我國(guó)量子計(jì)算機(jī)比谷歌快100萬(wàn)倍 2020量子計(jì)算機(jī)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及投資前景風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

• 2020年9月9日 WuYaNan來(lái)源：新浪 569 32
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隨著科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展越來(lái)越快，我國(guó)對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的研究也取得重大突破!根據(jù)中國(guó)科技大學(xué)消息，近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士、西湖大學(xué)創(chuàng)校校董潘建偉教授在公開課演講上向公眾透露光量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展：已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光量子計(jì)算性能超過(guò)谷歌 53 比1

隨著科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展越來(lái)越快，我國(guó)對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的研究也取得重大突破!根據(jù)中國(guó)科技大學(xué)消息，近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士、西湖大學(xué)創(chuàng)校校董潘建偉教授在公開課演講上向公眾透露光量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展：已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光量子計(jì)算性能超過(guò)谷歌 53 比特量子計(jì)算機(jī)的 100 萬(wàn)倍。量子力學(xué)通過(guò)百余年的發(fā)展，能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的復(fù)雜難題，比如，量子計(jì)算的計(jì)算能力隨著可操縱的量子比特?cái)?shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)。利用萬(wàn)億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解300位的大數(shù)需要15萬(wàn)年，而利用萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)只需1秒。

量子計(jì)算機(jī)是什么?

量子計(jì)算機(jī)(quantum computer)，是一種全新的基于量子理論的計(jì)算機(jī)，遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究。量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用的是量子比特，可以同時(shí)處在多個(gè)狀態(tài)，而不像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣只能處于0或1的二進(jìn)制狀態(tài)。

量子計(jì)算機(jī)，早先由理查德?費(fèi)曼提出，一開始是從物理現(xiàn)象的模擬而來(lái)的。如果用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬量子現(xiàn)象，則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少。量子計(jì)算機(jī)的概念從此誕生。

2020量子計(jì)算機(jī)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及投資前景風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》對(duì)攻克掌握核心技術(shù)方面作了專門部署。結(jié)合重大項(xiàng)目，對(duì)圍繞人工智能方面的計(jì)劃項(xiàng)目部署進(jìn)行了整體安排，形成“1+N”的人工智能項(xiàng)目群，包括大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能制造、機(jī)器人、量子計(jì)算、量子通信、腦科學(xué)等等。新一代人工智能重大科技項(xiàng)目，將和這些已經(jīng)安排的項(xiàng)目任務(wù)，共同形成了國(guó)家人工智能研發(fā)的總體布局。

中國(guó)不似美歐等國(guó)早早認(rèn)識(shí)和研究了量子技術(shù)，在量子計(jì)算機(jī)方面的研究起步較晚?？萍疾?011年啟動(dòng)的“十二五”導(dǎo)向性重大項(xiàng)目(超級(jí)“973”)，要求在2015年實(shí)現(xiàn)比特?cái)?shù)3的量子芯片。2016年啟動(dòng)“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“半導(dǎo)體量子芯片研究”，要求2020年前獲得品質(zhì)因子1000、比特?cái)?shù)6的量子芯片。

2018年2月中科院/中科大團(tuán)隊(duì)發(fā)布量子計(jì)算云平臺(tái)最新成果-中科院聯(lián)合阿里云打造的11量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算的云平臺(tái)，這是繼IBM后全球第二家向公眾提供10量子比特以上超導(dǎo)量子計(jì)算云服務(wù)的系統(tǒng)。平臺(tái)已成功上線32比特量子虛擬機(jī)，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了64量子比特的量子電路模擬打破IBMQ的56位仿真記錄。

科技興則民族興，科技強(qiáng)則國(guó)家強(qiáng)!在經(jīng)歷過(guò)萬(wàn)千磨難之后，中國(guó)企業(yè)、學(xué)校和研究機(jī)構(gòu)正在積極投身于技術(shù)改革和革新中，推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步，造福國(guó)家的百姓，助力中國(guó)的崛起。

根據(jù)中研普華研究院《2018-2023年中國(guó)量子計(jì)算機(jī)行業(yè)市場(chǎng)深度調(diào)研與投資風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)報(bào)告》顯示：

中國(guó)量子計(jì)算機(jī)相關(guān)研究調(diào)研

第一節(jié) 可調(diào)超導(dǎo)量子比特調(diào)研分析

一、超導(dǎo)量子比特介紹

超導(dǎo)量子比特是以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)，約瑟夫森結(jié)(Josephson junction)為基本載體的量子兩能級(jí)系統(tǒng)。超導(dǎo)量子比特具有可與傳統(tǒng)的微電子加工技術(shù)兼容、可控性、低損耗以及可擴(kuò)展性等方面的優(yōu)勢(shì)，所以這是一種很有前景的實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的方案之一。對(duì)比經(jīng)典比特之間的邏輯運(yùn)算和計(jì)算處理，我們根據(jù)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的物理載體必須具備第三個(gè)條件可知，要實(shí)現(xiàn)可控的量子比特之間的相干性以及退相干時(shí)間，這些都是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)必要條件。

