量子计算的商业化走到哪一步了？

光子盒研究院出品

随着量子计算首次从实验室走向现实世界，一些人开始担心因为炒作造成的泡沫在这个领域站稳脚跟之前就会破灭；或者，投资者和研究人员对这场新兴的技术革命充满热情是正确的吗？为此，英国科普作家Philip Ball调查了量子信息技术商业化取得的成功和存在的陷阱。

当世界上第一台“量子计算机”于2015年上市时，市场反应是好坏参半的。考虑到这台机器1000万美元的价格，大众对它的需求并不强烈，这也许并不奇怪。但一些人指责制造商D-Wave Systems，认为他们过度炒作其机器的能力，甚至没有一致同意它利用了量子原理。

这并不是量子信息技术(QIT)商业化的一个良好开端。但这对于一项新技术来说并不罕见。毕竟，当世界上第一辆汽车出现时，对于大多数人来说过于昂贵，并可能带来健康和安全隐患。汽车在未铺路面的道路上扬起了巨大的灰尘，激起了公众的强烈反对，以至于司机们有时携带枪支进行自我保护。至少我们现在知道量子计算机(利用量子力学定律开发新能力的信息处理设备)是可能的。伦敦帝国理工学院物理学家Ian Walmsley说:“从物理学的角度来看，建造这种机器没有已知的障碍。但是我们现在正转向非常困难和具有挑战性的工程，以使这些机器能够实用。”

QIT还没有找到属于它的亨利·福特或比尔·盖茨，从而能够用价格合理的可靠设备让这个行业亲民化。“在这个阶段，这是一个工程迭代改进的游戏，而不是概念上的突破，”位于加州伯克利的量子计算机公司Rigetti Computing的创始人兼首席执行官Chad Rigetti说。但是商业领域已经在快速增长。“这些产业活动的加速比我们大多数人预期的更快、更突然，”加州理工学院量子理论学家John Preskill说。

目前对量子计算产业未来规模的预测各不相同，但大多数都是偏乐观的。“我认为，到2025年，量子计算将形成一个10亿美元的市场，到2030年可能会达到50-100亿美元，”QIT行业跟踪网站Quantum Computing Report的创始人Doug Finke表示。2030年量子计算的价值将是当今高性能计算市场价值的10–20%。而根据霍尼韦尔的估计，未来三十年，QIT的价值可能达到1万亿美元。

因此，不难理解QIT的商业化正在吸引大量的公共和私人投资。美国政府正在向2018年底正式启动的国家量子倡议(NQI)项目投入约12亿美元，为学术界和私营部门的量子信息科学研发提供一个总体框架。英国国家量子技术计划(NQTP)于2013年启动，承诺在10年内投入约10亿英镑，目前正进入第二阶段。国外网传中国政府的投资高达100亿美元，但中国科学技术大学量子物理学家陆朝阳表示，这种说法在很大程度上是来自于媒体谣传（未获得官方证实）。

在私营部门，IBM、谷歌、惠普、霍尼韦尔和微软等IT巨头已经在量子项目上进行了大量投资。最近的一份报告称，仅在2021年，在量子计算领域就有超过10亿美元的私人投资。2019年，谷歌的量子计算团队声称其53个量子比特的“悬铃木”量子电路已经证明了“量子计算优越性”，在实际时间尺度上进行了超越任何经典设备的计算。2021年年中，霍尼韦尔宣布与英国量子软件开发商剑桥量子公司建立合作关系。现在，双方共同组建了一家独立的量子计算公司，他们表示将提供“世界上性能最高的量子计算机和全面的量子软件，包括第一个也是最先进的量子操作系统”。

IBM量子计算部门开发的设备已通过基于云的服务提供给客户使用(目前超过20万人)。用户范围从学术研究人员、公司到学校，其中大部分免费提供。“你必须让人们熟悉这些东西，”IBM人工智能、区块链和量子解决方案副总裁Bob Sutor说。迄今为止，IBM主要在其网站上提供这些机器，但IBM也开始在别处安装这些设备，包括德国的弗劳恩霍夫研究所和日本的东京大学，授权客户独家使用。然而，Sutor认为基于云的服务仍将是常态。

