量子计算的特点

21世纪经济报道记者骆轶琪 广州报道

无论从产业发展还是投融资视角看，全球的量子计算都处在竞速发展态势中。

中国信通院发布的《量子信息技术发展与应用研究报告（2022年）》指出，量子计算是迄今已知的，可以提供与当今计算机相比，运算处理能力指数级加速的唯一计算模型。

在此前召开的中央经济工作会议中，也提出加快对量子计算等前沿技术研发和应用推广。

近两年来，量子信息领域投融资呈现爆发式增长趋势，2020年和2021年投资金额分别达7亿美元和14亿美元，超过2010-2019共十年的总和。市场投资高度集中在量子计算领域，其中又以量子计算系统硬件制造企业最受追捧。

身处其中的公司在积极推进硬件和生态搭建进程。近日，量旋科技发布重点布局的超导量子计算体系产品，包括超导量子芯片少微、超导芯片EDA软件天乙和超导量子测控系统织女星等。

受访时量旋科技创始人&CEO项金根介绍，量子计算将应用在经典计算能力不够的场景中，目前预计可以应用在三大方向。量子计算的相关软硬件也在同步推进，以期逐步完善生态建设。

当然行业依然处在量子计算的早期发展阶段。信通院认为，量子计算机研发已经成为全球主要国家在前沿科技领域攻关突破的重点方向之一，大规模可容错通用量子计算机仍是需要长期探索和努力的目标，量子计算领域的发展与竞争也将是一场科技马拉松。

量子计算持续竞合

当前阶段，量子计算正处在从硬件到软件和应用生态不断探索的发展态势中，硬件是基础，软件生态是落地拓维的关键。

信通院认为，量子计算硬件技术主要分为两大类：一类是以超导和硅半导体为代表的人造粒子路线，另一类是以离子阱、光量子和中性原子为代表的天然粒子路线。量子计算硬件研发目前处于各种技术路线并行发展和开放竞争阶段。

其中，超导量子计算路线技术突破较快，以巨头IBM为代表。第三方机构光子盒指出，IBM公司引领着全球超导量子计算的技术发展，可以预见，超导路线在IBM的带领下，未来3年仍将持续领跑其他技术路线，但同时，该技术路线仍有很多困难要克服，更远的将来是否会继续保持领先地位仍未可知。

从产业链角度看，上游硬件环节中，量子芯片的市场规模相对高。据介绍，此次量旋科技发布的量子芯片“少微”，是一款标准化、量产型的高性能量子芯片，具有高Qi值、长比特寿命、稳定性高等特点。

量旋科技CTO孟铁军表示，量旋科技在超导量子芯片方面已经完成了从芯片设计、制造、封装、测试到芯片产品交付的全流程覆盖，拥有专用的量子芯片生产线。同时发布设计自动化软件“天乙”，这是一款基于Web端的量子芯片EDA软件。

项金根向21世纪经济报道记者表示，量子芯片与半导体芯片有着很大不同。其中最大的不同在于，量子芯片本质是模拟性质的芯片，半导体芯片则是数字芯片。当中用到的元器件有较大差别，此外真实的数据处理信号区别也很大。

“最大差别还是在于元器件。举例来说，经典芯片中的大部分元器件是晶体管（如二极管、三极管、电容、电阻等）；超导芯片最主要的核心部件是一些超导线路，其中有电容、电感，核心关键部件是约瑟夫森结，这是半导体中没有的。”他进一步指出，量子芯片上的元器件、工作原理、信号等都与半导体芯片千差万别。

从具体计算过程来看，项金根介绍，半导体芯片或者典型计算芯片类型CPU，上面的真实物理承载是电子晶体管，由这些晶体管组成的逻辑运算门，比如乘法器、多媒体器件等执行运算。而超导量子芯片的经典比特0和1反而是虚的、由电压组成，当电路信号、电压信号，流过逻辑门后，电压发生变化，就实现了计算。“这个角度看，超导芯片和半导体芯片有很大差异。超导芯片最主要集成的是比特，而不是运算的逻辑门。”他续称。

