2023量子科技行业十大趋势 | 光子盒年度系列

光子盒研究院出品

01

量子纠错：后NISQ时代的主题

IBM路线图很明确地表示，2023年将推出1000+量子比特芯片，届时我们将进入后NISQ时代（NISQ是指几十到几百量子比特、无纠错的机器），这将是量子领域注意力完全转向纠错量子计算的一年。

纠错是未来开启有用的量子计算的关键，因为目前所有的量子比特都很脆弱，不稳定，容易出现大量错误。即使在“小型”量子计算机上解码这些数据，也需要每秒钟实时识别和纠正数十亿个错误。

2022年，谷歌和Quantinuum已经开了一个好头。谷歌首次实现错误率随着比特数增加而降低，以往的纠错研究随着比特数的增加，错误率会提高，都是“越纠越错”，而这次谷歌首次实现了“越纠越对”。也就是说，突破了量子纠错的盈亏平衡点。这是量子计算“万里长征”中的重要转折点。Quantinuum则在离子阱量子计算机中，利用保真度更低的物理量子比特创造了保真度更高的逻辑量子比特：逻辑量子比特为99.94%，而物理量子比特为99.68%。

下一步，将是实现更大规模的量子比特纠错。

02

量子网络：保密应用加速产业化

量子网络和经典网络一样都是用于传输信息的，不同的是后者传输数字信息，前者传输量子信息，这些量子信息以量子态的形式存在，并以量子比特（例如光子）为载体。然而，量子比特容易出错、不易存储和传输距离受限的特点，导致这种传输量子信息的网络还没有完全实现。但这种情况正在开始改变，荷兰QuTech的研究人员在实验室中展示了一个三节点的量子网络，通过中间节点Bob将量子信息从发送方Alice传输到接收方Charlie，尽管三方传输的保真度只有71%，但这比经典极限的2/3要高。相信在2023年会有更多相关研究进展。

尽管所谓的“量子互联网”还未走出实验室，但用于保密的量子网络已经开始产业化，例如量子密钥分发。在量子保密通信方面，中国处于领先地位，目前已经实现了4600多公里的天地一体化网络，世界上最大的量子城域网也在合肥开通。与此同时，2022年，可以看到欧美各国明显发力，芝加哥大学首次使用量子网络连接了芝加哥市和郊区的实验室——长度200公里，成为美国最长的量子密钥分发网络。英国电信、东芝和咨询公司安永宣布启动了英国首个商用量子安全城域网的试验。根据计划，2023和2024欧美各国将陆续发射多颗量子通信卫星，朝着覆盖全球的量子保密通信网络的目标更近一步。

03

抗量子密码的危与机

2023年可能是抗量子密码（PQC）机遇与挑战并存的一年，一方面，从政府到企业将开始积极布局PQC，另一方面，PQC面临着被频繁破解的风险。

尽管到2024年之前，NIST还将进行第四轮的PQC算法筛选，但今年7月已经提前公布将进行标准化的算法：CRYSTALS-Kyber、CRYSTALS-Dilithium、Falcon、SPHINCS+，因此越来越多的企业宣布将推出采用这些算法的产品。而且美国总统拜登刚刚签署了《量子计算网络安全防范法案》，此前白宫管理和预算办公室（OMB）也发布了一份新声明，概述了联邦机构需要在运行量子计算机之前开始向抗量子密码迁移，并要求在2023年5月24日之前各机构确定其加密硬件和软件系统的风险。NIST也表示PQC和量子技术是其2023年的优先事项。

但与此同时，抗量子密码也暴露了自己的缺点，2022年屡次出现NIST备选算法被破解的情况，虽然这些算法可以通过不断改进减少被破解的风险，而且已入选的四种算法还未暴露风险，但这确实给PQC敲响了警钟，因为这些算法仍然缺少大量实践验证。

04

行业洗牌：企业合并、资金危机

自2021年1月霍尼韦尔量子计算部门与剑桥量子公司合并以来，2022年掀起了量子企业合并的一个小高潮，创新药物研发商Odyssey收购了英国量子计算初创公司Rahko的多数股权，Pasqal收购了Qu&Co，ColdQuanta收购了Super.tech，量子计算软件公司QCI收购了光量子系统公司QPhoton……再往前数，SK电讯收购了量子通信公司IDQ，iXblue收购了量子重力仪公司Muquans，是德科技收购了Quantum Benchmark，等等。

有合并也有分拆，例如SandboxAQ从Alphabet独立出来，当然目前量子行业更多的分拆公司还是从科研机构中独立出来。

此外，虽然量子投资仍然看起来十分蓬勃，但一些量子公司可能面临资金危机，例如，几家上市公司中，IonQ在上市时融资了6亿多美元，但另一家公司Rigetti却只拿到了1亿多美元，从亏损情况来看，IonQ在几年内财务可能无虞，但Rigetti可能面临资金危机。对于上市公司尚且如此，一些多年未融资的初创公司可能更加担忧。

