最好的流浪地球深度解析(隐藏了东方文明未来30年的一个大动作)

春节档,《流浪地球2》成为了最有话题的电影。

除了和《满江红》的相爱相杀以及背后的种种瓜葛猫腻以外,其在内容和市场之外的各种要素,包括对电影工业和工业电影的推动意义等,都是大家茶余饭后热议的内容。

回到内容本身,《流浪地球2》确实存在被不少人诟病的故事讲述太差的问题。

但考虑到这主要是因为它花了太多篇幅去叙述一个末日社会的全景,而削弱了主线剧情的存在感,从科幻作品的属性上看,这是相当负责任的。

更让人惊喜的是,电影设定的时间点——2044年,离我们只有20年,这意味着创作团队不能随意发挥想象力,不能过度突破现实框架。而电影最终呈现了现实和未来的完美融合。

尤其受到关注的,是影片中的“智能量子计算机”。

它不仅可实现全球复杂计算资源融合与调度,并控制数万座发动机协同运作,还能提前计算出地球遭遇多次危机,还有余力支撑“数字生命”计划,甚至还可能出现了独立意识。

这完美符合大众对量子计算“超强算力”的想象。

不过要走到这一步,人类还差得很远。

1、无限的想象空间

什么是量子计算?恐怕这是很多人想要了解的问题。但这门学问深奥晦涩,三言两语很难说通。

有个成语叫“不自量力”,就是专门用来警告大家,不要自学量子力学。

但我们还是可以简单讲讲量子计算的原理。

众所周知,传统计算机的基本单元是晶体管,晶体管打开,允许电流通过,输出信号“1”,反之为“0”,这就产生了一个二进制的信息单元,人们称它为比特(Bit)。现在你看到屏幕里的所有东西,就是计算机在瞬间处理上百亿个“0”和“1”的结果。

要增大算力,最直接的方法就是把晶体管做得越来越多,而为了减小能耗和提高实用性,还要把晶体管做得越来越小。

过去几十年,随着晶体管数量在摩尔定律——芯片上的晶体管数目,大约每18-24个月增加1倍——的预言下持续翻番,人类社会的算力也一直在以指数增长着。

然而当晶体管小之又小,逼近宏观世界和微观世界边界的时,两个世界物理框架的冲突,就会干扰其正常的运行。

事实上,在晶体管逐渐逼近极限的当下,量子隧穿带来的漏电现象已经无法忽视,严重阻碍了晶体管密度的进一步上升,指数增长即将中断。

然而相较于人类对宇宙的探索进度,这点算力是远远不够的。

量子计算则是直接利用了微观世界的规则。

在微观世界中,在观测之前,物体可能处于“量子叠加态”下,一只猫可以又死又活。

如果找到合适的亚原子粒子,并用它来代替晶体管充当计算单元,变成“量子比特”,那它就可以同时表示“0”和“1”。这样,1个量子比特包含2个信息,2个量子比特包含4个信息,3个量子比特就是8个信息……N个量子比特就包含2^N个信息。

这是非常惊人的,传统的32位处理器一次只能塞32个信息,而10个量子态1次就可以塞1024个信息。而300位量子比特可以处理的信息量(2^300)就已经超越了目前宇宙中已知的原子总数。

新的指数增长出现了。

更重要的是,传统计算机是计算单元(晶体管)呈指数增长,算力随单元线性增长;而量子计算机在算力随单元数量指数增长的同时,计算单元本身也未必不能指数增长。

也就是说,未来人类社会的算力,有可能出现“双指数增长”的恐怖形态。届时,人类的科技社会会以多快的速度发展,难以想象。

很快,我们就将看见这个产业爆发出无穷多的机会。

2、指数增长的前夕

现在的量子计算产业发展到什么地步了?

