量子计算技术创新与趋势展望

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量子计算技术创新与趋势展望
量子计算与经典计算并非竞争关系,量子领域应加深和传统技术领域的合作,利用现有技术成果加速自身发展​‍‌‍​‍‌‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌​‍​‍​‍‌‍​‍​‍​‍‌‍‌‍‌‍‌‍​‍‌‍​‍​​‍​‍​‍​‍​‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍‌‍‌‍‌‍​。 未来,量子计算机和经典计算机将相辅相成、并行存在,分别满足不同的市场需求,从中到适合的商业模式和应用模式,占据相应的市场份额​‍‌‍​‍‌‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌​‍​‍​‍‌‍​‍​‍​‍‌‍‌‍‌‍‌‍​‍‌‍​‍​​‍​‍​‍​‍​‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍‌‍‌‍‌‍​。
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突破性计算技术,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将呈指数级规模拓展。 量子计算的优越性为解决大量新议题和项目所需的计算能力更加强大的计算机设备提供了突破性的解决路径,受到世界各国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,尚不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。
充电器测试系统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领域质的进步。 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。通信与信息管理
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算力极限的突破性科学尝试。 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。
世界主要国家都高度重视量子科技发展,我国也充分认识到了推动以量子计算为代表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须突破的难点。 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。
若能够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,届时其市场规模将达到140.1亿美元。
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概念界定及发展演进
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。
概念定义
塑木葡萄架量子计算概念: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突破性计算技术。 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。
原理特性: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。
发展定位: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错量子计算机及其应用; 将与经典计算长期共存,相辅相成。可调式电热板
量子计算机与经典计算机的区别在于,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(如图1所示)。
基于这些优势,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,相较经典计算机而言,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”将由此实现。
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,量子计算经历了近半个世纪的积淀与培育,而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构建,面向广泛商业化应用场景是科技浪潮即将奔赴的海岸。
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,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。自动排污阀
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,成为量子计算的突破核心; 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,该算法被公认为是继shor算法后的第二大算法; 1998年,Bernhard
Omer提出量子计算编程语言,拉开了量子计算机可编程的序幕。
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,并宣布研制成功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、数值计算等场景展现出优势。
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,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,证实了量子计算机的性能超越了经典计算机,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。
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,科学家将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,我们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(>99.999%),并进一步面向更广泛的应用场景。
政策资源分布
全球主要国家高度重视量子科技发展,我国充分认识到推动以量子计算为代表的量子科技发展的重要性和紧迫性。 在顶层政策催化下,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、英国、日本等主要国家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子科技的规划布局和支持力度(如图3所示)。
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(2006-2020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。

本文发布于:2023-08-17 21:48:28,感谢您对本站的认可!

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