2021量子计算技术创新与趋势展望.pdf
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1、2021量子计算技术创新与趋势展望赛迪顾问人工智能产业研究中心2021年5月量子计算是利用诸如叠加和纠缠等量子现象进行计算的一种革命性计算技术,能够实现经典计算技术无法比拟的巨大信息携带量和超强并行计算处理能力。随着量子比特位数的增加,其存储能力与计算能力还将呈指数级规模拓展。量子计算的优越性为解决大量新的议题和项目对计算能力更加强大的计算机设备的需求提供了革命性的解决路径,受到世界主要国家和科技企业广泛的关注。尽管在短期内,量子计算将作为一项基础研究,尚未能呈现切实的落地应用,但其正在不断向人工智能、生物医药、金融安全、交通运输等领域渗透。更重要的是,量子计算作为一种前所未有的计算微观世界的
2、强大工具,将给现有的计算理论带来深刻变革,极大加深人类对物质与信息的理解。量子计算试图在量子水平上构造、控制物质系统,其研究过程是人类物质科学质的进步。作为当前最重要的科技领域之一,量子计算承载着人类对科技的想象和探索的勇气,我们应当对量子计算报以热忱。量子计算所能带来的改变和应用的领域还有待持续地发掘,站在拓展人类物质科学实践的风口上,量子计算将不再是科学家的遥远梦想,人类在量子计算领域的不懈探索使其未来不再遥不可及。前 言目录1234前言 主要观点 01 01概念界定及发展演进 02概念定义 03发展历程 04 02政策资源分布 06全球政策及中国政策 07 03技术发展情况 09技术成果
3、 10技术瓶颈 11 04赛迪预判 12商业前景 13发展趋势 141234图目录图1 经典计算机与量子计算机运算能力影响因素 4图2 量子计算发展历程 5图3 量子计算商用市场规模预测 13表目录表1 全球量子科技相关政策梳理 7表2 中国量子科技相关政策梳理 8112342021量子计算技术创新与趋势展望主要观点量子计算为提升算力和降低能耗提供了颠覆性的处理思路,对量子计算的研究是突破经典计算的算力极限的革命性科学尝试。从概念构想到实验室成果再到商业价值初探,探索物理实现粒子和提高量子比特位数是全球研究机构及科技企业追逐的关键。世界主要国家高度重视量子科技发展,我国充分认识推动以量子计算为
4、代表之一的量子科技发展的重要性和紧迫性。在各国顶层政策催化下,量子计算在前沿科技领域受到广泛关注,科研探索和技术创新保持活跃,发展态势良好。量子计算存在多种技术路线以制作出纠缠态的最基本物理实现粒子,但尚无任何一种路线能够完全满足实用化条件要求从而推动技术方案等融合收敛。量子计算目前还处于原型机研发阶段,对粒子状态的控制是亟需突破的难点。距离实现对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测还需至少十年的探索周期。若实现量子纠错机制的应用,量子计算有望在10-15年内实现商用,市场规模将实现爆发性增长,预计量子计算的商用元年在2030年左右,量子计算商用元年的市场规模将达到140.1亿美元。量子计
5、算为提升算力和降低能耗提供了颠覆性的处理思路,对量子计算的研究是突破经典计算算力极限的革命性科学尝试。从概念构想到实验室成果再到商业价值初探,探索物理实现粒子和提高量子比特位数是全球研究机构及科技企业追逐的关键。概念界定及发展演进 概念定义 发展历程01“12342021量子计算技术创新与趋势展望312342021量子计算技术创新与趋势展望经典计算机信息的基本单元是比特,比特是一种有两个状态的物理系统,用0与1表示。在量子计算机中,基本信息单位是量子比特(qubit),用两个量子态0和1代替经典比特状态0和1,每个量子比特的状态是0或1的线性组合(通常称为叠加态)。经典计算机的运算模式为逐步计
6、算,一次运算只能处理一次计算任务。量子计算为并行计算,因此量子计算机可以同时对2n个数进行数学运算,相当于经典计算机重复实施2n次操作。在经典计算中,计算能力与晶体管数量成正比例线性关系;量子计算机中算力将以量子比特的指数级规模拓展和爆发式增长。(一)概念定义:1.量子计算概念:量子计算是利用诸如叠加和纠缠等量子现象进行计算的一种革命性计算技术。这些量子现象遵循量子力学规律通过调控量子信息单元实现。发展定位以量子比特为基本单位,通过量子态的受控演化实现并行计算,在某些计算困难问题上提供指数级加速。原理特性为计算困难问题提供高效解决方案,实现突破经典计算极限的算力飞跃。应用前景实现大规模可编程容
7、错量子计算机及其应用;将与经典计算长期共存,相辅相成。2.量子计算机与经典计算机的区别:量子计算机基于量子力学原理构建,用于处理和计算量子信息,运行量子算法。量子计算机与经典计算机在基本单位、运算模式和计算能力上存在明显区别。基本单位运算模式计算能力412342021量子计算技术创新与趋势展望基于上述优势,量子态叠加原理使得1台n位的量子计算机算力在理论上等同于2n台n位的经典计算机算力。因此,相较经典计算机,量子计算机具备“量子优越性”。一旦量子计算机强大到可以完成经典计算机无法执行的计算时,“量子霸权”由此实现。(二)发展历程:从20世纪80年代量子计算概念的最初构想到20世纪90年代划时