简单来说,经历了上世纪下半叶的理论和算法研究期,进入新世纪以来,全球量子计算产业已经正式进入了技术验证阶段。

1998年,IBM、牛津、伯克利、斯坦福和麻省理工学院的研究人员制作了第1个2比特的计算系统。

如果参照传统计算机的发展历程,从第1台ABC计算机(1942年测试)到商用计算机产业在80年代爆发,那么量子计算产业的爆发已然不远。

再考虑到人类科技是以指数函数加速发展,那很可能,这个时间点可能已经近在眼前。

对于这一阶段量子计算的发展,当前学术界把它分为3个发展阶段:

最好的流浪地球深度解析(隐藏了东方文明未来30年的一个大动作)(1)

第一阶段,追求“量子霸权”,或者叫“量子优越性”,也就是在特定问题上,量子计算机的计算能力超越传统超算。

在这方面,美国凭借谷歌2019年研制的超导量子计算机“悬铃木”先拔头筹;

中国在2021年,凭借中科大潘建伟、朱晓波研究团队通过“祖冲之号”超导量子计算机,成为当之无愧的第2;

去年,Xanadu公司推出的Borealis光量子计算机,让加拿大第3个获此殊荣。

第二阶段,也就是含噪声中型量子(NISQ)时代,这时候的任务,就进入到设计专用级量子计算机芯片,解决特定行业的特定问题环节。

如果顺利的话,2030年以后,人类进入第三阶段——研制真正的容错量子计算机(FTQC),即通用量子计算机,通过把物理量子比特编码成逻辑量子比特,实现通用的量子计算,最终在大数据处理、人工智能、密码破译等领域产生颠覆性影响。

我们目前处于第二阶段,也正是从这个时候起,量子计算将进入特定领域,实现部分商业应用。

未来5-10年,一些和量子计算联系较深的行业,可能率先涌现一波机会。

比如金融。

去年上半年,汇丰银行已经宣布加入IBM的量子加速器项目,使用IBM的量子计算技术用于定价和投资组合优化方面进行探索,以及利用量子技术获得交易和投资的优势。

近日,平安银行与本源量子牵手,共同开展量子金融算法在金融风控等领域的研究与落地,并使用量子计算机真机验证,合作探索量子算法在金融具体业务场景上的应用。

据光子盒不完全统计,全球已有超过25家国际大型银行及金融机构与量子计算企业开展合作研究。通过量子计算,为金融业广泛存在的各种量化分析任务提升计算速度和精度,带来重要经济价值。

又比如医药。

药物研发的核心环节是识别和开发有助于治愈疾病的分子,量子计算在预测和模拟复杂因素作用上的绝对优势,意味着其是药物研发行业的天然选择。

早在2021年,腾讯量子实验室负责人张胜誉透露,至少有17家百亿级药企对量子计算存在浓厚兴趣。一旦技术稍微成熟,这个可能就是最先爆发领域。

根据ICV研究,2021年,全球量子计算市场规模约为8亿美元,预计到2024年,技术上实现1000 物理量子比特突破的同时,市场规模也将增长到40亿美元左右。

2030年前后,全球量子计算市场规模将从容错量子计算时代开启时,呈现指数上升趋势,至千亿美元甚至更高。

届时,金融(16.47%)、安全(15.88%)、制药(15.20%)和物流(11.76%)是最先受益的产业。

在量子计算产业链上,上游是设备、芯片等制备提供环节,下游是应用环节,中游则是各种算法、硬件、软件、云平台的研发运营环节,和传统计算相似。

最好的流浪地球深度解析(隐藏了东方文明未来30年的一个大动作)(2)

最好的流浪地球深度解析(隐藏了东方文明未来30年的一个大动作)(3)

在当前的NISQ阶段,硬件还是产业发展的重点。2021年,硬件市场占比达到93%,之后会逐渐下降。

对于产业发展的进度,不太了解又想要关注的人可以重点关注3个名词,以相关指标作为判断依据:

1、量子比特数。谷歌工程师认为,量子比特位达到100-1000后,量子计算机有望执行一些具有实际意义的算法,初步步入商用。

目前在这方面领先的是IBM,其去年底发布的超导量子计算机“鱼鹰”(Osprey)达到了433个量子比特。

2、量子计算错误率。IBM研发团队认为,错误率由0.1%减少至0.01%后,量子体积将会爆炸式增长,预示着量子计算机能够商用。

霍尼韦尔旗下量子计算公司Quantinuum去年实现了平均单量子比特门保真度99.9959(5)%,平均双量子比特门保真度99.71(3)%,状态制备和测量保真度99.72(1)%的成果,使其系统模型H1-1成功地通过了量子体积8192基准。