注：實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的物理載體必須具備的條件：

(1)該量子系統(tǒng)是一個(gè)能很好定義的量子系統(tǒng)，量子比特必須是一個(gè)具有兩態(tài)的量子系統(tǒng)，例如量子點(diǎn)、離子講和超導(dǎo)量子比特;

(2)能精確的初始化到某一個(gè)己知的狀態(tài)上，如基態(tài)、激發(fā)態(tài);

(3)需要在量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間要有長(zhǎng)的退相干時(shí)間，以保證量子計(jì)算機(jī)的操作;

(4)能夠控制量子比特之間的耦合;

(5)能夠正確地測(cè)量到量子比特的所處狀態(tài)。

二、超導(dǎo)量子比特和腔的耦合

在2004年Blais將腔量子電動(dòng)力學(xué)(Cavity quantum electrodynamics，Cavity QED)應(yīng)用到超導(dǎo)電路中，提出了電路量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，隨后傳輸子量子比特與三維腔耦合體系也應(yīng)運(yùn)而生。

Cavity QED通過(guò)高品質(zhì)因數(shù)Q的諧振腔來(lái)研究原子和腔內(nèi)光子之間的相互作用。外部噪聲能夠影響二能級(jí)系統(tǒng)的退相干以及影響原子和光子的相互作用過(guò)程，在表征量子比持參數(shù)過(guò)程中，可以通過(guò)高品質(zhì)因數(shù)的諧振器隔離外部的電磁噪聲并提髙原子的量子相干性。又因?yàn)樘幱诩ぐl(fā)態(tài)的原子由激發(fā)態(tài)退化到基態(tài)時(shí)恰好能夠釋放一個(gè)光子，所以能夠很好的研究光子的量子特性等。

腔量子電動(dòng)力學(xué)電路為固態(tài)量子計(jì)算提供了新的方式，并為研究超導(dǎo)量子比特和量子態(tài)測(cè)量提供了新的途徑。腔量子電動(dòng)力學(xué)的結(jié)構(gòu)可以有效的隔離量子比特與外界的電磁環(huán)境極大地降低了外界電磁干擾，并且可以利用腔實(shí)現(xiàn)多量子比特耦合。諧振腔與量子比特耦合形成二能級(jí)系統(tǒng)。

圖表：腔QED耦合示意

資料來(lái)源：中研普華產(chǎn)業(yè)研究院

兩能級(jí)原子與諧振腔發(fā)生相干作用，其耦合強(qiáng)度為g，K為光子的衰減速率，γ是原子的衰減速率，1/Ttransit則是描述原子離開腔的頻率。為了達(dá)到強(qiáng)耦合條件，使得g>k，γ，1/Ttransit。

第二節(jié) 集合運(yùn)算在量子計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)調(diào)研分析

一、量子計(jì)算的基本原理

1、量子比特

比特(bit)在經(jīng)典計(jì)算機(jī)和信息論中是最基本的概念之一，一個(gè)比特代表了一個(gè)基本單位的信息量。經(jīng)典的比特只有兩個(gè)取值即0和1，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，分別對(duì)應(yīng)著較高和較低的電勢(shì)，也就是說(shuō)比特是對(duì)這種物理狀態(tài)的數(shù)學(xué)抽象。和經(jīng)典比特一樣，量子比特也有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，量子比特的兩個(gè)可能的狀態(tài)是丨0>和丨1>。它們分別對(duì)應(yīng)著經(jīng)典信息論中的比特0和1，其中記號(hào)“丨>”和“<丨”稱為記號(hào)，在量子理論中它們表示的是一個(gè)量子狀態(tài)。與經(jīng)典信息論中的比特相比，量子比特除了可以處在“丨0>”“<1丨”之外，也可以處在“丨0>”和“<1丨”的一個(gè)線性組合態(tài)上即：丨Ψ>=α丨0>+β丨1>。這里的α和β是復(fù)數(shù)。也就是說(shuō)，代表量子比特的一個(gè)量子狀態(tài)是處在二維復(fù)向量空間中的一個(gè)向量。這里的丨0〉態(tài)和丨1〉態(tài)被稱為計(jì)算基態(tài)，共同張起了一個(gè)二維復(fù)向量空間。丨α丨2是對(duì)量子狀態(tài)丨Ψ〉進(jìn)行測(cè)量得到丨0〉態(tài)的概率，同樣，丨β丨2是對(duì)量子狀態(tài)丨Ψ〉進(jìn)行測(cè)量得到丨1〉的概率，因?yàn)楦怕屎涂偸堑扔?的，所以丨α丨2+丨β丨2=1。