至于自建量子芯片产线的原因，项金根指出，当前量子芯片还没有达到半导体芯片已经实现可稳定量产的状态。“现在量子芯片在快速迭代过程中，每代产品有很大差别，在研发过程中会有很大改进，这倒逼我们要有自己的芯片生产线和生产中心，那么任何芯片改动都可以很快把硬件产品制造出来。有了自己的芯片，芯片产品也可以做到很快响应销售，根据客户需求快速生产。”

也正因为当前所处的产业阶段，量子芯片实际上距离半导体芯片面临的摩尔定律走向失效类似情形还很远。

项金根告诉记者，当前工艺技术还不是量子芯片面临的主要问题，关键其实在于工艺稳定性，其次重要的是比特门保真度。“比特门保真度提高，需要工艺同步提升，这不是指良品率，而是比如噪声隔绝、缺陷降低等方面，这是一个综合的工程型问题。”

应用生态场景探路

在硬件能力构建过程中，软件生态的重要性不可忽视。实际上这更会决定硬件产品走到多远。

项金根在受访时分析，在经典计算机已经做到很好的行业，量子计算机不太会参与，当然可能会在经典计算机算力不太够的地方、亦或是解决不了问题的时候发挥作用。

应用场景主要分为三类方向：与微观世界相关的计算、人工智能、优化问题的计算。

具体看，微观世界相关的计算，包括药物分子性质的计算、模拟、仿真，新化工化合物合成，催化剂研究等。当然这里是指应用方向，而不能说完全已经落地。

至于人工智能中的人们方向深度学习、神经网络等，其框架的本质，是与矩阵计算相关，而量子力学门电子模型也是用矩阵计算，二者应用十分契合。因此判断量子计算今后可以在人工智能方面发挥很大作用。

优化问题则包括生活中广泛存在的计算需求，如金融科技领域做投资组合的收益计算，期权和衍生品定价，甚至风险控制模型等。

“需要提醒的是，不同应用需要对应不同的量子计算规模，只有等量子计算机的量子比特达到一定规模后，应用才能真正落地到商业场景中。”项金根补充道，当前量子比特还比较少，因此应用的场景多以科研探索类为主。

前述报告中，信通院也指出，量子计算应用需要直面与经典计算的算力竞争，只有明确展示量子优越性，量子计算应用案例的价值才能够覆盖其研制、开发和应用的高额成本。换言之，量子计算应用关注的不止是能用在哪里，而更是能在哪里明确体现出指数级（至少是多项式级）计算加速优势。根据现有公开信息可以审慎地认为，量子计算应用仍处于原理性与可行性验证的探索阶段，尚无实质性突破和里程碑式发展。

因此在商业化探路进程中，量旋科技还推出了小型量子计算机，可以面向学校、科技发烧友等群体推进。

据介绍，量旋科技此次推出新一代便携式核磁量子计算机——双子座Mini pro和三角座Mini。相比前代产品，双子座Mini pro在保持产品尺寸和重量不变的情况下，大幅提高了量子计算性能，特别是量子门保真度，将单比特门保真度从99%提升到99.6%，双比特门保真度从98%提升到99.3%。

当然这里的小型量子计算机并非远期目标中提到的通用量子计算机。项金根介绍，真正的通用量子计算机多指可以容错、可编程的产品类型，目前行业预估会在2030年左右推出。当前行业还处在中等规模量子计算（简称NISQ）时期，与大众期望可能存在一定差距。

“我们推出便携式核磁量子计算机的初衷，是让每个学生都能接触到量子计算教育，让量子计算机不再仅仅存在于科幻中，而是成为人人都能拥有的机器。”他续称，

这些都需要通过生态建设串联起来。项金根介绍，对此量旋科技主要在软件方面进行筹措，此次公司发布了量子软件编程框架SpinQit，这可以公司搭建的量子计算云平台金牛座互相支撑，形成生态共建。

“软件生态建设需要时间。除了软件开发之外，我们也在积极把SpinQit和硬件设备结合起来，小型量子计算机设备也可以通过软件操作，是生态中的一环，希望把更多客户链接到我们的软件生态中。”他续称。

从长期角度看，项金根分析，要实现量子计算机发展的远期目标，还需要进一步的技术突破。这其中要面对的最终瓶颈是可容错的量子纠错，实现容错计算后，量子计算机才能真正应用在各行各业。之前还需突破的小瓶颈，则包括如比特数更多、保真度更高等，超导量子计算机体积较大，还需要进一步推动小型化。

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