3、量子相干时间。在2020年的中国计算机学会青年计算机科技论坛上,专家提出,量子相干时间提高至高于1ms,是量子计算机进入商用的关键参数。

3、遥遥领先和紧追不舍

从全产业链来看,欧美目前是量子计算产业发展热度最高的地方,尤其是美国,不仅谷歌、IBM、微软等巨头完成了覆盖硬件、软件、云平台的全面布局,还有大量初创企业参与各个细分领域。

最好的流浪地球深度解析(隐藏了东方文明未来30年的一个大动作)(4)

而在国内,目前推动产业发展的主体,除了阿里、百度、腾讯、华为等大公司外,主要还是以中科大孵化的本源量子、国仪量子,上海交大孵化的图灵智算,深圳量子院孵化的量旋科技等脱胎于研究机构的企业为主。

这说明目前国内的产业热度和分工发展程度,还不足以支撑初创企业百花齐放的局面。

融资上市方面的数据也可以反映出产业发展的现状。在美国,PsiQuantum已获得D轮融资,进入上市阶段和B轮融资的已有4家。

而中国量子计算企业融资轮次集中在天使轮和A轮。这也说明,相比国外,国内量子计算企业的商业化和产业化的进程还是慢了一些。

不过,这也存在发展模式不同的因素。国内的产业引导模式惯于在产业发展初期,将资源集中投入在少数主体上,寻求以点带面的突破。

事实上,从专利技术上看,除了美国,中国量子计算行业不落后于其他国家。

最好的流浪地球深度解析(隐藏了东方文明未来30年的一个大动作)(5)

当然,以目前量子计算行业总体发展情况来看,现在谈国际竞争还为时尚早。

至少到目前为止,量子计算行业内在超导、光子、离子阱等技术路线的选择方面,都还没有达成共识,也没有出现技术路线融合收敛的趋势,未来有多大变数,谁也不知道。

大体上,行业内普遍认为未来5-10年是量子计算发展的非常重要的转折点,如果国家现在不迅速追求技术,那么未来可能没有机会在量子计算领域保持领先能力。

为此,目前各个有志于此的国家都在加速投资,比如美国参议院通过 2800 亿美元某法案,支持量子计算等关键技术领域研发;法国宣布投资 1.7 亿欧元,启动“国家量子计算平台”。

连新加坡、以色列、卡塔尔等有经济实力的小国也纷纷入局,参与量子计算国家竞争。例如,卡塔尔拨款 1000 万美元启动国家量子计算计划;新加坡副总理宣布建造量子计算机,力争成为全球领导者。

而在国内,2022年的中央工作会议明确提出,要加快量子计算研发和应用推广。

据公开渠道信息,2006-2020年,国家在量子计算方面的支出在15亿美元左右。而到2022年的报道中,该数字已经达到近150亿美元,可见当下以及未来几年的形势之火热。

总体而言,量子计算行业即将进入“黄金年代”。

市场和大众对于量子计算的充满期待,科技巨头和初创企业在量子计算性能上你追我赶,学术界的扎实和稳定把持着方向,整个行业充满着欣欣向荣的氛围。

而在量子计算双指数增长的推动下,人类信息技术将迎来怎样的革命,以及社会发展会如何飞跃,难以想象。

前瞻经济学人APP 产业观察组

更多行业研究分析详见:

【1】《2023-2028年中国量子计算行业市场前瞻与投资策略分析报告》,前瞻产业研究院

同时前瞻产业研究院还提供产业大数据、产业研究、政策研究、产业链咨询、产业图谱、产业规划、园区规划、产业招商指南、IPO募投可研、IPO业务与技术撰写、IPO工作底稿咨询等解决方案。

参考资料:

【1】《量子计算的2022:政策、技术、应用、资本全面开花,“万里长征”迎来诸多转折点》,量旋科技

【2】《2022年量子信息报告:量子计算最受追捧,美国领先中国紧追》,C114通信网

【3】《BCG报告:量子计算,美国>中国>欧洲》,光子盒

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