全面分析量子商业化：实际用例、经济效益和产学政的“量子联盟”

量子技术有望改变产业界的说法并不陌生，无论这种改变体现在更安全的通信网络，还是更强大的计算上，但这种改变具体需要做什么以及它究竟什么时候会发生呢？

在国际光电工程学会 (SPIE) 举办的美国西部光电展 (Photonics West) 的分展会——西部量子展 (Quantum West) 上，演讲者们表示，现阶段正从实验室研发向商业化解决方案过渡中。

图1｜SPIE美国西部光电展（来源：Chromacity Lasers）

尽管量子计算和量子互联网的前沿应用仍是一个长期赌注，但在量子技术的其他领域，已经出现了原型和产品。

原子钟就是一个例子。起初，研究界开发原子钟是为了提供更精确的计时标准，现在的重点是对它重新进行设计，使其更加精巧，用于高速移动通信、同步金融交易，以及精确和弹性计时能够带来商业优势的其他情况。

量子传感器的应用也正在兴起。例如由量子传感先驱法国Muquans公司开发的重力传感器。该重力传感器在概念上基于牛顿的自由落体实验，在技术上使用冷却到接近绝对零度的铷原子云作为测试质量。

Muquans公司的系统，将所有关键组件集成到一个单一的装置中，该装置足够牢靠，可以将其部署到实地 (包括火山斜坡上) 进行地球物理监测。

图2｜Muquans基于冷原子实验制造了量子重力传感器（来源：Muquans）

Muquans的首席执行官Bruno Desruelle表示，人们经常会问什么时候才会出现量子技术的实际应用，其实现在已经有一些量子仪器投入使用了。Muquans建造了十多台重力传感器，他们相信量子技术为重力测量提供了竞争优势。

虽然Muquans仪器主要面向学术界，但其他一些公司正在为产业界开发传感器应用。

例如英国一家专门从事量子激光雷达气体成像技术研发的初创公司QLM展示了一种气体传感器，它利用单光子探测器实现甲烷排放监测。

这种传感器可以取代目前石油和天然气勘探中用于检测甲烷泄漏的手动嗅探测试，QLM的首席执行官Murray Reed表示，公司将在未来几个月内生产成本低于1000英镑的手持设备。

1. 通往成长的大门

英国国家量子技术计划 (NQTP) 的核心思想是，量子系统的早期应用将为更庞大的商业发展铺路。

该计划是首批由政府发起的认可并鼓励量子技术商业化的倡议之一，确定了实现量子技术的4个关键领域：传感与计时、成像、通信、模拟与计算。

图3｜NQTP官网应用板块（来源：NQTP）

计划列出了在不同时间范围内，每一个领域可能取得的商业成果。例如，量子通信领域，已经有范例表明可以将量子密钥分配 (QKD) 部署在一个标准的光纤网络中。与此同时，NQTP资助的一个项目正在开发抗量子算法，防止下一代量子计算机攻击。

波士顿咨询公司 (BCG) 的合伙人Matt Langione，深入研究了量子计算在未来20年可能会发生的演变，以及由此产生的市场价值。

BCG的分析师们则是比较了计算能力的提升所带来的商业机遇，以及提供计算能力所需的硬件和软件创新。无论这种创新是对经典计算的改良，还是引入了新的量子驱动解决方案。

图4｜Matt Langione（来源：BCG）

而根据BCG分析师的分析表明，在未来三到五年内，少于1000个量子比特的早期量子处理器，具备减少错误和数据压缩等功能，而这样的初期量子处理器能够在4个行业领域提供商业价值：金融、制药、材料和汽车及航空航天业所使用的计算流体力学模拟。也是在这个初级阶段，BCG合伙人Langione相信，这四个产业的经济效益可达几十亿美元。

而后 (未来十年左右) ，到了更复杂的量子计算机时代，此时的机器具备某种程度的纠错功能，而这种容错量子计算机将提供更为广泛的量子优势，并可用于加速材料设计和降低金融交易风险的模拟。这一阶段的经济效益有望提升至250-500亿美元。

