儘管近幾年全球經濟環境低迷，但有一個賽道卻在募資寒冬下迎來了逆勢增長——量子計算。為什麼投資界對這個賽道特別看好？因為量子計算代表了國家最強的實力。未來國與國之間的競爭就是算力的競爭。據波士頓、麥肯錫等機構預測，未來15-30年量子計算領域將產生高達8500億美元的市場價值，應用領域涵蓋製藥，人工智慧等各行各業。
量子計算技術現在處於什麼發展階段？它的商業應用價值是什麼？
國內量子計算產業生態的引領者——中國計算機學會量子計算專業組副主任張輝博士帶來他對量子計算產業發展的最新思考與研判。值得一提的是，張輝博士也是合肥本源量子計算科技有限責任公司（簡稱：本源量子）的總經理。本源量子是國內首家將量子計算正式推向商用領域的量子計算企業，也是中國首個量子計算獨角獸企業，團隊技術起源於中科院量子信息重點實驗室，展開全棧式量子計算研究與產業化探索。
#01
量子計算：後摩爾時代的顛覆性算力
量子帶來了兩次革命。第一次革命是通過控制宏觀量子力學效應發展的信息科技，比如手機、電腦 、超導等。第二次革命是當今世界正在發生的，通過控制微觀量子體系（電子、原子）開發的技術，主要發生在三個方向：量子精密測量、量子保密通信、量子計算。
經典計算機經過80年的高速發展，即將面臨摩爾定律失效的問題（註：「摩爾定律」指的是價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，每隔18-24個月便會增加1倍，性能也提升1倍）。經典計算機最基礎的單元是電晶體，一個家用的電腦晶片上可以集成幾十億、上百億個電晶體。今天我們的電晶體已經可以做到3個納米的大小，根據摩爾定律，電晶體再往下發展就需要達到1納米。今天我們的數據呈指數級爆炸，每三到四個月AI對數據的需求就要翻一倍，摩爾定律已經沒有辦法再往下走了。這意味著經典計算機的方式已經接近極限，即將不能滿足各個行業巨大的算力需求。
一方面數據在爆炸式增長，一方面經典計算機的算力增長速度在減緩。在後摩爾時代的矛盾之下，量子計算就在這個時間點呼之欲出。經典計算機靠一塊晶片解決不了數據爆炸時代的問題，量子計算可以解決。
1981年，費曼第一次提出量子計算這個概念。量子計算是以量子比特為基本單元，利用量子疊加、量子糾纏等原理，進行高速的數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息。從理論研究和實驗驗證上，已經能夠看到量子計算在處理海量數據、並行計算以及模擬分子原子演進過程中有得天獨厚的優勢。
打個比方，經典計算機就是0或者1，它只能做到通和不通；量子計算能處在0-1之間，比如30%的概率在0，70%的概率在1，它利用量子疊加的狀態找到新的物理載體代替電晶體，這就是量子計算的顛覆性。對於量子計算，我們要做的是找到好的算法控制概率性的疊加狀態，實現天然的並行運算能力。
從理論研究和實驗驗證結果上，我們已經能夠看到量子計算機在處理海量數據、並行計算以及模擬分子原子演進過程中具有得天獨厚的優勢。很多人擔心量子計算機會消滅經典計算機，其實不然。量子計算機和經典計算機處理問題擅長的領域不同。量子計算本身覆蓋經典計算，只不過在一些消耗的資源和時間上不體現優勢的場景，如看電影、打遊戲上，就沒有必要用量子計算機，經典計算機依然具有很重要的價值。我們可以把量子計算機比喻成經典計算機的「加速器」。未來5-10年，二者會是並行、融合的發展模式。
#02
大國競爭：量子計算已經進入全球白熱化階段
量子計算技術有三個發展階段：
第一個階段（2010-2020年）：量子霸權時代。自2016年全球第一台量子計算機原型誕生後，以IBM和谷歌為代表的企業開始布局量子計算，通過搶占智慧財產權專利，確立行業標準來尋求「量子霸權」。現在量子計算沒有通行標準，未來大家能否形成一個共識取決於用戶。
2019年是量子計算領域裡程碑式的一年，谷歌用53個物理比特進行量子計算，成功代替電腦CPU中上百億個電晶體，實現了量子計算的機器工程化。谷歌稱之為「量子霸權」，其證實了量子計算機遠勝經典計算機。自2019年「量子霸權」至今，量子計算機中央處理器（QPU）也在快速增長，每多一個比特，量子計算機的能力就能翻一番，這也是國內外許多科研團隊不斷躋身這一領域並全力尋求超越的主要原因。
第二個階段（2020-2030年）：專用量子計算機時代。在這個階段，量子計算技術開始從科學研究步入工程化、產業化，所以很多企業開始參與量子計算。與此同時，在生態初期的時候，大家都開始做全面的部署，量子計算領域軟硬體研發迅速，量子比特數不斷突破，企業構建量子計算應用生態，探索「量子優勢」。全球量子計算進入白熱化競爭階段，各國建設專業人才與學科體系，開啟全球「搶人」模式。