随着企业合并加剧、新公司不断涌现、更多公司面临资金危机，2023年量子行业可能迎来大洗牌。

05

量子计算与HPC的结合

在NISQ时代，混合量子-经典方法被认为是解决实际问题的重要途径。而在2022年，行业进一步明确量子计算与高性能计算中心（HPC）的结合。

在这方面，欧洲开了全球之先河，芬兰公司IQM开发的5量子比特QPU已经被部署在HPC中心，德国莱布尼茨超级计算中心正在评估百亿亿级超级计算机以及由量子和AI系统提供的加速计算。这种量子+HPC的结合可以很好地利用当前的变分算法。芯片巨头英伟达也在今年推出了量子优化设备架构QODA，被誉为量子领域的CUDA架构，可以将量子计算与经典计算结合在一起。

预计2023年，这一趋势将进一步凸显，例如中国的超算团队开始参与量子计算研究，特别是获得2021年度戈登贝尔奖的国家超级计算无锡中心，在新一代神威超级计算机中实现了超大规模量子随机电路实时模拟。因此，量子计算机走进国家超算中心将指日可待。

06

量子比特技术百花齐放

IBM在量子领域遥遥领先，2023年即将突破1000量子比特。但除了领头羊外，其他市场参与者基本没有拉开差距。除了超导外，其他路线也在奋力追赶，例如目前普遍超过100量子比特的中性原子量子计算机。2023年仍不能确定最终哪种量子比特技术会在未来脱颖而出。实际上，仅就超导路线而言，最近也出现了很多性能可能超越transmon的新型量子比特。

目前量子比特大致分为三类：原子（离子阱，中性原子）、固态（超导，半导体，NV量子比特）和光子，每一种量子比特都有各自的优势，从而可能适合不同类型的用例，尽管目前各种体系都是各自为战，但不排除未来出现一种结合各种量子比特优势的技术。

此外，量子比特不仅关系到量子计算，甚至还要考虑到未来的量子互联网，选择一种合适的量子比特或者开发高效的接口，是非常重要的课题。

07

量子教育市场蓬勃

国内外对量子教育愈发重视，国内以中科大、清华为首的高校开设了量子信息本科班，国外同样越来越多的高校将量子教育提前到了本科阶段。因为量子信息涉及多学科的交叉，需要非常长的培养周期。量子教育的需求增加自然会带来量子教育市场的蓬勃，包括量子教具的开发。

目前量子教具主要以教学机为主，可用于演示量子力学、量子计算、量子通信、量子传感中的基础实验。例如，中国的量旋科技推出了三款桌面量子计算机，主要用于大学甚至中学的量子计算教育，同样销售量子计算教学机的还有国仪量子，目前这两家的量子教育产品均已实现出海。

预计2023年及以后，量子教育市场将蓬勃发展，因为当前和未来一段时间量子技术的实际应用仍非常局限，而量子教育可能是一个重要风口。

08

创始人让位于专业经理人

目前量子公司的创始人几乎都是实验室中的研究人员，可能给公司经营带来一些问题，例如科学家创始人可能只有很少一部分精力投入到公司中来，另一方面，这些科学家在公司经营方面也缺乏经验。

因此，一些科学家创始人选择从一开始就将公司交由专业经理人经营，但也有一些创始人会兼任公司CEO。例如Rigetti公司的创始人Chad Rigetti在2013年成立公司后就一直担任CEO，而他本身是一位技术人员，直到前段时间Chad Rigetti才离开了CEO的岗位。预计2023年会出现更多创始人让位于专业经理人的现象。

09

更多公司开始考虑采用量子技术

对于量子技术来说，永远停留在实验室中是很难取得进步的，实际上如何将量子技术应用于不同行业的重要性不亚于开发一台量子计算机。与潜在客户的合作和探索，是量子技术走向实际应用的重要一步。正如计算机行业的开源文化，只有持续不断的反馈和优化，才能实现更好的产品。

而各行各业的公司选择采用量子技术的原因或许是一种“技术恐惧”，尤其是在量子计算机巨大算力的压力下，虽然不知道是哪一天，但总有一天可能攻破目前所有的加密设施，作为企业核心资产的数据存在被窃取的风险。因此，一些企业在积极尝试量子计算机的同时也在考虑部署抵御量子计算机的新型加密技术。

但不管是出于何种原因，的确有越来越多的企业开始尝鲜量子技术。根据IQM的最新调查显示。70%的受访企业高管表示，他们正在使用和开发现实生活中的用例；只有4%的企业没有使用，也没有计划在未来5年内采用量子技术。

10

国防领域加大投入

军事史本质上是一部技术创新史，近代以来，所有科学技术的创新都率先应用于军事。量子作为前沿技术，被各国国防部视为可以改变未来战争的技术，今年发表在EPJ Quantum Technology的报告《量子技术的军事应用》回顾并描述了可能的量子技术军事应用，包括量子技术在各种战争领域的具体军事应用，并阐述了相关问题和挑战。

包括美国在内的多国军方非常重视量子技术的发展。例如美国国防高级研究计划局DARPA是量子技术的积极推动者，特别是2020年启动的“中等规模量子器件噪声优化”（ONISQ）项目，计划通过48个月的时间证明量子优势的现实世界组合优化问题，明年该项目将进入尾声。

预计2023年国防领域对量子技术的投入将持续加大。

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