光子盒年度系列 | 2021量子计算十二大趋势

光子盒研究院出品

2020年的量子计算非但没有慢下来，反而取得了前所未有的成绩。多个技术路线硬件性能大幅提升、量子算法推动实际应用，涉及金融、汽车、医药、材料等行业，还诞生了第一个量子操作系统。量子计算公司致力于商业应用，通过云平台向客户提供服务；大学开设量子计算课程和专业；投资机构和政府提供了更多的研发资金；各种文章、研讨会、白皮书不断提及量子计算。更重要的是，中国“九章”光量子计算机实现了“量子霸权”。

现在，我们来看一看2021年量子计算会有哪些值得期待的改变？

2021年，美国依然领跑量子计算，IBM、谷歌、Rigetti、IonQ、霍尼韦尔等都有面向行业的量子计算机，微软也开发了量子启发算法，正在加快量子计算的应用。但世界上还有很多国家还没有商业量子计算机，不过这一局面或在2021年发生改变。

IBM承诺在德国的弗劳恩霍夫研究所和日本的东京大学各安装一台量子计算机，Rigetti与英国政府达成协议，部署英国第一台量子计算机。此外，芬兰的IQM在研制该国第一台量子计算机，奥地利的AQT和法国的Pasqal也致力于推出商业量子计算机。

在中国，本源量子路线图显示，2021年实现60量子比特超导计算机，同时推出半导体量子计算机。此外，量旋科技和启科量子有望分别推出超导量子计算机和离子阱量子计算机。

IBM目前量子比特数量为65，根据路线图，2021年IBM有望率先达到100量子比特。谷歌在2020年量子比特数量仍为53，但现有架构扩展为100量子比特并不难，有望在2021年继续与IBM齐头并进。此外，Rigetti Computing的128量子比特计划有望实现。

值得一提的是，微软在2020年发现了可用于制造拓扑量子比特的新材料，该公司原计划于2023年制造第一台拥有100个拓扑量子比特的量子计算机，有望提前到2021年。

由于量子计算机造价不菲（NASA和谷歌联手购买D-Wave机器花费1000万美元），云平台成为硬件公司提供服务的主要方式。IBM最早于2016年推出量子计算云平台，目前已经有越来越多的云平台开通了量子计算功能。

在提供量子计算云服务的公司中，一是制造出量子计算机的公司，如IBM、Rigetti、本源量子、Xanadu等，二是领先的传统云提供商，包括亚马逊、微软，两大平台已经占据全球云市场的半壁江山，而在中国，阿里、华为、腾讯、百度四大厂商占据八成市场份额，目前华为、百度已经推出量子计算云平台，阿里、腾讯有望在2021年跟进。谷歌比较特殊，它既是领先的传统云提供商，也是领先的量子计算硬件提供商。

但是目前不是每一个云平台都接入真实量子计算机，比如华为、百度、昆峰量子运行的硬件只是量子模拟器，本源量子云平台2020年刚刚接入真实量子计算机，随着技术进步和量子生态建设，2021年真实量子计算机将触手可及，大大降低学习和研究的成本。

目前量子计算硬件公司只有十余家，软件公司却有上百家。软件开发工具、编程语言、操作系统只有小部分公司在做，大部分软件公司更多地向行业下游转移，针对具体行业开发专门的量子算法，比如Multiverse Computing致力于金融量子算法开发。2021年量子软件公司分工会进一步明确，涉及每一个具有量子计算潜力的行业，包括人工智能、生物医药、材料发现、物流等。

2020年，各国愈加重视量子教育，此前量子计算研究只存在于博士阶段，但已有越来越多高校开设了硕士专业（参见《全球量子信息科学硕士学位盘点》），甚至本科也有量子计算课程（参见《史上最全量子信息教育资源汇总》），2021年会加剧这一趋势。

此外，量子教育还呈现出低龄化的趋势，美国已经启动针对K-12阶段学生的Q-12量子教育计划，2020年12月中国量子计算首次进入中学课堂，江苏省锡山高中基于国仪量子金刚石量子计算教学机的“量子计算理论与实验”正式开课。

因此，2021年开设更多量子课程已是大势所趋。

不论是刚成立的新公司，还是正在组建量子团队的科技公司，或者对量子计算应用感兴趣的下游公司，以及科研院所，都需要量子人才的加盟。

在领英上搜索“量子”，发现419条招聘信息，其中量子计算岗位招聘信息有67条，包括中科院物理所、北京量子院、深圳量子院等科研机构，以及华为、百度等，美国的量子计算招聘信息更是多达646条。仅金融领域，BCG统计，截至2020年6月，美国和欧洲的21家银行和保险公司已雇佣超过115名具有量子专业知识的人员。

