量子芯片技術重大突破 光量子路線中國有望超車

近日，谷歌發佈新一代量子計算芯片“Willow”，其在糾錯能力和性能表現上實現了量子計算領域的重大突破。

緊跟其後，由中國科學家研製的105個量子比特的“祖沖之三號”超導量子計算機也在arXiv線上發表，從實驗數據來看，“祖沖之三號”內置處理器與Willow性能大致相當。

實際上，在量子科技領域，中美同屬第一梯隊。中國在政策引導、技術研究均走在前列。

雖然通用量子計算商業化尚遠，但有業內專家對21世紀經濟報道記者表示，在特定領域商業場景，可能會在未來5~10年內出現實用化的特定解決方案。

特定領域商業化加速

衆所周知，由於先進製程越來越接近物理極限，摩爾定律明顯放緩，除了側重封裝技術的More than Moore路徑被產業愈加重視外，量子芯片成爲下一代信息處理技術的重要方向。

量子芯片的優勢，在於能夠同時存儲和處理多個狀態的信息，具有強大的並行計算能力，而且能耗僅爲硅基芯片的千分之一甚至更低，在對功耗要求嚴格的移動設備和物聯網設備中應用潛力巨大。不過，量子芯片在技術穩定和通用計算上還面臨不少難題。

此次谷歌在官方博客中介紹，Willow可以在使用更多量子比特（擁有105個物理量子比特）的情況下，成倍地減少錯誤，從而破解了近30年來一直在研究的量子糾錯挑戰。

而且，Willow能夠在不到5分鐘的時間完成一個“標準基準計算”，如果用當今最快的超級計算機，完成這項計算需要“10的25次方”年的時間，比宇宙的年齡還長。

什麼是量子計算？它本質上是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式，可以突破經典算力瓶頸。

中國科學院計算技術研究所工程師劉延嘉在媒體發文認爲，“從信息存儲角度看，經典計算基於經典物理學，信息以二進制的比特存儲，每個比特就像一個普通的開關，非‘0’即‘1’。而量子計算中的量子比特處於疊加態，兩個量子比特可同時代表4種狀態，隨着量子比特數量增多，它表示的狀態數量呈指數級增長，爲處理海量信息提供了可能。”

劉延嘉用“走迷宮”來通俗解釋這種量子計算的強大能力，他表示，想要在一個大迷宮中找到出口，如果藉助經典計算機，它會逐個嘗試不同的路徑，直到找到出口。而量子計算機可同時走遍迷宮的所有路徑，更快速找到出口，這種能力全面碾壓經典計算機。

以往量子計算的基礎計算單元是量子比特，利用疊加態來進行計算，對環境擾動極其敏感。通常量子比特越多，發生的錯誤就越多。而谷歌的Willow正是在這一問題上取得了重大進展，基於可擴展的方形網格，邏輯量子比特數量越多，錯誤率下降越快。

不過，儘管谷歌的“Willow”取得了重要突破，但距離量子計算機的大規模商業化仍有一段距離。

上海交通大學無錫光子芯片研究院相關專家對記者表示，“首先是硬件規模化與穩定性，當前的量子芯片仍侷限於數百個量子比特，而解決複雜實際問題可能需要上百萬的糾錯量子比特；其次，有運行環境的限制，谷歌的‘Willow’是超導量子芯片，需要在毫開爾文的低溫環境下運行，設備體積龐大且成本高昂，限制了其在日常場景中的部署；最後，軟件生態與應用開發商業化需要與具體應用場景的結合，而目前的量子算法尚未完全適配實際需求。”

上述專家判斷，量子計算的大規模商業化可能還需要10-20年時間。但在特定領域（如量子化學模擬、加密破解），可能會在未來5~10年內出現實用化的特定解決方案。

光量子路線中國超車

量子科技憑藉強大的計算與商用潛力，市場發展前景樂觀。

根據ICVTA&K的預測，全球2023年量子產業的總體市場規模或達到72.4億美元，到2030年，全球量子產業市場規模或可達到2391億美元，複合年增長率高達65%。

國海證券研報稱，量子計算目前主要分爲超導、光量子、離子阱、半導體等路線，我國在超導和光量子領域有優勢，均已實現量子優越性。其中超導是最爲成熟的技術之一，谷歌的Willow便是超導路線的產物。

對此，前述無錫光子芯片研究院專家對記者表示，相比離子阱、超導等其他路徑，光量子路線是唯一沒有明顯短板的方向，具備可室溫運行、芯片化和兼容人工智能的優勢。

其使用光子作爲量子信息的載體，通過光路設計實現量子計算。同時，光量子芯片的製造可使用成熟的CMOS工藝，無需依賴國外高端光刻機和製程工藝，是實現彎道超車的重要機遇。

雖然如此，在大規模應用上，各種路線面臨的問題不盡相同，並且都有不小挑戰。

比如超導量子路線依賴低至毫開爾文的製冷環境，這種極端條件增加了系統成本和工程難度；離子阱則需要高度穩定的激光系統，製造工藝的不成熟導致生產成本高昂且良品率低；光量子路徑面臨國內中試平臺缺位、工藝技術壁壘高、良品率驗證低、產能轉化不足、國外平臺流片週期長等瓶頸。

值得一提的是，今年9月，上海交大無錫光子芯片研究院光子芯片中試線建成啓用，或將解決上述難題。記者獲悉，該中試線總面積3.5萬平方米，總投入6.5億元，具有98臺CMOS工藝設備和CIM芯片智能製造系統，設備配套齊全，形成自主可控的工藝閉環。預計2025年第一季度，將發佈PDK工藝設計包。

從量子計算產業鏈來看，主要包括上游的環境設備、測控系統、芯片等產品，中游的量子計算機整機、系統軟件、應用軟件和量子計算雲平臺，下游的產業應用玩家。A股量子產業相關玩家則集中在量子計算、量子通信和量子加密領域。其中國盾量子、科大國創、科華數據、國芯科技所處位置相對頭部。

值得注意的是，由於目前產業還處於從前沿研究嚮應用探索落地突破的關鍵階段。以量子科技爲主營業務的公司營收表現尚弱。

國盾量子管理層在投資者交流中坦言，相較傳統行業，量子計算產業上市公司數量和規模都比較少，量子產業處於非常早期階段，尤其是量子計算，目前整體還處於探索階段，實現通用量子計算需要較長曆程。

回到之前的問題，雖然“Willow”和“祖沖之三號”表現卓越，但解決的還是“隨機電路採樣”這一特定問題，尚無法爲現實問題提供真實有用的算力。前述國盾量子相關人士認爲，下一步產業重點任務之一就是突破量子糾錯技術，以此才能讓量子計算走向專用和通用。

國盾量子公司高層強調，“我們離實現‘有用’的量子計算更進了一步，但仍需大量投入。”