量子经济发展联盟(QED-C)代表整个行业,对外发布行业报告与技术路线图。
三大核心待标准化板块:量子比特、纠错技术、配套软件(含硬件控制软件与量子算法软件)。
在大众认知里,量子计算是一种晦涩、奇特的全新计算模式,绝大多数人难以理解。有一句广为流传的老话恰如其分:“如果你觉得自己看懂了量子力学,那说明你根本没看懂。” 这句话所言非虚。
量子计算会颠覆沿用数十年的传统计算架构吗?答案是否定的。但确实存在一批特有难题,一旦商用量子计算机落地,就能高效求解。不过这套商业化落地的时间线,目前尚无明确答案。
量子领域研发推进速度偏慢,各类严苛的技术难题让量子技术落地举步维艰。三大核心攻坚方向:计算硬件(量子比特)、量子纠错方案、适配量子场景的专用算法。同时,量子计算必须从纯科研工具,成长为一套完整成熟的商用技术。
当下量子技术行业,创新空间广阔,但整体格局混乱无序。业内尚未统一量子计算技术路线,各大科研团队同步研发多条不同实现方案;大量初创企业扎堆涌现,各自攻坚量子系统中的某一细分环节。
量子经济发展联盟(QED-C)在执行董事西莉亚・默茨巴赫的牵头下,致力于整合全行业资源。联盟现有 132 家企业会员,对于一个尚在摸索期的行业而言规模可观。参与量子计算研发的高校与独立科研院所共 36 家,另有 11 个联邦政府资助的研究中心,会员企业数量远超科研机构。
默茨巴赫介绍:“2018 年美国国会出台《国家量子倡议法案》,法案要求商务部、尤其是美国国家标准与技术研究院(NIST)牵头组建多方利益相关者联盟。‘利益相关者’一词范围刻意设置得十分宽泛。联盟的核心使命是梳理全产业链缺口:技术短板、政府可扶持的科研空白、专业人才缺口、标准体系缺失,所有阻碍未来量子产业落地的各类短板,都需要我们逐一摸排。”
该联盟牵头制定行业路线图、统一行业发展预期,官网对外公开大量行业研究报告(完整技术路线图、专项文件仅对会员开放)。
多数人默认量子计算是下一代颠覆性技术,这点或许不假。但行业铺天盖地的宣传与巨额资本涌入之下,很少有人深究核心问题:量子计算究竟能解决什么实际问题?
尽管量子计算热度最高,但它只是量子技术三大核心赛道之一,另外两大方向为量子通信、量子传感。
依托量子叠加、量子纠缠、量子态不可克隆三大特性,构建理论上无法被破解的保密网络。若两个量子比特处于纠缠态,其中一个传输至另一节点,任意一方状态发生改变,另一比特会瞬间同步变化,通信近乎无延迟。最大技术瓶颈是长距离、长时间维持量子纠缠态。
针对重力、磁场、惯性变化等场景,测量精度远超传统传感器,可应用于导航、生物医药、自然资源勘探、国防军工领域。
有人认为,仅凭并行计算能力,量子计算就能优化所有计算任务,这种观点并不客观。运算速度只是优势之一,功耗同样是关键考量指标。单独对比硬件本体,量子计算机理论功耗低于传统计算机,但最大瓶颈在于制冷系统。
国际半导体产业协会(SEMI)战略技术顾问普什卡尔・阿普特表示:“量子芯片本身具备低功耗潜力,但现阶段制冷系统能耗极高,需要专用制冷机将温度降至 1 开尔文,消耗大量电能。”
即便功耗难题得到解决,也不代表量子计算会全面取代传统计算。传统计算技术也在持续迭代,二十年前认定只能靠量子求解的部分问题,如今传统算法已经可以高效处理。
默茨巴赫提出疑问:“即便量子计算机能完美求解旅行商问题,对比当下成熟高效的传统优化模型,性能提升幅度究竟有多大?”
