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首頁科技發展全球量子運算市場遽增 大陸具領先地位

全球量子運算市場遽增 大陸具領先地位

文/TrendForce集邦科技

據TrendForce表示,2021年全球量子運算市場為4.7億美元,相較2020年成長16.7%,其市場主要由中國、美國占據領先地位,以領導全球量子運算與其技術進展,尤以在上層軟體、演算法速度方面已陸續在小規模問題的實驗中得到實踐,預估2022年有望達到5.8億美元,年成長率約18.8%,且目前來看至2027年每年成長幅度都有擴大趨勢,2022至2027年CAGR為34.7%,而市場成長最大推動力將來自於中國。

據TrendForce了解,根據中國政府針對軟體及資訊技術服務領域規劃來看,量子科技政策將從國家層面進一步落實到分管國防、工業、科技等部門,並透過階梯式的部門層級發布更針對性的政策,例如AI、量子資訊科技、生物技術、半導體與自主系統在內的關鍵領域,為此,中國政府正在北京、上海、合肥建立相關實驗室,推動量子技術、量子運算雲端平台快速發展。

全球量子計算市場預估

一、全球與中國量子運算市場現況

2021年全球量子運算快速跨入交叉驗證雜訊中等規模量子(Noisy Intermediate Scale Quantum,NISQ)時代,超導量子位元數量正在進入百位時代,使得多技術路線齊放,並對量子運算應用積極探索,其中以超導體、離子阱為首要。

在超導體方面,中國科大的「祖沖之號」已實現量子運算優越性,其運算複雜度比Google Sycamore提高6個數量級,僅需1.2小時就能完成8年的運算。Rigetti則提出模組化的量子處理器架構,預計在2022下半年推出80量子位元處理器。

Atom Computing、ColdQuanta、IBM也相繼推出100+量子位元處理器,使量子電腦能有效解決大規模問題。哈佛、麻省理工研究團隊也成功研發256量子位元基於中性原子的量子模擬器,該模擬器可在傳統電腦上執行,亦能在不同環境中執行並測試量子程式,預測量子位元如何回應各種作業。

在離子阱方面,IonQ提出可重構多核量子架構,能擴展到64量子位元;在光量子方面,Xanadu推出可程式設計光量子運算晶片,使難以程式設計的傳統光量子運算變得更為簡易。當前中國科大在量子電腦-「九章」的升級優化上,也側重離子阱技術,使其可設計光量子運算晶片,區別於傳統量子電腦,能以不同方式處理大規模資訊,同時解決複雜的優化問題,並提供相應的動態模式。

目前全球量子運算市場主要是增加政府或私人機構對旨在利用量子運算進行資訊處理,以及其他應用的研究計畫得到之資助推動該市場成長,其中以中國、美國占據領先地位,領導全球量子運算與其技術進展,特別是在上層軟體、演算法速度方面已陸續在小規模問題實驗中得到實踐。

就中國市場而言,隨著量子運算融合機器學習、智慧製造、雲端運算、分子結構研究等新興技術應用日益普遍,不僅促進國防、化工、生技醫療與製藥、金融等產業發展,亦利於量子運算市場成長。尤其是容錯系統的可用性,以及將量子運算用於實際程式方面,因為這2種技術能在AI、邊緣運算、大數據、IoT與各類智慧領域的加密、網路與通訊安全能發揮關鍵作用,從而為量子市場擴張創造強大的前景。

此外,中國量子運算的應用主體正迅速擴展,例如銀行、網路營運商、行動支付機構、互聯網相關廠商等皆圍繞量子運算與AI的交叉領域,因而對量子數據分類法、量子模型訓練法的需求也隨之增加。在此情況下,也將帶動量子通訊、量子量測兩大領域,因這兩大領域與量子運算具有緊密交互作用,例如量子通訊的連續變數量子金鑰分發法和系統晶片化,能大幅支撐量子運算任務安全性與演算效能。

2021年中國量子運算應用分布(依領域區分)

中國從2006年推行「五年計畫」,例如《十三五計畫》、《十四五計畫》促進經濟、產業發展時,亦專注在量子科學的發展和技術突破,並側重量子運算在AI、邊緣運算、大數據、IoT與雲端等新興技術的深度融合發展與應用,預計至2022年中國量子領域累計投資金額將達到150億美元。

隨中國國家型量子網路不斷發展,將以更安全、更廣泛應用在終端產業,亦吸引阿里巴巴、百度、騰訊與華為加大對量子技術的投資,朝向量子電腦與量子雲端運算領域布局,從而減少對外高科技的依賴、增加對外投資的開放程度,促進量子技術創新。

