瞻觀前沿

糾纏是量子物理學(xué)中的一種現(xiàn)象，其中兩個或多個系統(tǒng)以一種無法單獨(dú)描述其量子態(tài)的方式互連。當(dāng)系統(tǒng)相互作用并變得糾纏時，它們表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性。這個概念對于量子計算至關(guān)重要，因?yàn)榧m纏的程度直接影響量子計算機(jī)的優(yōu)化和效率。系統(tǒng)糾纏得越多，量子計算機(jī)的性能就越好。

巴西里奧克拉羅圣保羅州立大學(xué)地球科學(xué)與精確科學(xué)研究所 (IGCE-UNESP) 物理系的研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)研究，測試了一種量化糾纏的新方法及其最大化的條件，應(yīng)用包括優(yōu)化量子計算機(jī)的構(gòu)造，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)理論，并有可能推動量子計算的發(fā)展。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了糾纏在增強(qiáng)處理能力方面的重要性，并提供了對經(jīng)典計算局限性的見解，突顯了谷歌和IBM 等公司領(lǐng)導(dǎo)的量子技術(shù)的快速進(jìn)步。有關(guān)這項(xiàng)研究的文章以信件形式發(fā)表在《物理評論 B》上。

該研究展示了赫爾曼-費(fèi)曼定理在特定條件下如何失效。該定理描述了系統(tǒng)自身能量對控制參數(shù)的依賴性，是從量子化學(xué)到粒子物理學(xué)等跨學(xué)科使用的量子力學(xué)的關(guān)鍵部分。

該文章的最后作者、IGCE-UNESP教授Valdeci Mariano de Souza表示，簡單地說，我們提出了一種Grüneisen參數(shù)的量子模擬，該參數(shù)在熱力學(xué)中廣泛用于探索有限的溫度和量子臨界點(diǎn)。在我們的提案中，量子Grü的neisen參數(shù)量化了與控制參數(shù)相關(guān)的糾纏，例如，控制參數(shù)可能是磁場或一定水平的壓力。使用我們的提議，我們證明了糾纏將在量子臨界點(diǎn)附近最大化，赫爾曼-費(fèi)曼定理在臨界點(diǎn)處崩潰。

對Souza來說，這些結(jié)果有助于物理學(xué)的基礎(chǔ)研究，也可能對量子計算產(chǎn)生直接影響?；貞浧鹩⑻貭柭?lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾1965年的預(yù)測，即傳統(tǒng)計算機(jī)中使用的晶體管數(shù)量將每兩年翻一番，他說，經(jīng)典計算機(jī)的這種快速增長是無法持續(xù)的，而最近的技術(shù)進(jìn)步正在使量子計算突飛猛進(jìn)，谷歌和IBM等巨頭處于領(lǐng)先地位。

圖片來源：攝圖網(wǎng)

技術(shù)價值觀察

量子信息主要包括量子計算、量子通信和量子測量三大領(lǐng)域。量子信息產(chǎn)業(yè)鏈從上游到下游主要包含基礎(chǔ)光電元器件、量子通信核心元器件、量子通信傳輸干線、量子系統(tǒng)平臺、以及應(yīng)用層五個環(huán)節(jié)。其中基礎(chǔ)光電元器件和核心設(shè)備是支撐起量子通信的技術(shù)和硬件基礎(chǔ);量子傳輸干線是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子通信及量子網(wǎng)絡(luò)的傳輸渠道;量子系統(tǒng)平臺主要負(fù)責(zé)對信息進(jìn)行整合處理并根據(jù)需求做出相關(guān)指令，是維護(hù)整個系統(tǒng)健康運(yùn)轉(zhuǎn)的軟件基礎(chǔ);應(yīng)用層則為量子信息產(chǎn)業(yè)化的下游，主要為軍事國防、政務(wù)、金融、互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)、電力等領(lǐng)域的應(yīng)用。

圣保羅州立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種量化量子糾纏的新方法，應(yīng)用包括優(yōu)化量子計算機(jī)的構(gòu)造，并有可能推動量子計算的發(fā)展。因此，從量子計算產(chǎn)業(yè)鏈上看，該技術(shù)處于產(chǎn)業(yè)鏈的中游環(huán)節(jié)。