量子计算无可替代的核心价值是肖尔算法:该算法可快速完成大数质因数分解,直接瓦解现行公钥加密安全体系。传统计算机难以破解的加密难题,在量子设备上可快速求解。正因如此,后量子密码学成为热门研究方向,旨在研发能抵抗量子破解的加密算法。
业内普遍认为,量子计算机不会独立运行,而是作为传统计算机的加速协处理器,二者长期共存、各有价值。
默茨巴赫回忆道:“大概十年前,我和橡树岭国家实验室的研究员交流,我问他量子计算未来定位如何。对方回答:‘短期来看,量子计算会作为高性能计算的专用加速器。我们先是使用 CPU,而后搭配 GPU,未来还会新增 QPU(量子处理单元)。’”
默茨巴赫称:“行业大量讨论通用容错量子计算机,但在这条技术路线落地前,会涌现大量专用量子平台,整套软硬件栈专为特定需求设计,面向军工、制药等愿意付费落地量子算力的行业。”
传统计算机已经全面渗透日常生活:手机微型处理器、台式电脑、支撑 AI 训练推理的巨型数据中心服务器,几乎人人都持有至少一台计算设备,大量终端远程访问云端算力。
量子计算很难复刻这种普及模式。至少在当前技术框架下,配套庞大制冷设备,无法集成到便携手持设备中,除非实现室温量子比特。
因此,在小型制冷设备成熟前,量子计算机只会部署在各类数据中心内。只有超大型企业会自建量子机房,其余企业则订阅云端量子算力服务。
默茨巴赫判断:“几乎不会出现每家企业都在机房单独部署一台量子计算机的阶段。”
多数工程领域都有清晰的成熟度判定标准,但量子计算没有明确节点,无法简单判定 “研发完成”,进度评估本身十分模糊。
新思科技工程架构杰出架构师伊戈尔・马尔科夫提出一套硬件评估指标:对基础初始量子比特施加量子门操作,统计可实现纠缠、保线 的量子比特数量。
“量子纠缠是量子算法超越传统算法的必要条件(非充分条件),量子保真度代表计算结果准确度。0.5 的保线 时,绝大多数应用完全无法落地;高于 0.5 则可通过技术手段进一步提升有效精度。”
马尔科夫举例头部企业的研发进展,同时指出距离商用标准仍有差距:“IBM 近期实现 128 个超导量子比特纠缠,保线,代表当下行业平均水平。中性原子量子比特路线也取得突破,单次可操控上万颗原子,前景广阔。”
虽然研发不断取得进展,但挑战依旧严峻。阿普特表示:“量子比特对温度、电气干扰极度敏感,稳定性是最大难题。”
默茨巴赫介绍:“自旋量子比特曾备受看好,可依托现有半导体晶圆产线制造,英特尔等企业重点押注该路线;原子、离子型量子比特同样热度高涨。”
一家初创企业研发出类似存储阵列的量子比特阵列,在同一块芯片上集成传统逻辑电路与量子逻辑电路。
Quobly 联合创始人、首席执行官莫德・维内特说:“我们研发了控制电路与量子比特共集成芯片,和传统存储阵列逻辑类似,配套外围电路读取阵列内量子比特,工作温度区间 500 毫开至 1 开尔文。”
传统逻辑电路必须适配量子芯片的超低温工作环境,为此团队专门定制适配低温的工艺设计套件(PDK)。
“我们仅针对低温环境完成器件特性表征,其余 PDK 基础架构无需改动。” 维内特解释,“设计工程师可复用大量现有知识产权 IP,仅微调器件尺寸适配低温工况。”
行业目前缺少统一、量化的算力评估标准。默茨巴赫坦言:“高性能计算有吉咖浮点、太拉浮点、拍浮点等成熟基准测试,量子计算暂无对应的通用评价指标。”
行业共识:距离规模化量产,量子技术仍有大量研发工作待完成。量子比特制备是最广为人知的攻关方向,多条技术路线同步推进,多数方案需要低温制冷,仅少数无需极低温冷却。室温量子比特已有初步理论方案,但室温下热噪声、各类干扰极强,落地难度极大。
