）；產(chǎn)業(yè)鏈中游為硬件整機(jī)制造與軟件，主要包含整機(jī)制造（超導(dǎo)、離子阱、光量子、中性原子、半導(dǎo)體和其他）和系統(tǒng)與應(yīng)用軟件開發(fā)；產(chǎn)業(yè)鏈下游為運(yùn)營和應(yīng)用環(huán)節(jié)，主要包含云平臺(tái)以及行業(yè)應(yīng)用。

頭豹研究院行業(yè)分析師馬天奇告訴《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者：“制冷機(jī)是環(huán)境實(shí)現(xiàn)核心裝備。隨著量子計(jì)算比特?cái)?shù)量規(guī)模和操控精度的進(jìn)一步提升，環(huán)境將面臨更高的要求。稀釋制冷機(jī)能夠支持?jǐn)?shù)千比特量級(jí)的布線和低溫制冷，是量子計(jì)算的核心裝備（主要用于超導(dǎo)和硅半導(dǎo)體路線）。”

稀釋制冷機(jī)，正是構(gòu)建超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵核心設(shè)備，其用來為超導(dǎo)量子計(jì)算芯片提供接近絕對(duì)零度的超低溫環(huán)境。

王哲輝介紹：“近年來包括國盾量子在內(nèi)的國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)依靠自主研發(fā)，國產(chǎn)稀釋制冷機(jī)技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。”

據(jù)了解，這幾年國盾量子在量子計(jì)算領(lǐng)域，主要是攻關(guān)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的核心器件，包括室溫電子學(xué)系統(tǒng)、稀釋制冷機(jī)等，也提供量子計(jì)算云平臺(tái)等相關(guān)服務(wù)。

本源量子則表示，其為中國目前交付超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)整機(jī)數(shù)量最多的公司，擁有國內(nèi)唯一一條自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造鏈。

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