8、代的量子算法编制,再到21世纪以来商用量子计算机实现路径的孵化成型,经历了近半个世纪的积淀与培育,提高量子比特数和探索物理实现粒子是科学界与企业界追逐的关键。未来,向实验室外拓展量子计算,实现通用量子计算机,面向广泛商业化应用场景是科技浪潮即将奔赴的海岸。运算能力线性关系晶体管数量图1经典计算机与量子计算机运算能力影响因素经典计算机量子计算机运算能力指数关系量子比特数资料来源:赛迪顾问,2021,05512342021量子计算技术创新与趋势展望1982-1993 理论概念构想期 1982年,Richard Feynman提出利用量子体系实现通用计算的想法,即量子计算的早期概念构想。1985年,
9、David Deutsch提出了量子图灵机模型,使得通用量子计算机的构建更加清晰。1992年,Deutsch Jozsa提出了D-J量子算法,这是量子并行计算理论的基石。1994-2006 实践成果初探期 1994年,Peter Shor提出Shor算法,对RSA等在内的加密算法和系统造成了威胁,成为量子计算的核心突破。1995年,Benjamin Schumacher第一次提出了量子比特信息学上的概念,并创造了“量子比特”(qubit)的说法。1996年,Lov Grover提出了Grove量子搜索算法,该算法被公认为继shor算法后的第二大算法。1998年,Bernhard Omer提出量
10、子计算编程语言,拉开了量子计算机可编程的序章。2007-2013 研究开发活跃期 2007年,D-wave Systems实现了历史上第一台商用量子计算机。宣布研制成功 16 量子比特的量子计算机“猎户座”(Orion)。2009年,Harrow、Hassidim、Lloyd提出HHL量子算法。该算法在特定条件下实现了相较于经典算法的指数加速效果,将在机器学习、数值计算等场景有优势体现。2014-2019 商业价值孵化期 2014年,Google建设“Google量子人工智能实验室”,自此专营量子计算的创业公司开始出现。2016年8月16号,墨子号量子科学实验卫星成功发射升空。2019年1月,
11、IBM公司发布世界上首个商用集成量子计算系统:IBM Q System One,这一新系统对于在实验室外扩展量子计算至关重要。2019年,谷歌发布论文称已经利用一台53量子比特的量子计算机,证实了量子计算机性能超越经典计算机,成为量子计算领域发展的标志性事件,刺激了全球科技巨头和初创企业的进一步投入与竞争。2020-以后 技术应用跃升期 未来,随着量子物理比特数量和质量的提升,预计到2030年,基于百位量级量子物理比特,在含有噪声,即未实现量子纠错的条件下,探索开发相关应用和解决特定计算困难问题。到2050年,有望实现通用量子计算机,提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值(
12、99.999%),并进一步面向更广泛的应用场景。图2量子计算发展历程全球主要国家高度重视量子科技发展,我国充分认识推动以量子计算为代表之一的量子科技发展的重要性和紧迫性。在各国顶层政策催化下,量子计算在前沿科技领域受到广泛关注,科研探索和技术创新保持活跃,发展态势良好。政策资源分布 全球政策与中国政策02“12342021量子计算技术创新与趋势展望712342021量子计算技术创新与趋势展望(一)全球政策及中国政策:量子科技是新一轮科技革命和产业变革的必争领域之一。近年来,美国、欧盟、英国、日本等主要国家和地区高度重视量子科技发展,通过出台政策文件、成立研究机构、支持量子科技研究等方式加大对量
13、子科技的规划布局和支持力度。年份国别主要政策2002美国量子信息科学和技术发展规划2009量子信息科学的联邦愿景20152015-2019年技术实施计划2016推进量子信息科学发展:美国的挑战与机遇2016与基础科学、量子信息科学和计算交汇的量子传感器2018国家量子倡议法案2018量子信息科学国家战略概述2018国家量子倡议法案2020美国量子网络战略构想2015英国量子技术国家战略英国的一个新时代2015英国量子技术路线图2016量子技术:时代机会2018量子技术报告2020量子信息处理技术布局2020:英国防务与安全前景2016欧盟量子宣言(草案)2020战略研究议程(SRA)2020澳
14、大利亚量子技术路线图2017日本关于量子科学技术的最新推动方向表1全球量子科技相关政策梳理资料来源:赛迪顾问整理,2021,05在我国,量子科技产业获政策持续支持,已上升为国家战略。早在2006年发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020年)中,就已经提出“重点研究量子通信的载体和调控原理及方法,量子计算,电荷-自旋-相位-轨道等关联规律以及新的量子调控方法”。2016年,在国务院国家创新驱动发展战略纲要中提出了促进“量子信息技术”发展的战略规划。2020年,中共中央政治局就量子科技研究和应用前景进行第二十四次集体学习,习近平总书记提出“要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性
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