宏觀市場觀察

——量子信息三大領(lǐng)域發(fā)展定位及應(yīng)用前景

目前，國家層面的量子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃暫未出臺，參考中國信通院對量子信息領(lǐng)域的發(fā)展定位及應(yīng)用前景，十四五期間，我國量子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)各有不同、各有側(cè)重。其中，量子計算側(cè)重于突破經(jīng)典計算極限的算力飛躍、量子通信技術(shù)側(cè)重于服務(wù)經(jīng)典通信加密、量子測量注重實(shí)現(xiàn)物理量測量和信息獲取的精度、分辨率、穩(wěn)定度等。

——歐美日韓積極布局量子計算

當(dāng)前，量子力學(xué)已經(jīng)成為世界的科技研究一大熱點(diǎn)。全球主要國家高度關(guān)注量子信息技術(shù)發(fā)展，紛紛加大政策和資金支持，力爭搶占新興信息技術(shù)制高點(diǎn)。

美國是量子計算布局里最早也最積極的玩家之一，2018年美國通過《國家量子倡議法案》，在此之前，美國商務(wù)部的國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)，以及非營利組織SRI International簽署了合作研發(fā)協(xié)議。通過財團(tuán)的力量，幫助美國推動量子計算行業(yè)的發(fā)展。2019年，美國政府發(fā)布未來工業(yè)發(fā)展計劃，將量子信息技術(shù)等四大關(guān)鍵技術(shù)視為未來科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，認(rèn)為發(fā)展量子信息科學(xué)能夠保持美國在全球產(chǎn)業(yè)變革中的主導(dǎo)地位。政策上的持續(xù)加碼，讓美國在全球量子計算研發(fā)上占據(jù)主導(dǎo)地位。

此外，英國、德國、荷蘭等國也相繼出臺了針對量子計算、量子通信等量子領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃;日本、韓國起步較晚，但是憑借著本身的技術(shù)積累，在量子計算領(lǐng)域的發(fā)展也來勢洶洶。

——量子計算：2030年左右實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，市場規(guī)模超過千億美元

結(jié)合量子計算所需的物理學(xué)基礎(chǔ)與算法基礎(chǔ)，量子計算有望在10-15年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商用。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2022年全球量子計算技術(shù)(包括硬件、軟件和即服務(wù)解決方案)市場規(guī)模為11億美元，2027年將增長至76億美元左右。預(yù)計量子計算的商用元年在2030年，市場需求超過1000億美元，2022-2030年年均復(fù)合增長率達(dá)79.72%。

——量子計算：多種技術(shù)路線競相發(fā)展

量子計算包含量子處理器、量子編碼、量子算法、量子軟件、以及外圍保障和上層應(yīng)用等多個環(huán)節(jié)。目前，量子處理器的物理比特實(shí)現(xiàn)仍是量子計算研究的核心瓶頸，主要包含超導(dǎo)、離子阱、硅量子點(diǎn)、中性原子、光量子、金剛石色心和拓?fù)涞榷喾N方案，研究取得一定進(jìn)展，但仍未實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線收斂。

量子計算硬件技術(shù)主要分兩大類，一類是以超導(dǎo)和硅半導(dǎo)體為代表的人造粒子路線，另一類是以離子阱、光量子和中性原子為代表的天然粒子路線。量子計算硬件研發(fā)目前處于各種技術(shù)路線并行發(fā)展和開放競爭階段。

中國量子計算技術(shù)賽道熱力圖

根據(jù)產(chǎn)業(yè)熱力圖顯示，與量子計算關(guān)鍵技術(shù)強(qiáng)關(guān)聯(lián)的城市集群主要集中在華南、華東和華北地區(qū)，并且以海南、安徽省為重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，未來布局量子計算技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展路徑，極大可能性在于華南華東優(yōu)先導(dǎo)入，其中可重點(diǎn)關(guān)注海南省?？谑旋埲A區(qū)、安徽省合肥市廬陽區(qū)、山西省太原市迎澤區(qū)所處量子計算的相關(guān)企業(yè)，以及該地方對于量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展投資環(huán)境、供給市場的潛力空間。

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