芯片|集微咨询：算力大爆炸前夜资本涌入量子与光( 二 ) 量子计算机|重器

信通院最新发布的《中国算力发展白皮书》指出，当前，摩尔定律发展逐渐趋缓，以先进工艺升级为主导的经典计算体系演进模式遭遇“功耗墙”、“内存墙”瓶颈挑战。为应对万物智能时代海量应用创新和重大技术革新对算力供给的百千倍递加需求，深度挖掘计算器件、计算芯片、计算系统、计算理论等层面技术增长潜力，探索更多维度、更多要素的协同创新成为支撑算力进一步升级的重要举措。
而提高算力的根本性对策在于提高运算速度和降低运算功耗，在这一点上，光和量子具有天然的物理优势。
光学将能让计算机芯片设计克服电子学的根本局限，因为光子是当前速度最快的粒子，相较电子，具有更速度、更低功耗以及低延时等特点，且不易受到温度、电磁场和噪声变化的影响，光子芯片因而也被众多海内外科学家视作最有可能替代电子芯片的未来基础性核心技术，将是超越摩尔定律的重要技术基础之一。量子计算则是利用量子力学的反直觉特性，可以大幅加速某些类型的计算。这让量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，有望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面（如机器学习，密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等）相比经典计算机实现指数级别的加速。
产业化何时来临？

那么，当前的量子计算处于怎样的发展阶段？

耶鲁大学应用物理教授Steven Girvin博士认为量子计算机还处于普通电脑1940年的阶段，相当于“刚刚做出了真空管，或者刚刚发明晶体管的阶段” 。
Gartner公布的2021年新兴技术成熟度曲线显示，值得关注的关键技术包括非同质化通证（NFT）、量子机器学习、生成式人工智能（Generative AI）、同态加密和可组合应用程序和网络。其中量子机器学习目前仍处于刚起步阶段。
新兴技术成熟度曲线（Hype Cycle for Emerging Technologies 2021），
来源：Gartner (August 2021)
资料来源：上海交通大学物理与天文学院
集微咨询（JW insights）了解到，目前光与量子各自面临着不同程度的产业化落地困境。
构建实用的光学计算机需要材料科学、光子学、电子学等领域的研究人员之间广泛的跨学科努力和合作。此外，尽管研究表明光子处理器具有较高的单位面积计算能力和潜在的可伸缩性，但是全光学计算规模（光学人工神经元的数量）仍然很小。同时，由于存在固有地吸收光的计算元件，且电信号和光信号经常需要转换，能量效率也同样会受到限制。
量子计算的产业化应用同样也面临着工程和材料上的难题。目前量子计算方面主流的技术路径有超导、半导、离子阱、光学以及量子拓扑这五个方向。而要实现通用量子计算机有三个前提——百万量子比特的操纵能力、低环境要求、高集成度。
基于此，目前业界的一种技术路线是光量子计算机，或是通向大规模通用量子计算的最可行路径。因为量子计算的实现，不能脱离现有大规模的半导体工艺，沿用成熟的CMOS半导体制程，光量子芯片可以实现大规模的生产和制备。而基于光量子芯片进行的快速试错和迭代，为构建商用量子计算机提供了坚实的基础。
凭借全新的架构和大算力等特点，光量子芯片有望创造更多机会。集微咨询（JW insights）认为，未来，随着量子计算技术和光量子集成能力持续演进，混合光量子计算架构、光子计算、以及人工智能光子处理器会展现出巨大潜能。
全球算力角逐赛中的中国机会

算力已成为各国核心竞争力体现，因为算力直接带动数字产业化的发展——电子信息制造业、电信业、软件和数字技术服务业、互联网行业等数字核心产业的发展与算力的发展息息相关。

当前，全球主要国家和地区纷纷加快战略布局力度。
美国2020年11月发布《引领未来先进计算生态系统战略计划》，将先进计算生态系统作为国家战略性资产，以确保美国在科学和工程方面的领导力、经济竞争力和国家安全。
日本2019年启动新一代国产超级计算机计划，投入约1300亿日元打造全球速度最快的超级计算机。
欧盟聚焦数字主权布局超算和量子计算，于2018年即提出“欧洲高性能计算共同计划” ， 2020年9月拟投资80亿欧元支持以百亿亿次计算和量子计算为主的新一代超级计算技术和系统的研究和创新，维持并提升欧洲在超算和量子计算领域的领先水平。

芯片|集微咨询：算力大爆炸前夜 资本涌入量子与光( 二 )

芯片|集微咨询：算力大爆炸前夜资本涌入量子与光( 二 )