谁抓住了薛定谔的猫？量子计算卡位战

我国十四五规划和2035年愿景建议中明确指出，将瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。其中，量子信息是量子力学与信息科学的交叉学科，是借助量子力学的特性，实现经典信息科学中实现不了的功能，按照研究内容可以分为量子计算、量子通信、量子测量三个大类。量子计算相比传统计算机具有超高算力、并行计算、可逆计算等特点，在科研和工程领域具有重大意义。多国政府加大量子信息产业投入。美国在上个世纪已经完成量子理论和实验室研究的突破，快速进入商业投入和工程应用阶段。2021年3月9日，美国量子计算初创公司IonQ宣布，该公司已与特殊目的公司DMY Technology Group III签订并购协议。交易完成后，IonQ将通过SPAC方式在纽约证券交易所挂牌上市，预计合并后的公司市值将达到20亿美元左右。我国在该领域起步较晚，但已有突破，2020年12月4日，中国科学技术大学潘建伟等人成功构建量子计算原型机 “九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年，这一突破使我国成为全国第二个实现“量子优越性”的国家。在背景下，六棱镜研究院依托Sixlens全球专利投融资情报系统，盘点量子计算的参与主体及布局。

01

“薛定谔的猫”的叠加态是量子计算机的底层逻辑

薛定谔的猫的逻辑是量子计算机独树一帜的原因。薛定谔的猫是物理学家薛定谔做的一个假象试验，具体过程是，将一只猫关在密闭容器中，容器中装有少量的镭和氰化物。如果镭发生衰变，则会触发打碎装有氰化物的机关，氰化物就会扩散，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，镭的衰变存在一定的概率，所以镭处在衰变和没有衰变两种状态的叠加，对应到猫，猫就应该处在活着和死亡两种叠加的状态，这只既活又死的猫就是“薛定谔的猫”。“薛定谔的猫”是量子力学中最广为人知的一则佯谬，猫处于生与死的叠加态听起来不可思议，这样的叠加态却是量子计算机的底层逻辑。

薛定谔的猫的思想实验

图片来源:21ic

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。经典计算机经过不断的进化，体积越来越小，但以0、1来表示信息的核心思想始终不变，存储这两种形态中的一种的存储单位就叫做比特，一个比特里存储的信息必须是“1”或“0”，，N个比特可以表示N个数。量子计算就完全不同了，量子计算机中类似于比特的单位是量子比特（qubit），相对于比特中存储的信息只能是“1”“0”两种状态，量子比特中存储的信息可以是“1”和“0”，N个量子比特可以表示2次方的数，随着N的的增加，处理信息的能力将指数上升。简单来说，如果将单个比特比喻成一枚硬币，将硬币的正面记作0，反面记作1，经典计算机所能做到的事情，只是使这枚硬币的其中一面朝上，正面或反面。而量子计算机可以使这枚硬币处于正面朝上与反面朝上的状态。通过将单个比特的状态调整为0与1的“叠加态”，量子计算机可以在并行计算上大显身手。

量子计算产业链包括了物理平台、量子软件、量子架构以及应用产业等。量子计算的先进性吸引了科技巨头的布局，，科技巨头间的激烈竞争，有力推动了量子计算技术的加速发展。IBMGoogle、Intel、微软、Honeyell、Amazon相继加入，涌现出一批初创企业。

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物理平台多种技术路线并存，巨头企业、初创企业和研究机构均在布局。

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量子处理器物理平台是量子计算的关键瓶颈之一，目前呈现多种路线并行的态势，包括超导、离子阱、硅基半导体、光量子和拓扑等，目前，前四种路径均已制作出物理原型机。其中，超导和离子阱技术路线受到关注程度最高。

超导路线可以借助先进集成电路加工工艺来实现比特数量规模的快速扩展，被认为是最有可能率先实现实用化量子计算的方案之一。科技巨头方面，Google、IBM、英特尔均在布局超导路线，2019年10月底，谷歌宣布实现了量子霸权，其开发的Sycamore的芯片仅用52个量子位就在几分钟内完成了一项最先进的经典计算机耗时1万年也不可能完成的任务；初创企业和研究机构方面，Quantum circuits、Rigetti和本源量子、北京量子信息科学研究院等公司和研究机构也在布局超导路线。2020年9月，本源量子发布国产超导量子计算云平台，搭载六比特超导量子处理器夸父KF C6-130，保真度、相干时间等各项技术指标均达到国际先进水平。