第三個階段（2030-2050）：通用量子計算機時代，我們還需要10年才能發展到這個階段。
今天我們正處於量子計算發展的第二個階段，全球競爭進入白熱化階段。
從國際的視角，G20主要的成員國幾乎都涉及做量子計算。在過去3年左右，幾乎所有的發達國家，包括很多的發展中國家，甚至非洲國家都有參與到量子計算的巨量投入當中，特別以美國、歐洲為代表，國家層面投入大量資金，將人才往量子計算方向引流。包括IBM、英特爾、微軟這些叫得出名字的巨頭及大批創業公司，都在做量子計算。據統計，目前全球已經有超過200家量子計算概念的創業公司，其中4家量子計算公司已經在美國上市。目前中國在該領域還沒有上市公司。
近三年量子計算領域已經有非常多的跨國合作，國與國之間也在開展量子計算的交流。例如，IBM於2017年就建立了全球第一個量子生態網絡——「IBM Quantum Network」，IBM在全球尋找盟友和合作夥伴，構建量子計算生態圈。現在它的成員已經有200多個，比如摩根、高盛、索尼、三星、波音、大眾、奔馳……全球處於行業頭部的企業都在參與IBM的研究。
但中國的量子研究團隊面臨的問題是，國際之間的交流合作是把中國排除在外的，無論硬體還是雲服務都對中國人禁止。但是好在我們的一些國企和上市公司已經在關注這個賽道，並且在全力在追。
從中國的視角來看，「十四五規劃建議」中明確提出「要瞄準人工智慧、量子信息……等前沿領域，實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目。」在列舉出的幾大前沿科技中，量子信息僅次於人工智慧，被放在了第二位。在國家的「一聲號令」之下，全國各個地方都在掀起量子的熱潮，現在有22個省市已經把量子科技納入了省市的十四五規劃當中。許多IT巨頭，包括BAT、字節、華為、京東、浪潮等，已經宣布在做量子計算，還有很多量子計算的專業公司。
在量子計算機這個賽道里，中國在科學研究上能在國際上占據一席之地，但是在工程化上非常落後，很多的工業基礎太過薄弱，本土不能生產製造需要依賴進口。量子計算機不能停留在實驗室發論文階段，要把自主可控的把量子計算機工程化造出來，未來中國的量子計算機不能有一個零配件卡在別人手上。
#03
未來已來：量子計算的商業化應用
我們梳理了三條量子計算的產業鏈，上游是量子計算機生產製造鏈；其次是量子計算的應用生態鏈，這個生態鏈往下遊走需要很多的場景，看看量子計算機到底能解決什麼問題；最後一個就是量子計算的教育科普鏈，目前很多高校是我們現在服務的對象。
生產製造鏈上，本源量子在建量子晶片的產線。去年我們在合肥建了全國第一條實驗線，現在也在和合肥努力建中國第一條量子晶片的中試線，包括低溫的元器件、測控的設備都在涉足。
應用生態鏈上，本源量子在之前一兩年中建立了很多產業聯盟。本源量子在國內發起了一個產業聯盟（QQIA），起步稍晚但在全力追趕IBM quantum Network，銀行系、生物醫藥、人工智慧領域都有一些夥伴逐步在QQIA裡面開展工作。
量子計算都有哪些商業化應用場景呢？
目前，量子計算在金融、生物醫藥、AI大數據、網絡安全、航空航天、智能製造等領域都能發揮作用，並且已經投入到實際運用中。
1.量子計算+金融：國際上谷歌、IBM很早就在金融的企業做了相應的部署，IBM大概在2020年就用量子計算機跑出180支股票最優的組合，結果比經典計算機算的更好；本源量子和中信銀行已經有量子期權定價和投資組合優化。
2.量子計算+生物化學：新藥、新材料的研製，傳統從合成到在動物身上實驗，取得成功可能要花費十到二十年的時間。未來如果有一台計算機去計算數據，會對材料的研製有極大的推進效果。比如本源量子和復旦大學晶體結構預測的課題研究，已經在用量子計算機的方式做相應的工作。
3.量子計算+人工智慧、大數據：谷歌還有國內的百度在量子人工智慧這個方向上投入了非常大的關注度，像數字識別、圖象識別，這些功能在量子計算機上只會比在經典計算機上跑得更好。
4.量子計算+工程設計：本源量子基於流體動力學開發了「本源量禹」的軟體。在2019年法國空客發起的全球挑戰賽里，本源是唯一從比賽裡面殺出來的中國隊伍，最終取得流體動力學的全球冠軍。
作者 | 張輝 博士，本源量子總經理，中國計算機學會量子計算專業組副主任，國內量子計算產業生態的引領者。