深化量子運算平台 加速中國量子運算發展

中國量子電腦的潛在應用專注於用戶本地搭建獨立運行的量子系統,以及接入量子雲端平台提供遠端存取與算力服務,但因量子運算的硬體裝置對環境要求苛刻,且運行條件、維護成本較高,與之配套的相應軟體也具備較高專業門檻,導致本地部署和使用的難度提升。

為了量子運算實用化優勢和提升輸出能力,AWS、D-Wave、Honeywell、IBM與QuTech等國際大廠皆將其量子運算技術趨向雲端化發展,整合量子運算與雲端運算的特性,讓用戶可在平台上直接設計量子運算任務,由雲端伺服器轉為量子控制信號,操控量子運算設備或裝置進行測量,並得到最終運算結果,從而滿足量子運算在研發、教學與新科學領域研究的需求,也能從中獲取各方面回饋以優化量子運算平台,共同促進量子運算技術發展。

相對地,中國量子運算雲端平台的本地供應商起步較晚,故均與國際大廠、政府單位三方合作,例如阿里雲與中科院聯合發布的量子雲端運算平台以接入11位元之超導量子運算服務。華為欲拓展更多應用場景,其量子運算模擬器HiQ已升級到第三版本,推進量子組合優化求解器、張量網路(Tensor Network)運算加速器升級。百度量易伏量子運算雲端平台採用的PaddlePaddle(飛槳)機器學習庫也開始支援量子神經網路的搭建和訓練,並於2021年發布雲原生量子整合開發環境YunIDE。

二、中國量子運算產業鏈結構

由於中國量子運算產業正處於發展階段,故整體產業鏈較清晰,目前AWS、Google、Honeywell、IBM、Intel、Microsoft等國際大廠在中國市場仍處於產業領先地位;相對地,中國本地量子運算廠商如阿里巴巴、百度、騰訊、華為、本源量子與國盾量子也在積極跟進與布局,尤以本源量子、國盾量子為中國量子運算的代表。

以目前市場全局來看,國內外量子運算產業鏈皆已初具雛形,其中量子運算設備供應商主要以國際廠商為主,特別是稀釋製冷機、低溫同軸線纜。晶片研發與製造,主要是透過第三方實驗室完成,亦有一些領先的量子團隊自行建立工廠,自主研發、設計與生產,例如Google與美國加州大學聖塔芭芭拉分校的實驗室合作,完成Sycamore量子晶片研發與生產。2022年本源量子增建兩大實驗室,分別用於量子晶片製造封裝、量子運算組裝測試。

在其他領域方面,中國本土量子運算廠商已占有絕對市場優勢,特別是測控系統,本源量子、國盾量子與中微達信在技術上已媲美國際大廠,甚至可達到更高水準,尤其是衰減器、濾波器等低溫元件,本源量子已在低溫、微縮技術取得新的突破。

中國量子運算市場主要應用領域

鑒於量子電腦龐大的體積、極其嚴苛的運行環境與高昂的價格,使得量子運算的應用快速趨向雲端平台發展,因此量子電腦的研究主要集中在模擬、優化、密碼與機器學習四大類型的應用,其中「模擬」最多用在自然界中發生的過程,例如天氣預測、氣候中長期推演與極地變遷等,目前也廣泛應用在流體力學、藥物發現、電池設計,以及金融業的高頻交易、衍生性產品與期權定價。

「優化」為利用量子演算法來確定一組可行選項中的最佳解,多用於交通幹線、物流、自駕車導航系統與金融投資組合的風險管理。「機器學習」則用於辨識數據與資料中的模式,增強訓練機器學習演算能力,加快AI發展,並引入自動駕駛汽車和金融系統以防止欺詐與洗錢。

綜觀現階段量子運算的應用範疇正逐步擴大,涵蓋供應鏈、金融、交通、物流、製藥、化工、汽車、航空、能源、氣象等諸多領域,例如製藥、化工、新材料等領域可利用量子運算進行類比分子特性,透過電腦數位形式直接得到解析並取得大型分子性狀,縮短理論驗證時間,從而加快藥品研發和開發新型材料。

在汽車領域,由於各大車廠商為加快推進電動化戰略,而將量子運算應用在化學類比,致力於研發性能更好的電池。在航空航太領域,則借助量子運算解決航空產業面臨一些最嚴峻的挑戰,從基礎材料、產品研究與開發、機器學習優化到複雜的系統優化,甚至能改變飛機的製造、飛行方式。

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