相干量子计算或将打破全球现有量子计算商业格局

三国时期有魏、蜀、吴三分天下，现在的量子计算的路线也正逐渐涌现出“三国分立”的态势。
 当前，量子计算技术路线有很多，尚未完全收敛，但是当下有三大技术路线表现更为耀眼，吸引了最多的研究团队和企业的参与，它们分别是：超导量子计算、离子阱量子计算、相干量子计算（Coherent Ising Machine）。其中，相干量子计算是一种新兴的方案。在物理体系上，相干量子计算采用了光量子来构建量子比特，是第二代光量子计算方案；在实用性上，也是落地性和应用赋能最优方案选择之一。

三大流派的“分庭抗礼”

首先，我们要先了解这三大流派的“分立”派系。

 

超导量子计算是目前最有希望实现通用量子计算的候选方案之一，它利用超导电路振荡来编码量子比特，核心是约瑟夫森结——通过纳米尺度的绝缘层链接两块超导体，可以构建出基于相位、电荷或磁通量的量子比特，既可以用于实现量子门计算（Gate-based），也能用于完成专用量子计算（如量子退火）。如谷歌和IBM正在开发的都是基于门的量子计算机，而加拿大的D-Wave则是用超导量子计算路线发展出了专用的量子退火计算设备。

 

离子阱量子计算的技术原理是利用电荷与电磁场间的交互作用力牵制带电粒子体运动，并利用受限离子的基态和激发态组成的两个能级作为量子比特，是一种将离子通过电磁场限定在有限空间内的设备。离子阱量子计算机的最大优势就是全连接性和低错误率。但离子阱难以扩展，在可操控性上也很弱，而且与经典计算很难实现兼容。

相干量子计算（CIM）基于光量子系统的相干伊辛计算架构（Coherent Ising Machine，CIM），充分利用光量子常温下编码操控和其在相干时间、室温工作、全联接、高维纠缠操控等方面的技术优势，目前量子比特数规模达到10000以上，可在组合优化、人工智能加速等领域实现应用落地。

 

如果将量子计算商业化比作大山，在经过近年来的市场验证，以深耕量子退火的D-wave为代表的专用量子计算行业的商业化进程最为超前，几乎攀登到半山腰了，远远领先于其他技术路线。然而，新兴的相干量子计算或许会加快助力量子AI架构的商业化应用，甚至有可能会是量子计算市场中的一匹“黑马”。

CIM的“优越感”

事实上，以超导量子计算为例，超导量子计算核心致力于构建一个多比特超导量子计算架构平台，解决超导量子计算规模化量产中遇到的难题。虽然其电路在设计、制备和测量等方面，与现有的集成电路技术具有较高的兼容性，对量子比特的能级与耦合可以实现非常灵活的设计与控制，极具规模化的潜力。但有一点致命问题存在，就是该类量子计算机的量子优势只适合10%的问题上，且需要花费90%以上的复杂度和高成本来解决量子比特数规模扩展、控制和纠错等一系列问题。

 

所以当下的通用量子计算机，只是在特定问题上展现出了量子优越性。谷歌恰好利用了这一点，谷歌2019年研发的53量子比特的 Sycamore（悬铃木）在特定计算任务上用200秒完成了超级计算机Summit（巅峰）要10000年才能完成的计算量。但是这个特定的计算任务就是为Sycamore“量身定做”的，不具备实用性，无法应用于实际生产生活场景中。所以说通用量子计算距离商业化还很远很远。

另外，基于超导与离子阱目前仅仅数十个的物理量子比特数规模，进行纠错后真正可用的逻辑量子比特数寥寥无几，这就极大的限制了其实际计算能力，而想要进一步拓展量子比特数规模，还需要等待技术的突破。

 

而对于量子退火等专用量子计算设备，在舍弃了通用的情况下将专机专用发挥到了极致。D-Wave公司正是紧紧抓住这一点，才实现量子计算商业化的战略落地。目前，D-Wave 的量子系统已拥有 5000+ 量子比特规模，以及超过 15 路的连通性，并在物流、人工智能、材料科学、药物发现、网络安全、故障检测和财务建模等各个领域，构建了 250 多款早期应用程序，已经将硬件设备销售给了洛马公司、NASA等客户，商业化进程稳步推进。

 

虽然相干量子计算起步较晚，但在未来，混合计算架构：“经典计算机+量子AI架构”或许会是未来量子计算商业化的主基调。因为从设计原理上看，量子AI架构只需要10%的复杂度和成本，就可以解决AI里90%以上应用范围的问题，具体到AI问题上完全具有量子优势，这一特点使其商业化落地势头非常迅猛。

由于相干量子计算最擅长攻克的就是组合优化问题，可应用赋能领域涉猎金融业的投资组合优化问题、资本风险分析建模；生物制药业的蛋白质折叠、小分子组合和DNA重组；物流业的物资运输等，这些都是企业和政府客户在实际工作中经常遇见的复杂度高且计算量大的常规问题，贴合市场需求，普适率高。

 

当前，日本NTT和日本国立情报学研究所利用光学器件研发的相干量子计算设备，已经开始与东京大学等团队在合作研究开发在AI上的应用。国内的玻色量子科技正在研发1000+量子比特级别CIM量子AI协处理器工程样机，以及相应的加速算法。图灵量子在今年六月也发布了首台商用科研级专用光量子计算机，并在2021年PT展上公布其在CIM方向的商业布局。未来，相干量子计算将进一步展现出它的优越性，将量子计算的生产力赋能到各行各业。

文：慕一/王珩

编辑：王珩