离子阱技术路线在物理比特质量和逻辑门保真度等方面比超导路线具有一定优势，具备室温条件工作的优点。科技巨头方面，Honeyell在布局离子阱技术路线，2020年11月，Honeyell报道差异化量子电荷耦合离子阱10位全连接物理比特样机，计划2030年提升至40位；初创企业和研究机构方面，启科量子、清华大学、中山大学、IonQ、Universal Quantum、在布局。2020年6月，UQ获得了450万美元的种子轮融资，领投企业包括7Percent，Hoxton Ventures，Innovate UK等风投机构。

硅半导体技术路线与现代半导体集成电路工艺兼容，在可扩展性和可集成性等方面具有优势。科技巨头方面，Intel重点投入硅半导体技术路线；初创企业和研究机构方面，中科大、本源量子、TU Delft、新南威尔士大学等公司和研究机构长期重点投入，2020年，新南威尔士大学的量子计算研究人员在论文中描述了在一个硅量子点中创造人工原子的机理。

光路线在相干时间、室温工作、高维纠缠操控等方面具有优势，在实现量子信息系统互联方面也具有天然优势。该技术路线主要是由研究机构和初创企业在布局，包括中科大、上海交大和美国初创公司PsiQuantum。2019年12月，中科大在国际上实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算。

拓扑路线的主要推动方是微软，2005年，微软建立StationQ，负责研究拓扑量子计算。2020年9月，微软宣布与哥本哈根大学合作成功实现了一种新材料，新材料有望应用于拓扑量子比特，从而实现真正的拓扑量子计算机。

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量子软件生态处于初步培育期，包括基础软件、中台型计算开发软件和门户型应用服务软件等

由于在底层运行逻辑和算法软件设计方面与经典计算有很大不同，所以需要基于量子计算的思维逻辑进行软件编程和应用开发，目前，量子计算的软件生态还在初步培育期，包括基础软件、中台型计算开发软件和门户型应用服务软件。在量子软件方面布局的科技巨头包括IBM、谷歌、honeyell、华为、百度等。IBM开发了开源QISKIT软件，谷歌开发了TensorFlo、quantum、fermi，微软开发了QDK开源工具包，honeyell开发了、化工材料等领域的应用程序，百度开发了Paddle Quantum，华为开发了HiQ。在量子软件方面布局的初创企业包括Rigetti、Xanadu以及本源量子等。Rigetti创建了一个用于编写和运行量子程序的开发环境Forest，Xanadu开发了Straberry Fields，本源量子开发了QPanda。

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量子云平台成为子计算能力输出的主要途径之一，巨头企业、初创公司加快布局，技术和服务各具特色。

量子云平台通过经典网格提供量子计算硬件接入、模拟以及软件服务，成为量子计算能力输出的主要途径之一，巨头企业、初创公司加快在量子云平台的布局，在技术和服务等方面各具特色。

国外科技巨头包括google、IBM、微软、亚马逊、阿里巴巴、华为和百度等，从全球来看，IBMQSystem量子平台发展最早，生态也较为完善，2020年9月，IBM公布其量子计算机未来几年的路线图，预计2023年，会实现1121比特的量子系统Condor。在未来十年，能够实现容错量子计算机。

初创企业包括Rigetti、D-Wave、QunaSys、Avaix、QuanFi本源、量旋科技、昆峰等。2020年9月，昆峰量子宣布“昆冈”量子计算（模拟）云平台2.0版本正式对外提供服务。

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在产业应用方面，量子计算目前仍处于产业应用初期，主要包括量子模拟和量子计算加速和优化。

量子计算目前仍处于产业应用初期，主要分为两种类型的应用，一是量子模拟，即在材料学、药物研究、量子化学等领域运用量子计算进行量子模拟。2021年1月，全球领先的研发驱动制药公司勃林格殷格翰(Boehringer-Ingelheim, BI)宣布与谷歌达成合作协议，专注于研究和实施量子计算在药物研发领域中的前沿用例。二是量子计算加速和优化，包括AI、处理及优化等，主要应用在金融、航空、交通等领域。2020年3月，谷歌宣布推出TensorFlo Quantum，将和量子计算计划整合在一起，用于快速建立量子模型原型的开源库。2021年2月，大众汽车在葡萄牙里斯本的Web Summit会议上进行了先进量子计算的实时演示，大众汽车为9辆公共汽车配备了与Quantum Routing系统相连的平板电脑，从而能够指导每辆公共汽车采取最有效的路线来避免交通拥堵。

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