Rigetti公司也推出了自己的基于云的资源。Chad Rigetti解释说：“人们正在用它来做一些事情，比如为金融、化学、物流、信号和图像处理等领域的问题开发算法。”马里兰州大学公园市的一家初创公司IonQ也是如此，迄今为止，它为客户执行了约20亿个作业。该公司已经生产了32个量子比特的设备，其中量子比特是量子纠缠的离子，位于芯片大小的器件中的电磁陷阱中。他们的装置在室温下工作，激光通过激发和探测离子的电子状态来进行输入和输出。这项技术是由Christopher Monroe和他的马里兰大学同事开发的。在筹集了8300万美元的资金后，IonQ于10月开始在纽约证券交易所上市——这是第一家上市的纯量子计算公司——并迅速筹集了超过6亿美元的资金。

与此同时，D-Wave仍在生产使用超导量子比特的设备，这种方法称为量子退火，将量子比特资源汇集起来，以类似于经典模拟退火方法的方法找到解决方案。该公司推出了一款名为Pegasus的新量子芯片，该芯片将用于制造超过5000量子比特的设备，原定于2020年上市，但尚未实现。在中国也有几家QIT初创公司，如合肥的国盾量子，专门从事量子加密和安全，是从潘建伟教授的开创性的基础研究实验室孵化出来的，但这些公司的私人投资水平尚不清楚。

加拿大D-Wave公司与谷歌的科学家合作，展示了计算性能优势，随着模拟规模和问题难度的增加，计算性能优势达到了相应经典方法的300多万倍。D-Wave研究人员对D-Wave 2000Q系统进行编程，使用人造自旋模拟了一个2D受挫量子磁体(左)。

即使QIT行业如其拥护者所希望的那样发展，风险资本家在一个仍在变化的领域支持一家特定的公司也是有风险的。Finke说：“可能会有一些赢家，但也会有很多输家。”Finke估计，在其公司目前跟踪的200多家量子技术初创企业中，至少以目前的形式来看，绝大多数在10年内将不复存在。“一些公司将倒闭，一些将被收购，一些将被合并。”他说。

Walmsley(2018年之前是牛津大学NQTP网络量子信息技术中心的主任)说，目前尚不清楚QIT最重要的技术平台，尤其是量子计算技术的平台。IBM和谷歌将赌注押在超导器件制成的量子比特上，而霍尼韦尔则将重点放在俘获离子上。

微软采取了旨在实现“拓扑量子计算”的高风险策略，其中拓扑量子比特是电子准粒子，称为Majorana零模，受到其基本拓扑性质的保护，不会产生可能破坏计算的错误。为了追求这些难以捉摸的实体，微软与代尔夫特理工大学和哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所的实验室建立了研究伙伴关系。其他公司的目标是光量子计算，包括牛津的初创公司Orca computing(由Walmsley共同创立)和加州硅谷的PsiQuantum。

Finke说：“这些技术方法有很大的多样性，追求特定技术的公司可能会有很大的风险。所以我经常告诫投资者，不要把投资集中在一家量子公司。”

那么谁是QIT的第一批客户呢？金融、石油、能源、汽车和航空航天是最受关注的领域，埃克森、戴姆勒和摩根大通等公司目前正在使用IBM的先进量子计算机。IBM的一台新机器位于俄亥俄州的克利夫兰诊所，用于病原体研究。霍尼韦尔表示，合并后的新公司技术的应用将服务于“所有主要行业市场的网络安全、药物发现和交付、材料科学、金融和优化”，以及自然语言处理和量子人工智能。

IBM Quantum System One已在北美、德国和日本安装。2019年，IBM在纽约成立了量子计算中心，让世界各地的用户都能访问其先进的基于云的量子计算系统。

IonQ的首席执行官兼总裁Peter Chapman表示，他通常只有在研究结果公布时，才会知道用户对IonQ基于云的系统做了什么。例如，大众已经将其用于装配线、交通路线和电动汽车充电点布局的优化问题。

