芯耀
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作者：豐寧
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(shè)計和制造的半導(dǎo)體芯片，集成有大量的量子邏輯單元，可以執(zhí)行量子信息處理過程，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(tǒng)計算機(jī)的算力極限。此前，黃仁勛的一則發(fā)言引起業(yè)內(nèi)熱議。
?01黃仁勛一句話，讓量子概念股暴跌
量子計算有望解決當(dāng)前處理器難以解決的問題，如解碼加密、生成隨機(jī)數(shù)和大規(guī)模模擬。幾十年來，技術(shù)人員一直對其進(jìn)行研究，包括英偉達(dá)、微軟和IBM在內(nèi)的公司，以及初創(chuàng)公司和大學(xué)的研究人員。在被問及英偉達(dá)的量子運(yùn)算策略時，黃仁勛表示，英偉達(dá)可以制造量子電腦芯片所需的傳統(tǒng)芯片，但這些電腦需要的量子位元（qubits）數(shù)量，將是目前的100萬倍。他并預(yù)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)市場恐慌，更導(dǎo)致多家量子運(yùn)算公司股價重挫。其中，量子運(yùn)算芯片開發(fā)商Rigetti Computing跌45.41%、量子運(yùn)算產(chǎn)品商Quantum Computing跌43.34%、量子運(yùn)算軟硬件商IonQ跌39%、量子運(yùn)算系統(tǒng)商D-Wave在當(dāng)周周三暴跌36.13%?；仡?024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(rèn)為是科技領(lǐng)域的下一個前沿高地，如今英偉達(dá)的一句話令業(yè)內(nèi)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(xiàn)廣泛應(yīng)用是否仍有一段難以逾越的距離？Meta Platforms首席執(zhí)行官扎克伯格也警告稱，量子計算機(jī)的應(yīng)用仍需數(shù)年時間。
受此影響，量子計算概念股遭遇集體拋售?！拔也⒉皇橇孔佑嬎惴矫娴膶＜遥业睦斫馐?，這離成為一個非常有用的范式還有很長的路要走，”他在周五的一個播客上表示，并補(bǔ)充道，許多人認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)可能需要“十年以上的時間”。這番言論印證了黃仁勛最近的評論。
然而針對黃仁勛說法，D-Wave執(zhí)行長Alan Baratz在接受《CNBC》采訪時表示“完全錯誤”，強(qiáng)調(diào)D-Wave的量子電腦已在商業(yè)應(yīng)用中，并非遙不可及。過去幾年，量子芯片一直備受關(guān)注。不少公司和科研機(jī)構(gòu)積極投入研發(fā)，探索其潛力。市場對量子芯片前景頗為看好，吸引了各方資本與行業(yè)力量。在這樣一個熱門賽道上，有人唱衰，同時也有人熱烈追捧。谷歌便是極具代表性的企業(yè)之一。
?02一個月內(nèi)，兩款105比特超導(dǎo)量子芯片問世！
2024年最后一個月，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(dǎo)量子芯片。
谷歌量子芯片Willow，碾壓超算
根據(jù)谷歌的說法，即使是如今最快的超級計算機(jī)，也需要花費(fèi)“10的25次方”年的時間才能完成這項(xiàng)計算——這個數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了宇宙的年齡。隨著芯片上量子比特數(shù)量的增加，這些錯誤累積起來，芯片的性能可能并不比傳統(tǒng)計算機(jī)芯片好。因此，自 20 世紀(jì) 90 年代以來，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)起來的方法，這樣隨著量子比特數(shù)量的增加，錯誤率就會下降。該公司還表示，它可以實(shí)時糾正錯誤，這是讓量子機(jī)器實(shí)用化的關(guān)鍵一步。“我們已經(jīng)過了盈虧平衡點(diǎn)，”谷歌量子人工智能部門負(fù)責(zé)人 Hartmut Neven 在接受采訪時表示。
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(tuán)隊(duì)在 arXiv 平臺上發(fā)布我國研制的具備 105 個量子比特的超導(dǎo)量子計算機(jī)“祖沖之三號”的相關(guān)成果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jié)果中采用 72 個量子比特）6 個數(shù)量級，各項(xiàng)性能指標(biāo)也與谷歌剛發(fā)布的“垂柳”達(dá)到了同一量級，為目前超導(dǎo)量子計算的最強(qiáng)優(yōu)越性。據(jù)介紹，“祖沖之三號”的量子比特數(shù)相比擁有 66 個量子比特的“祖沖之二號”提升至 105 個，從而使其計算能力在理論上有了顯著的拓展，能夠處理更為復(fù)雜的量子計算任務(wù)，為探索更大規(guī)模的量子算法和應(yīng)用提供了可能。同時，其保真度也實(shí)現(xiàn)了提升，“祖沖之二號”單量子比特門保真度約為 99.7%，“祖沖之三號”達(dá)到了 99.90%；“祖沖之二號”雙量子比特門保真度約為 99.2%，“祖沖之三號”提升至 99.62%。據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超導(dǎo)量子團(tuán)隊(duì)正在基于“祖沖之三號”處理器開展相關(guān)工作，計劃在數(shù)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)碼距為 7 的表面碼邏輯比特，并進(jìn)一步將碼距擴(kuò)展到 9 和 11，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子比特的集成和操縱鋪平道路。