2021年，企业和科研院所不仅会招聘更多有经验的人才，还会提供更多与量子相关的实习机会。

根据统计，2020年全球量子信息科技融资总额近7亿美元（大部分来自量子计算），超过2015-2019年的所有融资。2020年PsiQuantum公司获得1.5亿美元融资，AI药物研发公司晶泰科技获得3.188亿美元融资（利用量子模拟开发药物）。

2020年面临疫情肆虐和全球经济下滑，量子领域融资仍保持了快速增长，2021年由于疫苗上市和有可能的经济复苏，量子领域融资有望继续保持增长，尤其是部分创业公司开始启动上市计划（参加《全球第一家！美国量子计算公司将登陆纳斯达克》）。

此外，目前全球投资量子公司的风投机构有200多家，但他们中大多只投资了一家，基本上处在观望状态。这些风投机构对量子计算有所了解，一旦量子公司取得阶段性的成绩，这些机构很可能果断下手。

潘建伟院士领导的中科大量子物理与量子信息研究部现有多个量子计算研发团队，2020年取得了重大突破，比如光量子路线的陆朝阳团队，实现了玻色取样“量子霸权”，超导路线的朱晓波团队透露即将实现60量子比特，冷原子路线的苑震生团队开发了71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器。

这些研究团队均未参与量子计算的商业开发，但是，鉴于中科大量子物理与量子信息研究部彭承志团队的创业经历（国盾量子），上述团队在2021年创立公司存在较大可能性。

目前量子计算公司已有100多家，正如我们在《量子计算商业前景分析》中所说，对于量子计算早期阶段，公司数量或许已经过多。其中有很大一部分在2015年左右成立，如今5年过去了，一些缺乏价值的公司可能面临淘汰，即陷入人才短缺→增长停滞→财务压力的恶性循环之中。

一些量子计算和技术计划没有达到预期，或者失败，或者无法获得更多的资金。比如，欧洲量子旗舰计划第一阶段于2021年9月截止，欧洲多数量子初创公司参与了这个计划，如果到时没有达到预定的目标，可能很难再获得财政资助。

实现量子优势或量子霸权被认为是量子计算追求的第一个目标，谷歌从2017年开始便朝着量子优势前进，到2019年9月才第一次实现，过了一年多，才由中国“九章”量子计算机第二次实现量子优势。2021年，随着硬件性能的提升、量子算法的进步以及政府提供更多的资金，将帮助更多量子优势实验的开展（丹麦玻尔研究所已经开发出一种纳米芯片，玻色取样能够扩展到量子优势的范围，由于缺少资金，实验无法开展），除了玻色取样等，还能在更多有实际应用的领域实现量子加速。

目前量子计算领域最大的挑战之一是可扩展性和量子纠错。关于可扩展性问题，IBM、谷歌以及其他研究团队（Rigetti、Pasql等）提出各种结构来实现量子比特的扩展，从而宣布通往1百万比特的规划。

关于量子纠错，阿里巴巴达摩院在2021年十大科技趋势中提到，演示纠错的系统必须同时达到“多比特”、“高精度”和“高连接度”：至少几千个高质量、强关联的比特。

关于高连接度，美国马里兰大学和杜克大学在2020年8月设计出32个量子比特离子阱量子计算机寄存器, 在超低温度下运行。这些量子比特可全连接，即任意两个比特可以直接相互作用。

其他的方法还有拓扑量子计算，拓扑量子比特本身就有纠错能力，微软表示100个拓扑量子比特可以相当于1000个逻辑量子比特。

早在2018年，欧洲成立量子互联网联盟(QIA)，这是欧洲量子旗舰计划的一部分，实现量子互联网是量子旗舰计划的终极目标。2020年11月，荷兰宣布创建一个量子网络，连接阿姆斯特丹、鹿特丹、代尔夫特、海牙和乌得勒支等城市，2021年为该网络的集中建设期。

2020年，美国也公布了量子互联网计划，在52英里的“量子环路”上实现光子纠缠，同时完成44公里保真度90%的量子隐形传态。美国计划连接所有17个能源部国家实验室，作为量子互联网的主干，这一目标有望在2021年实现。

此外，加拿大量子网络(CQN)已经提上日程，第一步是在多伦多创建一个三节点网络，通过光缆连接，预计到2021年投入使用。

各国在2020年公布了自己的量子互联网计划，可以预见的是，2021年量子互联网建设将会如火如荼地开展。

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