事实上，量子计算非常适合此类优化问题，其中的挑战是从大量其他可能的解中找到最优解。这是实际面临的一个问题，例如，在管理供应链以向不同地点、不同要求和期限的许多客户交付商品或服务时。通常，没有一种经典算法可以解决不需要依次尝试每个选项的挑战：随着系统大小呈指数增长的数字。

这类问题在金融领域也很常见，例如，计算衍生品的最佳定价或估计组合投资风险。总部位于加州帕洛阿托的量子软件公司QC Ware的业务发展负责人Yianni Gamvros表示：“目前，金融业在量子计算方面有着广泛的参与。”他的公司与高盛公司合作开发了一种用于蒙特卡罗模拟的量子算法，这是一种常见的优化程序，可以在当今“嘈杂”且容易出错的量子计算机上运行。他们声称，该算法将比经典算法快大约百倍。IonQ也曾与高盛合作进行量子机器学习。Gamvros说，量子算法在金融领域的其他可能应用包括欺诈检测和交易建议。Rigetti补充道：“很多大银行都至少一只脚跳了进来，有的甚至两只脚。”。

不过，IBM的Sutor强调，“到目前为止，还没有出现能比经典计算机处理实用问题更好的量子计算机，所以你必须小心，不要向人们过度推销他们误以为可以超过经典算力的东西。”他说，已经从事量子计算的公司只是想在不久后可能实现的事情上抢先一步。

即使是目前最强大的量子计算机，如谷歌的“悬铃木”芯片或IBM最近推出的127比特的Eagle电路，也很难模拟比最简单的化学系统(如小分子)更多的东西。但人们希望，最终它们将被用于预测新材料和分子的性质，其精度是经典模拟无法比拟的。“我们预计制药和材料应用市场将在两到三年内腾飞，”Gamvros说。但一些公司的研发部门已经在为知识产权和专利打下基础，并培养必要的技能。同时，使用机器学习的量子人工智能应用可能会在生物医学成像以及疾病检测和诊断中得到应用。

QIT的另一个增长领域是密码技术。量子计算机本身的出现增加了破解通过电信网络(如在线信用卡订单)进行安全数据传输的标准加密方法的可能性，因为分解大数的难度很大——量子算法可以更快地做到这一点。但量子计算也为这个问题提供了解决方案。因为量子信息在被测量之前是不确定的，所以以这种形式编码的数据可以“防篡改”。如果信息被编码在纠缠的量子比特中，比如沿着光纤网络发送或传播到卫星的光子的偏振态，窃听者不可能在没有被检测到的情况下拦截和读取信息。

左图：谷歌53量子比特“悬铃木”芯片阵列，由高保真量子逻辑门组成。该公司目前正在使用这些工具进行基准测试。右图：一位画家对安装在低温恒温器中的“悬铃木”处理器的描绘。

量子密码技术已经被证明并正在远距离使用。例如，2007年，瑞士ID Quantique公司以这种方式对日内瓦地区选举的选票数据进行了加密，这预示着这项技术将在全球范围内得到更广泛的应用。该公司成立于2001年，他们希望看到的应用不仅仅是机密的金融和政治信息，还包括医疗数据和网络攻击防御。一个从上海到北京的光纤“量子保密通信网络”已经在中国建成，2020年，中国科大团队通过卫星在中国境内1000公里的范围内传播量子加密数据。

总部位于都柏林的市场研究公司的Fact.MR估计，未来十年，量子密码市场将以30%的年复合增长率扩张。“从传输政府机密数据到提供安全的银行和金融解决方案，量子加密被视为加密和安全技术的未来，”该公司分析师表示，而增长的限制因素是安装必要基础设施和硬件的高成本，比如量子卫星和信号推进器。

Sutor相信，随着量子计算机变得越来越大、越来越好，其局限性将逐渐消失。IBM计划在2022年生产433量子比特芯片，然后在2023年生产1121量子比特Condor芯片。Sutor预测，到这个十年结束前，这些进步将带来一定程度的错误修正。这就是当今嘈杂的量子电路的一个问题：量子物理学的独特性质意味着，不能像经典设备那样，通过保留每个量子比特的多个副本来简单地纠错。一些纠错方案看起来可能需要数百甚至数千个物理量子比特才能形成一个容错的“逻辑”量子比特。