一個(gè)量子比特到底能包含多少信息?隨著α和β的取值不同量子比特丨Ψ〉可以是二維復(fù)向量空間中連續(xù)的向量，因此原則上一個(gè)量子比特可以把我們目前所有的二進(jìn)制信息儲(chǔ)存在其無(wú)限的二進(jìn)制展開式中。由于量子比特被測(cè)量時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的特殊性質(zhì)，這個(gè)結(jié)論只是一個(gè)誤導(dǎo)，即：當(dāng)量子比特被測(cè)量時(shí)，只能得到非0即1的結(jié)果。這種在量子世界中被稱為量子坍縮的特殊現(xiàn)象，使得加載到量子態(tài)上的信息在測(cè)量時(shí)被損失掉了。也就說(shuō)當(dāng)我們要想知道這個(gè)量子比特所攜帶的信息量時(shí)，就必須得對(duì)量子比特進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)量子力學(xué)理論，而一次測(cè)量只能得到一個(gè)比特的信息量，那么其他的信息在測(cè)量時(shí)就被損失掉了。事實(shí)上只有對(duì)無(wú)窮多的完全相同的量子比特進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)量才能得到上述的α和β值，即獲得量子比特丨Ψ〉中的全部信息量。

量子比特不僅僅只是單量子比特，更一般地是由n個(gè)單量子比特組成的一個(gè)系統(tǒng)。這里我們只對(duì)雙量子比特進(jìn)行介紹。在經(jīng)典信息論里，兩個(gè)比特有4種可能的狀態(tài)即：00，01，10和11。與之對(duì)應(yīng)，一個(gè)雙量子比特也應(yīng)該有4個(gè)基態(tài)即：丨00>丨01>丨10>丨11>。當(dāng)然這個(gè)雙量子比特也可以處在這4個(gè)基態(tài)的疊加態(tài)上，即：

丨Ψ〉=α00丨00>+α01丨01>+α10丨10>+α11丨11>。

在雙量子比特中，非常重要的雙量子比特，也是量子計(jì)算理論不可缺少的一個(gè)雙量子疊加態(tài)Bell態(tài)或EPR對(duì)：丨Ψ〉=(丨00>+丨11>)/√2。它是量子隱形傳態(tài)和超密編碼的最關(guān)鍵的要素。對(duì)處于Bell態(tài)的雙量子比特的第一個(gè)量子比特進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果是相關(guān)的。對(duì)一個(gè)量子比特測(cè)量時(shí)得到0的可能性為0.5，從而得到一個(gè)狀態(tài)丨Ψ〉=丨00>;得到1的幾率也為0.5，得到一個(gè)狀態(tài)丨Ψ〉=丨11>。從對(duì)第一個(gè)量子比特的測(cè)量結(jié)果來(lái)看，對(duì)第二量子比特進(jìn)行測(cè)量得到的結(jié)果總是和第一個(gè)量子比特的測(cè)量結(jié)果相同。EPR對(duì)由于測(cè)量的完全相關(guān)性，從而說(shuō)明了建立在量子規(guī)律上的計(jì)算機(jī)在處理信息上能夠超越建立在經(jīng)典物理規(guī)律上的計(jì)算機(jī)。

2、量子比特門

經(jīng)典計(jì)算機(jī)是由處理信息的邏輯門和傳輸信息的連線組成的。與之類似，量子計(jì)算機(jī)是由量子線路組成的。量子線路又是由傳輸信息的連線和處理信息的比特門的排列所形成的。量子比特門即邏輯門，實(shí)際上是通過(guò)一些么正變換，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)含有信息的量子比特從一個(gè)狀態(tài)變換到另一個(gè)狀態(tài)。也就是說(shuō)量子比特門，就是量子力學(xué)中的么正算符。么正算符作用到量子態(tài)上，使量子態(tài)按照要求進(jìn)行演化。

可以根據(jù)經(jīng)典信息論的非門，定義量子計(jì)算中的非門。那么量子非門的作用是將丨0〉丨1〉兩個(gè)狀態(tài)互換。也就是將狀態(tài)：丨Ψ1〉=α丨0〉+β丨1〉變換丨Ψ2〉=β丨0〉+α丨1〉。這里的量子非門作用是線性的。更方便地，我們可以用矩陣來(lái)表示量子非門即UX= 。

因此表示單量子比特門的矩陣應(yīng)該是一個(gè)的2×2矩陣。由量子力學(xué)規(guī)律知，用來(lái)表示單量子比特門的矩陣U必須是酉性的，即U+U=I，其中U+是U的共軛轉(zhuǎn)置。酉性是量子門的唯一限制，每個(gè)具有酉性的矩陣都可以對(duì)應(yīng)一個(gè)量子門。

那么，想了解未來(lái)量子計(jì)算機(jī)行業(yè)將如何發(fā)展?請(qǐng)關(guān)注中研普華研究院報(bào)告《2018-2023年中國(guó)量子計(jì)算機(jī)行業(yè)市場(chǎng)深度調(diào)研與投資風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)報(bào)告》。

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  2020-2025年中國(guó)量子通信行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)報(bào)告

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