马尔科夫说明:“超导量子比特工作温度仅 0.04 开尔文,短期内温度标准不会改变。部分控制电路可在数开尔文、77 开尔文环境运行,更高温方案会牺牲设备体积优势。”
77 开尔文可通过液氮轻松实现,对比 0.04 开尔文容易得多,但依旧属于极低温区间。
维内特评价:“对比室温,77 开尔文依旧极寒,但相比超导所需的毫开级高温不少。”
马尔科夫补充:“部分早期量子方案曾在较高温环境运行,但热噪声干扰、高精度量子测量(尤其是单光子探测器)的硬性需求,倒逼头部厂商全部改用稀释制冷机。这类设备依靠氦同位素温差制冷,可将内部温度降至数毫开尔文。”
打造一套可量产、可扩展的硬件平台,不仅要优化量子比特,整套配套硬件与基础设施都需同步工程化迭代。初代原型机仅用于概念验证,性能、能效提升仍有巨大空间。
当前行业明确区分物理量子比特与逻辑量子比特。一个逻辑量子比特由多个物理量子比特构成,预留冗余比特用于纠错,原理类似 8B/10B 编码:8 位有效数据搭配 2 位校验码,实现基础容错保护。
但行业尚未统一标准纠错编码方案。表面码是目前主流方案,但扩展性较差,全行业亟需一套公认通用的纠错架构。
另一项需要巨额投入的赛道是软件与量子算法。软件不仅包含上层业务算法,硬件控制闭环、全栈基础设施都需要配套软件支撑。算法研发可精准定位量子计算适配场景,同时给出最优求解实现方案。
所有软硬件研发落地后,还需要大规模量产产线支撑元件制造。阿普特坦言:“我们连台积电十分之一规模的量子专属晶圆厂都还没有。当前量子元件生产全部依托企业自有研发中试线,行业处于垂直整合阶段,和上世纪七八十年代半导体行业格局高度相似。”
即便研发稳步推进,若无颠覆性技术突破,多数业内人士预测全面商用要等到 2040 至 2050 年;部分乐观预测认为可提前十年。这个时间预估,很大程度取决于能稳定破解 256 位密钥的肖尔算法落地周期。
并非量子计算机本身需要数十年研发,而是需要搭载海量高稳定量子比特,才能求解现实复杂问题。业内测算,运行可靠抗噪的肖尔算法,需要数百万个物理量子比特。
现阶段研发节奏平缓,或许某一项颠覆性发现会大幅提速行业发展,如同大语言模型重塑 AI 研发进度,但这类技术突破无法预判。整套系统所需各类元器件,会循序渐进迭代优化;创新不仅聚焦单一器件,也包括多模块协同集成方案,打造高效量子算力系统。
QED-C 向会员企业调研商用产品落地预期(不局限于可运行肖尔算法的设备):“约半数企业认为 3-5 年内可推出商用产品,三分之一企业预判需要五年以上,行业观点分歧明显。”
也有从业者判断研发会加速。默茨巴赫转述联盟内一家量子企业创始人(量子物理学家)的观点:“两三年前有人问我实用量子计算机何时落地,我会回答 10 年,甚至 15 年以上。仅仅时隔数年,再问相同问题,我的答案变成 3 到 5 年。行业研发速度确实在加快。”
短期来看,量子产业核心需求集中在密码安全领域,尽快搭建抗量子加密安全底座,避免当下加密文件长期存储后,未来被量子设备批量破解。其余量子应用场景,现阶段仍处于观望验证阶段。
默茨巴赫表示:“我们尚且无法分清哪些项目仅停留在科研实验层面,哪些能真正落地商业化、创造产业价值。大批顶尖物理学家深耕多条‘量子晶体管’路线:超导、光子、原子、离子方案,目前看不出哪一条会占据绝对市场主导,未来或许多条路线并行发展。”
但漫长等待终将值得。阿普特总结:“以我的粗浅判断,若论产业变革影响力,光子技术排第一,量子技术紧随其后。”