但是Chapman认为，俘获离子量子比特已经被证明比超导更好。他说，IonQ最近的工作显示，纠错的物理-逻辑量子比特比仅为13:1。他补充说，因为它们不需要体积庞大且昂贵的制冷设备，俘获离子量子计算机也可以以相对便宜的成本进行小型化。“最终，问题在于每个量子比特的成本，”他说。“我们的计划是大幅降低这一成本。我们认为量子计算机需要安装在机架上的低成本设备，而不需要任何类型的低温系统。”这将使它们适合便携式使用，例如在飞机上，对于那些无法承担将作业提交到云端队列的延迟或安全风险的公司，也可以使用。

IonQ的Sarah Kreikemeier正在调试一个光学组件。

但这种指数级的增长和兴趣能在不产生过高预期的情况下持续下去吗？“我认为，随着政府资金水平的提高和软硬件初创企业的数量增加——可能超过150家并在不断增加——泡沫几乎是不可避免的，”Gamvros说。“我们现在正经历一个快速增长阶段，但随后肯定会出现合并和收购的整合阶段。”

然而，Walmsley希望QIT的实现和应用的多样性能够避免网络泡沫。他说：“重要的是要确保事态发展不会超前，不会过热和破坏机会。我们不应该指望这些机器明天会出现在你的沙发上。”

为了避免这种错误的期望，Sutor说IBM正在“痛苦地向民众公开我们的机器是怎么样的以及它们是如何工作的”。此外，他说，民众可以自己对量子机器进行测试。

“媒体大肆炒作，因为他们中的大多数人不了解这项技术。”Finke补充道。“量子计算行业中的炒作也有相当一部分来自个人。试图获得资金的量子初创企业家可能会夸大其潜力。”Gamvros认为，量子软件方面出现炒作的可能性更大，“因为有些公司经常可以声称开发了强大的量子算法，然而这些算法的有效性几乎完全没有被测试或严格证明”。

陆朝阳也同意，为了获得风险投资，来自中国和全球产业界对量子计算的潜力的宣传可能会被夸大。“来自产业界的一个主要误导性信息是，量子计算可以通过‘并行计算’来加速所有计算任务，”他说。“事实并非如此。到目前为止，真正能从量子计算中获益的计算问题目前仍然非常有限，享受指数级加速的就更少了——其他的仅可以有更温和的（多项式级别）加速。”陆朝阳将一些来自量子计算产业界的过度炒作与曾困扰人工智能的炒作进行比较，担忧量子计算会因此重蹈人工智能经历几次泡沫破灭和“寒冬”的覆辙。

陆朝阳还担心量子计算的潜力很容易被误解。例如，谷歌在超导体系和中国科大在光子体系所完成所展示的量子优越性，虽然是最先进的实验水平，但是在他看来，并不是显示“量子计算机已经有多么酷炫了，而恰恰相反：它们只是在学术意义上实验证明了量子计算的加速能力，展示了最早期阶段的量子计算是什么样的”。他认为，在未来五年左右，这些技术将在很大程度上仍然是科学家和工程师的研究工具。

但Finke并不太担心QIT泡沫破灭前的前景。他说：“尽管会有一些人因为他们的投资没有成功而感到失望，但我不认为会出现投资的全面崩盘。”因为他认为，在未来几年内，我们将看到“一些成果，以及使用量子计算进行现实世界的商业或科学应用的组织”。这些成果“应该足以让私人和公共部门的投资源源不断”。

尽管存在炒作和泡沫破灭的风险，但总的来说，陆朝阳对量子计算的未来持乐观态度。他说：“我们才刚刚开始。到目前为止我们可能只发现了量子技术的冰山一角。即使是最聪明的人也不知道它们将如何改变世界。”

参考链接：

https://physicsworld.com/a/setting-the-scene-for-a-quantum-marketplace-where-quantum-business-is-up-to-and-how-it-might-unfold/?utm_medium=email&utm_source=iop&utm_term=&utm_campaign=14290-51847&utm_content=must-read%20feature%20by%20Philip%20Ball&Campaign+Owner=

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