近日，中国迎来了首颗500+比特超导量子计算芯片，这一里程碑式的成果标志着中国在量子计算领域取得了重大突破。
值得注意的是，“骁鸿”芯片的研发并非易事。超导量子计算芯片的研发需要克服诸多技术难题，包括如何让量子比特的质量和数量同步提升，从而真正提升芯片的性能。
那么量子芯片究竟是什么？它又能为我们带来哪些令人瞩目的应用？展望未来，它又将拥有怎样的发展前景？为何国内外众多企业纷纷对其青睐有加？接下来，让我们一同揭开量子芯片的神秘面纱。
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量子芯片与普通芯片有哪些不同？
从材料来看，传统芯片的核心材料主要是硅。硅也是量子芯片常用材料之一，在硅材料纯度上，相较于经典芯片而言，量子芯片的要求更高。此外，III-V族化合物（如砷化镓、磷化铟）也是量子芯片制造中重要的材料，它们具有高电子迁移率和高载流子浓度，更适合制造量子比特，并且能级结构更容易控制。除此之外，量子芯片还可能涉及超导材料，石墨烯也被视为量子芯片的一种潜在材料。
在工艺方面，量子芯片的制造工艺则更为复杂，特别是在处理超导材料或特殊半导体材料时，需要更高的工艺精度和更严格的环境控制。不过，超导量子比特受材料缺陷的影响较小，利用成熟的纳米加工技术，可以实现大批量生产。
两者在应用领域也有显著差异，普通芯片广泛应用于现代电子设备的计算、控制和存储，而量子芯片则因其独特的量子效应和叠加态运算能力，在量子计算、量子模拟、量子通信等领域具有广阔的应用前景。例如，量子计算可以在密码破译、优化问题、药物研发等领域发挥重要作用。
02
2023年全球量子计算的十大进展
马里兰大学亚伦·斯米诺团队研发最“长寿”量子比特
萨塞克斯大学和UniversalQuantum的研究人员实现在芯片上传输量子比特
俞大鹏院士课题组联合团队发文展示量子纠错优势
该组合使研究人员能够构建将量子计算与先进的经典计算相结合的超强应用，进而推动校准、控制、量子纠错和混合算法的发展。
Quantinuum推出系统模型H2
Quantinuum通过逻辑比特实施容错算法首次实现量子计算模拟
当代码检测到在计算过程中产生错误的量子比特时，代码会立即终止计算，从而节省了量子资源。
哈佛大学创史上最高48Q逻辑量子比特
2023年12月，致力于美国国防部高级研究计划局（DARPA）中等规模带噪声量子优化(ONISQ)计划的哈佛研究团队创建了史上首个具有逻辑量子比特的量子电路，该量子电路含约48个里德堡原子逻辑量子比特，数量居世界之最。
03
量子计算成各国布局焦点
量子计算硬件技术主要分两大类，一类是以超导和硅半导体为代表的人造粒子路线，另一类是以离子阱、光量子和中性原子为代表的天然粒子路线。量子计算硬件研发目前处于各种技术路线并行发展和开放竞争阶段。
此外，从投资总额来看，2023年全球量子信息投资规模达到386亿美元，其中中国投资总额达150亿美元，位居全球第一，可见中国对量子科技发展的资金投入力度和重视程度。
今年以来，中国在量子计算方面的研发不断取得新进展，产业化步伐明显提速。
3月29日，中电信量子集团入围国务院国资委确定的首批启航企业，将加快建设抗量子计算的新型安全基础设施，积极推动量子通信产业化和量子计算实用化。
不过从现实来看，中国与在量子计算领域的发展与美国仍存在不小的差距，尤其是在量子芯片和超低温设备等核心技术方面。
德国、法国和其他欧洲国家在量子计算生态系统的发展方面呈现出积极的趋势。
德国政府的量子技术行动计划旨在成为量子技术的全球领导者，提供资金和战略框架。德国的量子计算企业数量排名全球第一，具有先进的技术能力，特别是在离子阱和中性原子等领域。不过，与美国相比，仍存在技术差距。
法国通过诸如国家量子技术战略等文件强烈支持量子计算。然而，与美国和中国相比，投资和产出仍存在差距，硬件和软件能力略低于德国。
英国、日本、加拿大和其他国家在量子计算的发展方面也取得了巨大的进展。英国政府的科学技术框架和国家量子战略旨在巩固其作为技术超级大国的地位，但与美国和中国相比，它在规模和类型上仍存在缺陷。日本通过其量子未来产业创新战略强调实际和工业应用，但在量子软件和服务方面仍存在一些缺点。加拿大已经启动了一项国家量子战略，得到了政府的大力支持，特别是在光子量子技术路线方面，尽管它在硬件和软件能力方面略落后于美国。
04
量子计算的商用元年是何时？
“十四五规划”多次提到量子技术。2024年政府工作报告明确提出开辟量子技术、生命科学等新赛道，创建一批未来产业先导区。
4月24日，北京市经济和信息化局、北京市通信管理局联合印发《北京市算力基础设施建设实施方案（2024—2027年）》，方案提出支持量子芯片等新型技术路线发展突破以及量子计算等先进技术研发；《山东省算力基础设施高质量发展实施方案》也提出积极布局量子计算等新型算力，依托国家广域量子保密通信骨干网络，推动量子密码应用技术和云计算技术相结合，探索量子通信规模化应用。
随着量子计算算法的持续演进，量子计算及量子通信依靠其高保密性，低时延及高可靠性等特点，应用场景逐步从特种场景向民用消费级领域拓展，从而拓宽市场空间。
ICV数据显示，结合量子计算所需的物理学基础与算法基础，量子计算有望在10-15年内实现规模化商用。根据IDC数据，2022年全球量子计算技术(包括硬件、软件和即服务解决方案)市场规模为11亿美元，2027年将增长至76亿美元左右。预计量子计算的商用元年在2030年，市场需求超过1000亿美元，2022-2030年年均复合增长率达79.72%。