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揭开“量子计算”的神秘面纱

六棱镜 | 基于知识产权洞察人、企业、资本 2021/06/08 12:34

导语:随着人类探索世界脚步的加快,对计算速度提出了更高的要求。如果将经典计算比作普通快速列车的时代,那么量子计算将使人类进入新计算的高铁时代。

· 量子计算或将成为我国“换道超车”的核心技术之一

2020年10月16日,中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。习近平总书记从不同角度对国内量子科技产业的发展做出了重要部署,突出强调要加强顶层设计和前瞻布局、健全政策支持体系、加快基础研究突破和关键核心技术攻关、培养造就高水平人才队伍、促进产学研协同创新以及各级党委政府的落实,将量子科技产业上升为国家战略。

按照应用领域来划分,量子科技可以分为量子计算、量子通信和量子测量三个大类,其中我国在量子计算技术的研究上处于世界领先水平,这或将成为我国“换道超车”的核心技术之一。

· 量子计算,具有巨大信息携带能力和超强并行处理能力

量子计算是基于量子力学的新型计算方式,利用量子叠加和纠缠等物理特性,以微观粒子构成的量子比特为基本单元,通过量子态的受控演化实现计算处理。随着量子比特数量增加,量子计算算力可呈指数级规模拓展,理论上具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力。

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由于量子比特可以同时处于比特0和比特1的状态,量子门操纵它时,实际上同时操纵了其中的比特0和比特1的状态。而经典计算机中的传统比特位,一位只能编码一个状态。量子计算可以在一个量子位上,操控2个比特位,因此当一个量子计算机同时操控N个量子比特的时候,它实际上能够同时操控2的N次方个状态,这也就不难理解量子计算为何具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力了。

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量子计算的巨大信息携带和超强并行处理能力,将成为未来科技加速发展的“催化剂”,尤其是在医药研发、新材料和人工智能领域有可能产生颠覆性的飞跃式发展。

· 国外量子计算发展情况

从国外情况来看, 谷歌、IBM、英特尔和微软等科技巨头企业近年来大举进军量子计算领域,并且与耶鲁大学、麻省理工学院、加州大学等科研机构联合攻关共性技术,主要集中在超导量子计算领域,目前这些企业已经在超导量子计算领域取得较好成果。如谷歌公司近十年不断加快量子计算领域的研究,表现为专利公开量逐步增多,至2019年9月,谷歌基于53量子比特芯片的量子计算原型机“悬铃木”首次证明了量子优越性,一时间霸占各大媒体头条,量子计算机的发展愈发受到社会各界的重视。

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· 国内量子计算发展情况

从国内高校和科研机构来看,主要有中国科学技术大学、浙江大学、中国科学院、清华大学、南京大学、北京计算科学研究中心等参与量子计算的产业发展,并在相关领域已取得一定成果。其中,中国科学技术大学在该领域的研究处于世界领先水平,该校拥有包括潘建伟和陆朝阳在内的世界顶尖级研究团队。

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2020年12月,潘建伟、陆朝阳团队宣布造出了76个光子的量子计算原型机“九章”,速度比谷歌“悬铃木”快100亿倍。今年5月8日,中国科学技术大学正式对外公布,潘建伟院士团队成功研制出可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”,可操纵62超导量子比特,实现了可编程的二维量子行走,并已在国际权威学术期刊《科学》发表了该研究成果。

在潘建伟和陆朝阳团队今年公开的专利中,其中三篇涉及量子计算技术,分别是 超导量子计算机的架构及信息处理方法 (公开号 CN112613616A )、 混合型量子计算机架构及其执行计算任务的方法 (公开号 CN112862104A )以及集成光量子计算芯片及其制备方法(公开号CN112862103A),表明近期研究的重点领域依然是量子计算。

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从潘建伟院士所申请专利涉及的领域关键词来看,其中超导和量子密钥分发为主要专利布局领域,其中超导技术主要应用于量子计算中。

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从国内企业层面来看, 阿里巴巴、腾讯、百度和华为等也积极参与产业生态建设,纷纷建立相关实验室,阿里与中科大联合发布量子计算云平台,华为宣布了由量子计算模拟器和编程框架组成的云平台。2020年9月,百度、本源量子等企业先后发布了自己的最新量子计算云平台,使普通用户也能通过云技术使用量子计算。

·量子芯片是量子计算的核心硬件

经典计算机的核心是中央处理器(简称CPU),那么量子计算机的核心就是量子芯片。所谓量子芯片,是将量子线路集成于基片上以承载量子信息处理的功能的集成电路。从量子芯片研究的物理机制上看,主要存在超导、电子自旋、光子、金刚石中的氮空位中心和离子阱等五种量子比特芯片。其中超导量子芯片经历了提高量子比特相干时间的电路结构创新之后,近几年实现了可扩展性的系列创新,成为量子芯片中发展最快的技术。

从全球量子芯片领域的发明专利公开量来看,截至到2021年4月底,全球量子芯片领域的发明专利公开量为5459件,近五年复合增速为22.4%。可见全球对量子芯片领域的研发热情高涨,近些年,国内外科技巨头企业和科研机构纷纷加入量子芯片的研究。

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从申请人地域来看,量子芯片领域发明专利公开量最多的地域是美国,为2610件,其次是日本,为865件,中国大陆量子芯片领域的发明专利公开量为631件,全球排名第三位,占全球发明专利公开量的11.6%。

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从全球创新企业数量看, 截至到2021年4月底,全球拥有的创新企业数量共1326家,近五年复合增速为9.5%;从全球创新企业的发明专利公开量排名来看,IBM公司的发明专利公开量为288件,全球排名第一;排在第二位至第十位的公司依次是英特尔公司103件,谷歌公司103件,日本NTT公司98件,NEC公司93件,华为公司85件,三星公司78件,富士通公司75件,英飞朗公司66件,Luxtera公司61件;可见量子芯片领域的研究成果依然集中于经典芯片的科技巨头手中,我国大陆上榜企业仅一家,为华为技术有限公司。

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从全球创新人才数量看, 全球拥有创新人才的数量共9346人,近五年复合增速为12.5%。其中,全球创新人才排在前三位的国家分别是,美国1881人,日本711人,中国大陆621人。

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从全球量子芯片的发展来看, 虽然量子芯片的研究还不像经典芯片那么成规模,但是从专利公开量、创新企业数量、创新人才数量的近五年复合增速来看,近些年对量子芯片的研究增速迅猛,从增速数据足以感知全球对量子芯片的研发热情。人类即将在量子计算领域获得众多突破,量子科技不久就会在破译密码、搜索问题、药品研发、人工智能等领域给我们的生活带来方便,通用量子计算机也终将问世。

从中国量子芯片的发展来看, 虽然我国量子芯片领域的发明公开量和人才数量不敌美国和日本,但是从世界顶尖级量子科学家和所获得的研究成果来看,我国拥有包括中国科学技术大学的郭光灿院士、郭国平教授、郭建伟院士、陆朝阳教授、曾任 北京量子信息科学研究院 院长的薛其坤院士等顶尖人才。这些宝贵的人才资源将促使我国实现量子芯片研究的跨越式发展。

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