再往后，从2030年左右开始，全面容错的量子计算机将解决上述4个行业领域中，最具颠覆性影响的问题。例如，帮助银行最有效地利用其资本、发现全新的药物或材料等。届时，BCG合伙人Langione预测，量子计算机产生的市场价值将达到数千亿美元。

2. 创造量子未来

上述观点在一些人看来可能过于乐观，特别是当目前的研究工作集中于将量子处理器，从区区几十个量子比特，扩展到建造容错量子计算机所需的数百甚至数千个量子比特时。

事实上，西部量子展上重点阐述了，我们需要设计实用且可扩展的系统来操作量子计算机。

谷歌量子人工智能团队的产品经理Eric Ostby透露，目前至少需要8000个额外的组件，来控制和读出谷歌最新款量子芯片中的54个量子比特。

图5｜谷歌54量子比特Sycamore量子布线（来源：谷歌）

通常情况下，设计实用的量子系统，意味着用坚固可靠的即插即用装置，取代当今复杂的实验装置。例如，上文提到的Muquans公司，其重力传感器成功的关键在于一种专属的激光技术，这种技术用固态倍频结构取代了光学元件，更加稳定的同时易于集成。

由于主会场是西部光电展，与会者们集中讨论了光子技术对量子应用的重要性。例如，激光被广泛用于操纵量子态，在过去的几年中，许多器件已经出现了量子实验所需的窄线宽和宽可调谐性。

即便如此，激光器制造商Vescent Photonics的首席执行官Scott Davis对于当前这一代设备的不足之处还是很坦率。

他表示，目前的激光器和量子系统工程师真正想要的激光器之间还存在差距。公司正在寻求成本低且完全集成的解决方案，因为今天的设备只能在某些波长下工作，而且真的只能在实验室中使用。

图6｜激光操纵量子态（来源：NextBigFuture）

对于像Vescent这样的公司来说，部分问题在于没有明确的路线图来指导其产品开发工作。鉴于此，量子经济发展联盟 (QED-C) 一个旨在支持美国量子产业发展的组织，于2020年9月组织了一次研讨会，讨论未来量子应用对光子学的要求。

当时主持研讨会的Davis指出，最大的问题之一是，激光器在量子技术中的发展方向不清晰，特别是在现阶段有许多不同的应用场景，需要不同的波长和激光特性的情况下。

因此，QED-C发起了一项倡议，以确定应首先解决的技术和市场交叉点。

与此同时，Davis确信，缩减当前市场不确定性因素的最佳途径是参与学术研究项目。与量子科学家合作，帮助激光器制造商设计出符合特定技术要求的设备，从而设计出更多的集成产品，并出售给设备制造商。

例如，上述过程使得激光器制造商Vescent创建了一个基于激光的集成系统，该系统已经部署在量子传感器和原子钟上。

图7｜QED-C研讨会（来源：PR Newswire）

其他与会者强调，需要在产业界、学术界和政府计划之间，开展强有力的合作，以推动早期商业化进程。这一观念已经在包括英国在内的一些地区正式化。

NQTP计划更像是在专注于创造科学知识的学术研究团体，能够发现市场机会并建立实际解决方案的大型/小型公司，和作为量子技术的赞助者和早期采用者的政府，三者之间建立起了一个“量子联盟”。

而衡量其成功与否的一个标准是，在最近一轮大型项目的融资中，有63家公司参与了对现有8400万英镑的竞标，而这些公司本身在过去两年中又为量子技术的开发筹集了1.09亿英镑。

足以证明，开发量子技术并将其转化进入市场的劲头不弱。就像设备需要集成一样，大家的共同努力要比各自精彩更加强而有力。

封面：

SPIE

引用：

[1]https://physicsworld.com/a/converting-quantum-promises-into-commercial-realities/

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