量子計算行業分析之計算篇：從比特到Qubit的范式轉移.pdf

量子計算行業分析之計算篇：從比特到Qubit的范式轉移。量子計算的四大核心要素包括：疊加態、波粒二象性與干涉、糾纏（Entanglement）、概率性系統與測量坍縮。量子比特憑借疊加與糾纏特性，實現了相對經典比特的指數級算力飛躍。經典比特處 理確定性的0和1，而量子比特利用疊加和糾纏實現指數級并行計算。但是當前量子比特需要的工作溫度需處于極低溫度，以保證相干時間。此外，錯誤率較高，且計算結果是概率性的，測量會導致 坍縮，需要冗余計算及編碼（糾錯）。

物理量子比特是量子計算的物理基礎，即承載量子信息的實際硬件設備，而邏輯量子比特是經過編碼和保護處理后的邏輯量子比特，其主要是為了解決物理量子比特的錯誤問題。物理量子比特是信 息的原始載體，但極其脆弱（受外部環境干擾），其核心是物理量子處理器，由格點陣列、物理量子比特以及諧振器等構成。而為了實現可靠計算，一般量子計算需要加入糾錯層對多個不可靠的物 理量子比特的集體狀態進行編碼，創造一個更穩定的邏輯量子比特，從而完成計算。

實現量子計算的關鍵是量子比特的操作與延長相干時間（coherence time，T2）: 量子比特在運行過程中會受到環境與操作本身帶來的各種噪聲與擾動（電磁、機械、鄰近器件等），這些效應統稱 為“退相干”。

量子計算性能的核心四要素：保真度、測量時間、門操作時間以及可擴展性。保真度即實際量子態/量子門與理想目標的相似度，公式表達為 錯誤率≈1− 保真度。低保真度（高錯誤率）需要更大的 “資源開銷”，即更大數量的物理量子比特進行量子糾錯；低測量時間大幅改善運行時間。研究表明，即使將誤差率從10−3優化至 10−9僅能帶來一個數量級的加速，而將測量時間從 100 ns 縮短至 10 ns 則能直接線性降低總運行時間;門操作時間直接影響性能，同時保證滿足相干時間需求；可擴展性指技術路線能夠支持的物理量子比特數。

量子優勢是必然的嗎？量子優勢并非必然，關鍵掣肘在于測量的保真度（極低的物理誤差，含讀出錯誤）與測量時間。只有當保真度顯著提升、并將測量時間縮短，量子曲線才在中等規模處超越經 典計算機。量子霸權強調經典計算在任何合理資源下都難以在可行時間內完成的任務但能夠通過量子計算完成，而由于量子計算機測量時間、保真度以及可擴展性的約束，我們認為未來或更傾向于 經典計算機+量子計算機的模式，發揮量子優勢，量子與經典計算機并非互斥。

當前量子計算機包括量子退火機、量子模擬機、量子仿真機等專用量子計算機過渡至通用NISQ，未來將發展至通用計算領域，技術路線上則包括超導、離子阱、光量子、中性/冷原子等。超導技術路 線最為成熟，且具有：量子邏輯門操作時間短、有機會憑借半導體行業現有的知識和制造基礎來幫助擴展量子比特數量等優勢，但系統需要稀釋制冷機來維持極低的溫度，并且量子態容易坍縮。代 表企業包括IBM、Google、中電信量子集團、北京量子信息科學研究院、本源量子、國盾量子、量旋科技等，其他技術路線中，量子阱、中性原子、光量子空間仍大。

光子學（Photonics）對量子技術的發展至關重要，因為激光和其他光子器件被廣泛應用于離子阱、光量子及中性原子等技術領域。具體而言，離子阱、冷原子和金剛石氮空位色心量子比特實現方案 必需依賴激光系統盡管激光供應商數量眾多，但商業現成的激光器無法直接應用于量子技術領域。低溫技術是幾乎所有量子比特技術的關鍵支撐，因為需要依靠它將量子比特穩定在接近絕對零度的 環境下，但并非所有量子比特技術都需要稀釋制冷機。例如，中性原子僅需在光鑷中進行冷卻，而不需要稀釋制冷機。因此，其能耗要低得多（超導技術需40千瓦，而中性原子僅需3千瓦）。