量子計算(Quantum Computing)目前的進展,概念股有哪些?

量子計算

量子計算介紹

一言以蔽之,量子計算現在還在非常早期的起始階段。

簡介

量子電腦是一種遵循量子力學規律、進行高速運算、儲存及處理量子訊息的物理裝置。因為它使用的是可重疊的量子位元(又稱為Q位元、qubit),在處理數據時可讓0和1「同時」出現,完全顛覆現有的計算機運算的原理和先天上的限制。因此它的優勢也十分明顯:處理速度驚人,比傳統計算機快數十億倍(註:本文的說明都只是基本的概念,量子電腦真正牽涉的技術比這深奧多了)。

IDC報告預計,全球量子計算市場將從2020年的4.12億美元增長到2027年的86億美元,6年複合年增長率超過50%。

量⼦電腦製造極其困難,遑論商業化

我們必須兼顧易於操控,確保狀態維持持久性等各種可商業化有⽤的特性,才能打造出真正實⽤的量⼦運算解決⽅案。許多公司宣稱已經找到如何製造⼤量固態量⼦位元的⽅法,也就是 Transmon製造技術,由於這種技術與現有晶片製造技術相似,因此市場許多主要參與者(包括字母、國際商業機器公司、和 Rigetti)都選擇採⽤ Transmon技術;但因需要控制在超低溫狀態,因此不容易保持狀態。Transmon技術需複雜的稀釋製冷系統,但是另一種離⼦阱技術(trapped-ion)則只需要液氦製冷就可以了。

發展的三階段

用中國大陸中科院院士潘建偉的話來說,量子計算的發展有三個階段:

  • 第一階段的目標是實現量子計算優越性,即量子計算機對特定問題的計算能力超越超級計算機,這一目標已經有美國、中國和加拿大先後達到。
  • 第二階段的目標是實現專用的量子模擬機,可以應用於組合優化量子化學、機器學習等特定問題,來指導材料設計、藥物開發等,達到這一階段,按照目前的估計還需要5到10年,是當前學術界主要的研究任務。
  • 第三階段是在實現量子糾錯的基礎上,構建可編程通用量子計算機。由於技術上的難度,何時實現通用量子計算機尚未明確,學術界一般認為還需要15年至20年,甚至更長的時間。

實際上的阻礙

沒有硬體,一切都將是空談

現在量子計算產業最大的挑戰就是硬體,量子比特的規模太小。而真正需要應用,就需要在保證質量的同時要大規模提高量子比特的數量,所以要很快推到幾百、幾千、幾萬,甚至是百萬量子比特的規模,而這也是當下硬體投資比較火熱的原因。

這也是為何全球80%的投資都投在量子計算機硬體件本身,硬體是當下的投資重點,軟體生態可能佔據不到20%。

主要的困難

根據英特爾的說法,目前這個行業仍遇到以下幾個重大的阻礙待克服:

  • 量⼦位元糾錯⽅⾯的⼯作:確保量⼦位元有夠⻑的⽣命期,壽命必須⻑到它能夠完成⼀些有意義的計算。這就就像人造太陽核融核一樣,必須找到核融核壽命夠長,而且能受到人為控制時,才有商業化的可能。
  • 實現在本地對量⼦位元的控制,⽽非通過遠端連線來控制。
  • 路徑上的安排:也就是如何把量⼦位元真正地放到⼀個物理的量⼦位元系統當中。
  • 量⼦位元之間的連接:就是將量⼦位元連接起來,形成⼀個比較有規模的⼤系統。

參與的廠商

除了中國大陸,目前全世界主要的商用製造商都在北美,他們的進度、各自的發展、和達成的里程碑如下:

製造商美股代碼進度、發展、和里程碑
中國中科院 未上市 2021年十月,中國超導研究團隊構建了66比特可編程超導計算原型機「祖沖之⼆號」,比⽬前最快的超級計 算機快⼀千萬倍。
2020年構建76個光子的原型機「九章」,處理高斯玻色取樣問題的速度比超級計算機快一百萬億倍。
國盾量子(Quantum CTek)上海688027量子通訊產品的開發、生產和技術服務,包括金融、電子、通訊等多領域,參與過京滬高鐵量子保密通訊幹線和「墨子號」量子衛星的技術服務。全球首家上市的相關企業。
國儀量子(CIQ Tek)未上市 中國科大超導研究團隊建立的新創公司
本源量子(Origin Quantum)未上市 中國科大超導研究團隊建立的新創公司
圖靈量子(Turing Quantum)未上市中國率先發展光量子晶片和光量子計算機的公司
百度BIDU2022年百度正式發布產業級超導量子電腦「乾始」
D-WaveQBTS成立於1999年,全球第一家相關的商業供應商,也是相關應用服務軟體的開發商。
2020年為止,客戶已經用D-Wave的系統構建了200多個應用程序。
2015年時字母和NASA採用D-Wave的量⼦電腦,取得比傳統電腦快一億倍的效能。
著名的客戶包括福斯汽車、字母 、埃森哲、NASA、洛克希德·馬丁、DENSO、ISC、橡樹嶺國家實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室。
字母GOOGL和GOOG2022年分拆旗下相關部門為獨立的公司Sandbox AQ
2021年時宣佈10 年內要打造具有糾錯機制的量子電腦。
2019年時在《自然》雜誌上發表篇論文,聲稱自己擁有52個量子位的Sycamore量子電腦已經取得了量子霸權,但立即遭英特爾、國際商業機器公司吐槽說字母過度誇大。
2018年時公布 72 量子位元處理器,並把量子演算法框架 Criq開源。
英特爾INTL主要的合作伙伴是荷蘭的 QuTech。
2021年時宣稱以英特爾的低溫控制晶片 Horse Ridge能控制電⼦元件能夠在低溫環境下以⾼精度⽅式運作。
2017年時能支援17 量子位元。
RigettiRGTI由矽谷量子電腦開發者Chad Rigetti於2013年成立的Rigetti公司,將於2021年10月7日開始推出第一台商用量子電腦。2021年透過SPAC合併後上市。
IonQIONQ2021年透過SPAC,IonQ與dMY合併後上市。客戶包括 Breakthrough Energy Ventures、現代汽車和起亞公司
牛津量子電路未上市 擁有全英國唯一商用量子電腦
IQM未上市 來自歐洲的超導量子計算公司
國際商業機器IBM2022年5月公布新量子發展路線,超過4,000量子位系統 2025 年將亮相
2021年IBM揭曉127量子位元晶片Eagle,兩年內在部分應用將取代傳統電腦
2019年開發出全球首台獨立的IBM Q System One,目前是利用互聯網出租,未來不排除對外出售。
2019年時能支援20 量子位元。
漢威聯合HON2021年,劍橋收購量子計算,打造全球最大的量子計算公司
2020年時投資Zapata及Cambridge合作開發量⼦演算法及軟體,並推出量⼦電腦Model H0後,Honeywell再推出更強的System Model H1。
2020年以離⼦阱技術成功製造出量⼦電腦,並透過微軟 Azure。
雲端服務提供使⽤者存取,宣稱是迄今最強⼤的商⽤量⼦電腦,摩根大通將成為其首家客戶。
Xanadu量子技術未上市2022年Xanadu的量子電腦Borealis,能在36微秒,完成與高斯玻色採樣(gaussian Boson sampling,GBS)有關的運算。現今最強大的超級電腦執行同一任務需要9,000年時間
亞馬遜AWSAMZN2022年亞馬遜雲科技宣布成立量子網路中心Amazon Centerfor Quantum Networking, CQN
2022啟用以超導量子比特技術為基礎的八量子比特量子處理單元,命名為Lucy的量子處理單元(QPU)。
Amazon Braket 是一項AWS的完全託管服務,支持混合量子工作負載,讓客戶可以存取以下三個初創公司的量子硬體方案:D-Wave Systems、IonQ 和 Rigetti。
Quantum ComputingQUBT提供Qatalyst應用程式加速器以在傳統計算機上建立和執行符合量子應用的程式,同時準備在量子計算機上運行,並提供多個量子處理單元,包括 DWave、Rigetti 和 IonQ。
微軟MSFT2020年開放雲端量子服務Azure Quantum給所有客戶。
2019年發表雲端量子服務Azure Quantum,供開發人員研究;而且宣布量子開發套件的 Q# 編譯器開源,也推出量子模擬器。
2017年推出量子開發套件的 Q# 編譯器。
2005 年成立了「Station Q」實驗室。
輝達NVDA輝達提供cuQuantum,這是一個軟件開發套件,包含優化的庫和工具,用於加速量子計算工作流程

它的價值在那裡?

量⼦計算可以解決很多⽬前常規計算能⼒無法解決的問題,例如材料模擬、藥品模擬、後量⼦時代的加密演算法等。量⼦計算離真正地實現⼤規模商⽤,最樂觀的估計至少都還需要 10 年以上才能真正商品化,即使進入到商⽤階段────也就是說現有的演算法大部份都還是仍舊有效,不會讓傳統的計算⽅法。例如深度學習、⼈⼯智慧(請參見我之前的部落格文章《人工智慧的投資陷井》)等,變得過時或無效。

量子計算
credit: finbold

量⼦計算機看來絕對能顛覆現有使用幾十年的計算方式,連現在任何最先近的超級電腦在它眼前都只是小兒科。但是,我要提醒投資人,一如超級電腦,量⼦計算機非常昂貴,用途有限,市場很小────不會是很好的投資標的。要不然世界上最著名的克雷(Cray Inc.)超級電腦公司也不會破產倒閉,因為用得起它的人很稀有,在台灣除了無法證實的情報單位外,只有中央氣象局。

潛在市場有多大?

IDC曾預計,全球量子計算市場將從2020年的4.12億美元增長至2027年的86億美元,年復合增長率達50.9%。

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