文/Eric Mounier

量子学是一个影响广泛的战略技术领域。量子计算，突破了传统计算的局限性，在医疗保健、环境保护和人工智能（AI）等领域拥有广阔的应用前景。目前，量子和后量子密码学发展相对成熟，有一定的经济市场和商业解决方案；但后量子密码学的标准化工作仍未完成，尽管与量子计算相比，其科学和工程方面的未知因素更少。

除量子计算外，量子密码学还可能彻底颠覆加密技术，它将对国家主权产生重要影响，特别是对敏感通信的保护。在传感应用方面，量子传感仍局限于一些小众应用。与量子密码学、量子传感技术相比，量子计算的成熟度相对滞后。无论是短期的噪声中型量子（NISQ）计算机、还是长期的容错量子（FTQC）计算机，商业量子计算机的可行性仍然充满不确定性。

量子研发

量子技术仍然面临多种技术问题亟待研究，如量子比特噪声、量子纠错、可扩展性和量子比特质量保持等。这些技术的不确定性仍然是经济和市场预测的难点。因此，如果 NISQ无法展现出切实的商业价值，“量子寒冬”的可能性依然存在。这可能会减缓整个量子技术生态系统的投资，影响公共和私人资金的投入。

但市场研究公司 Yole  Group坚信，量子技术和特种计算将在中长期内带来重要的市场价值。在《量子技术2024报告》中，Yole  Group预计到 2029 年量子市场总价值将达到 18.32 亿美元，其中传感市场价值将达到 6.17 亿美元（见图 1）。[1]

量子计算

2030年以后，量子计算预计将占主导地位。事实上，到2035年，量子计算市场将达到373.6万美元（包括硬件和服务）。量子即服务（QaaS）将占据这一价值的主要份额，大多数服务将通过量子计算云平台运行，其增长速度将远远超过量子计算硬件的发展。

量子比特是量子计算的基本单位，其有多种形式。最先进的是采用原子进行量子计算，如离子阱量子计算（其代表公司包括IonQ、Quantinuum和AQT）、冷原子量子计算（通常采用铷原子、铯原子，其代表公司包括Pasqal、Infleqtion和Atom Computing）、核磁共振量子计算 （核磁共振不太适合做量子计算，中国只有一家公司销售这种类型的产品，用于教育用途）、超导量子计算和光子量子计算等。此外，氮空位（NV）中心的电子自旋可以用来存储量子信息，因此也可用于电子量子计算，其代表性公司只有Quantum Brilliance。飞行量子比特，是指在量子计算过程中，处于传输状态的量子比特，如光子量子比特和飞行电子等。光子量子比特领域的代表性公司有PsiQuantum、Quandela和Xanadu等。

量子计算机基于这些不同性质、不同类型的物理量子比特进行计算，且每种量子比特各有利弊。目前，大多数研究工作都集中在超导量子比特上，而其他量子比特类型如电子自旋、NV中心、冷原子、离子阱和光子等都面临着挑战。目前没有一种量子计算方法是理想的，未来的量子计算系统可能会将其中几种方法结合起来。

量子比特是量子计算机的技术基础，量子计算机也有不同的类型。量子模拟器通过大型矢量和矩阵计算，在（非量子）笔记本电脑及超级计算机等各种计算设备上执行量子算法，从而可以帮助研究人员在没有实际量子计算机的情况下，测试和验证量子算法和协议。

量子退火计算机是一种利用量子力学中的绝热性质来解决优化问题的计算机，根据特定拓扑结构（如 D-Wave 公司的“Pegasus”或“Zephyr”结构）连接一组量子比特。系统从一个处于基态的哈密顿量开始，在时间上逐渐改变系统的哈密顿量，以确保系统往基态收敛或者保持在基态，便于寻找能量极小值，以解决模拟、优化和机器学习等各种问题。此外，数字量子计算机或通用量子计算机是基于量子门操作。其使用的量子比特配备了能够执行所有量子算法的量子门，因此成为了比较通用的量子计算机。

但是由于量子噪声的影响，基于量子门的量子计算机的量子比特数量有限。为了减轻这种噪声，采用了由多个物理量子比特和量子纠错码（QEC）组成的逻辑量子比特。在基于逻辑量子比特的FTQC计算机普及之前，通常采用基于非校正量子比特的NISQ计算机。NISQ计算机仅支持五十到几百个物理量子比特，并且由于量子比特误码率的影响，只能在有限的电路深度下执行运算。

目前正在努力利用量子误差抑制和缓解技术提高其性能。最终，NISQ计算机有望在特定任务上超越超级计算机的计算能力。在未来，具有多个物理量子比特和100多个逻辑量子比特的FTQC计算机将彻底改变量子计算。

量子加速器

我们也看到了量子加速器的曙光，它可以作为量子计算机运行，并通过执行变分算法对超级计算机或高性能计算系统 （HPCs）进行性能补充。量子加速器其本身通常包含一台经典计算机，其为量子加速器准备数据；而量子加速器为HPCs 系统提供加速功能。整个量子加速设备，需要紧密集成，以便批量加载和多次执行量子算法。

无论量子比特的类型以及量子计算机的结构如何，光子学对于量子技术的发展至关重要，因为离子阱、光子及中性原子等技术都用到了激光和其他光子设备（见图 2）。此外，离子阱、冷原子和 NV 中心都需要激光系统。尽管激光器供应商众多，但只有少数几家能提供可用于量子应用的系统。事实上，一款全频率可调、高可靠性和长寿命的激光系统对量子技术非常关键。

量子计算机要想取得成功，仍需在尺寸、重量、功耗和成本等方面下功夫。尽管量子技术的发展是一项长期性事件，但现在正是投资的好时机。开发一套光子系统或许不失为一种较好的方法，它将在 3 -5 年内获得收益，也能让投资者放心。

参考文献

1. www.yolegroup.com/product/report/quantum-technologies-2024.