?03這些公司和機(jī)構(gòu)，跑馬競賽
除了上述公司和機(jī)構(gòu)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(chǔ)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合作項(xiàng)目，共同推動量子芯片技術(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，同時在量子計算與人工智能的結(jié)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，為特定類型的量子計算應(yīng)用提供了有效的解決方案。
再看國內(nèi)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)用價值的量子計算機(jī)和量子通信設(shè)備，并在量子芯片的設(shè)計、制造和封裝測試等環(huán)節(jié)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。2023年1月31日，中國第一條量子芯片生產(chǎn)線通過央視新聞客戶端首次向公眾亮相。這條產(chǎn)線2022年1月投入運(yùn)營，在這一年的時間里，陸續(xù)導(dǎo)入24臺量子芯片生產(chǎn)相關(guān)的工藝設(shè)備，孵化出了3套自研的量子芯片專用設(shè)備，生產(chǎn)了1500多個批次流片試制的產(chǎn)品，交付了多個批次的量子芯片以及量子放大器等產(chǎn)品。
總的來說，美國和中國在量子芯片領(lǐng)域都展現(xiàn)出了強(qiáng)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，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(jī)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(jī)。歐盟將6臺高性能量子計算機(jī)集成到捷克、法國、德國、意大利、波蘭和西班牙的各個超算中心，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(dǎo)量子計算機(jī)和超級計算機(jī)“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、長三角樞紐蕪湖集群，軟件層面實(shí)現(xiàn)不同算力的弱耦合。合肥先算中心率先在國內(nèi)啟動超量融合中心建設(shè)，即將試點(diǎn)部署真實(shí)量子計算機(jī)。不過，值得注意的是，新技術(shù)唯有投入應(yīng)用，才能實(shí)現(xiàn)其價值。那么，讓我們回到文章開頭探討的話題，備受熱捧的量子技術(shù)，距離實(shí)際應(yīng)用還有多長的路要走？
?04量子應(yīng)用，何時爆發(fā)？
實(shí)用化量子計算機(jī)發(fā)展可分為3個階段。
第一階段，實(shí)現(xiàn)量子計算優(yōu)越性的實(shí)驗(yàn)室階段。
第二階段，尋求在某些特定領(lǐng)域?qū)嵱脙r值的展現(xiàn)。
第三階段，研制可編程的通用量子計算機(jī)?？删幊痰牧孔佑嬎銠C(jī)在多場景下應(yīng)用，量子比特的操縱精度、集成數(shù)量和容錯能力都將大幅提升。
現(xiàn)階段發(fā)展最快的超導(dǎo)量子計算機(jī)正處于第二階段，已經(jīng)在金融、材料科學(xué)、藥物設(shè)計等領(lǐng)域展現(xiàn)廣泛的應(yīng)用前景。
超導(dǎo)量子計算機(jī)“本源悟空”已在特定領(lǐng)域上線多款量子計算真機(jī)應(yīng)用，包括金融領(lǐng)域投資組合優(yōu)化應(yīng)用、生物醫(yī)藥領(lǐng)域分子對接應(yīng)用等。
至于量子應(yīng)用，何時爆發(fā)？有以下兩點(diǎn)影響因素。
首先，技術(shù)成熟度是量子應(yīng)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)取得了顯著的進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，還需要在量子比特穩(wěn)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(dāng)這些技術(shù)難題得到有效解決，量子應(yīng)用才能真正走向成熟，并發(fā)揮出其巨大的潛力。
其次，市場需求也是推動量子應(yīng)用爆發(fā)的重要因素。隨著科技的不斷發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域開始關(guān)注并嘗試應(yīng)用量子技術(shù)。例如，金融、醫(yī)療、物流等行業(yè)都希望通過量子技術(shù)來提高數(shù)據(jù)處理效率、降低運(yùn)營成本、提升服務(wù)質(zhì)量。
然而，目前量子應(yīng)用的市場需求尚未完全釋放，還需要進(jìn)一步的市場教育和引導(dǎo)。只有當(dāng)越來越多的企業(yè)和個人認(rèn)識到量子技術(shù)的價值，并愿意為之買單時，量子應(yīng)用才能真正迎來爆發(fā)式增長。
據(jù)此分析，量子技術(shù)的全面普及可能確實(shí)尚需時日。然而，針對組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定領(lǐng)域的問題，利用量子技術(shù)來指導(dǎo)材料設(shè)計、藥物開發(fā)等工作已經(jīng)起步并取得進(jìn)展。至于構(gòu)建可編程的通用量子計算機(jī)這一目標(biāo)，黃仁勛與扎克伯格的預(yù)測或許較為貼近實(shí)際。
