量子界有理由庆祝 2023 年的一些重要里程碑，同时以乐观甚至有点担忧的态度展望未来。 以下是生态系统中一些最著名的专家和思想领袖（包括来自 Quantinuum、Terra Quantum、IQM Computers、Keysight 和 D-Wave 的官员）贡献的对 2023 年的反思和对 2024 年的预测的集合。 QUANTINUUM 和 TERRA QUANTUM 2023 年观察结果 “量子优势是量子计算难以捉摸的目标，一些公司和研究人员在 2023 年已经声称要实现量子优势，但这些说法都是基于非常狭隘和人为的问题，没有实际意义或价值。我们真正需要的是实用的量子优势，这意味着使用在尺寸、重量、功耗和成本方面可行且负担得起的量子设备来解决对科学、工业和社会至关重要的问题。” – Ilyas Khan，Quantinuum 创始人兼首席产品官 “2023 年，我们看到了量子计算生态系统的发展，更多的参与者进入该领域，学术界、工业界和政府之间形成了更多的合作。美国能源部宣布为五个新的量子信息科学研究中心提供 6.25 亿美元的资助。这些举措反映了世界各地对量子计算日益增长的兴趣和投资。” – Raj Hazra，Quantinuum 总裁兼首席执行官 “2023年，全球学术和商业组织积极建设量子通信网络，范围从几英里到一百多英里。芝加哥、纽约布鲁克林和中国合肥等地的研究团队孜孜不倦地研究建立这一突破性通信网络所需的各种组件。2023年6月，Terra Quantum实现了量子通信领域的突破性壮举：量子数据传输速度和覆盖距离均创下新的世界纪录。使用光纤网络，该团队成功地将量子加密数据发送了令人印象深刻的 1,032 公里（640 英里），超过了之前生成安全、即用型量子密钥的记录 10,000 多倍。” – Terra Quantum 首席产品官 Florian Neukart 2024 年预测 “得益于强大的错误缓解技术和可扩展性实验，量子硬件可能开始为全行业应用做好准备。此外，由于受量子启发的方法，人工智能将得到巨大的推动，这将带来进一步的存储效率、速度和准确性。Multiverse 是这些技术的先驱，并将继续开发大型语言模型的量子应用。” – Román Orús 教授，博士，多元宇宙计算联合创始人兼首席科学官 “到 2024 年，我们预计量子技术将在现实场景中得到更多采用和集成，以及不同利益相关者之间更多的协作和标准化。我们还预计经典系统和量子系统的共存会带来更多挑战和机遇，例如互操作性、兼容性和安全性。” – Raj Hazra，Quantinuum 总裁兼首席执行官 “到 2024 年，我认为我们将看到人们不再关注量子比特竞赛，而是以更广泛的视角看待量子计算扩展其他技术能力的能力。在接下来的 12 个月内，量子硬件公司将实现经典和量子硬件和软件之间更紧密的集成，以实现每种技术的最高性能。越来越明显的是，量子计算是通向基于量子力学非局域、非因果和非确定性性质的通用人工智能的门户。” ——Terra Quantum 首席执行官兼创始人 Markus Pflitsch IQM 量子计算机 “在接下来的一年里，我预计量子计算将继续引起企业越来越多的关注。但更重要的是，明年企业必须评估他们的数据并确定哪些信息具有真正价值，以便尽快开始过渡到后量子密码学。” – Toni Pesonen，IQM 量子计算机 IT 和网络安全主管 “展望 2024 年，我们不太可能在量子网络安全领域看到重大突破，特别是在密码破译方面。然而，向量子安全加密的转变将需要投入大量的时间和资源，并且从长远来看，确保敏感数据的安全至关重要。这为组织和机构提供了一个机会，让他们可以专注于自我教育并调整其加密系统以实现量子安全。就其他安全应用而言，可能会发现更多使用量子计算进行欺诈检测的用例。 “虽然量子网络安全的进展可能缓慢，但在其他领域我们更接近实现量子优势。其中一个领域是机器学习，其中量子计算可以为复杂问题提供显着的加速。我们已经看到这一点在生产流程优化等项目中得到了测试。量子计算显示出前景的另一个领域是化学问题的模拟。这已经应用于电池开发等项目。 “进入 2024 年，我们预计将看到更多概念验证用例的发布，以及量子计算在各个行业的更广泛采用。这需要最终用户和量子专家之间的合作，以确定用例并开发利用量子计算独特功能的解决方案。总的来说，虽然这些领域的进展需要时间，但量子计算的潜在好处使其成为未来几年令人兴奋且充满希望的领域。” — Jan Goetz 博士，IQM 联合创始人兼首席执行官 KEYSIGHT 从理论到现实：量子势 量子技术使我们能够利用量子力学的基本定律来解决当今极具挑战性或不可能的问题。借助量子技术，复杂的模拟和计算、安全通信以及更强大的成像和传感器技术将成为可能。 探索量子领域：弥合人才差距 量子技术正在超越学术领域，进入初创企业、高科技公司和军队。这将催生更多的量子中心、孵化器以及地方和国家生态系统，所有这些都试图建立一支能够抓住量子机会的劳动力队伍。解决人才缺口对于在未来几年和几十年内实现量子潜力至关重要。 从实验室到报告厅：教育的巨大飞跃 量子人才的短缺将为高等教育创造机会，提供新的项目来帮助培训未来的量子劳动力。到 2030 年，量子课程将变得司空见惯。这些项目将涉及行业合作伙伴，以便学生能够获得最新的量子控制和读出技术并获得正确的技术技能。此外，商学院将提供量子课程，为下一代企业家进入量子生态系统做好准备。 量子民主化：量子即服务 (QaaS) 的出现 由于开发量子实验室的成本和资源负担巨大，这将催生更多的量子即服务（QaaS）提供商。对量子处理器的远程云访问、设备表征的测试台以及提供制造服务的代工厂都是可用服务的示例，这些服务反过来将有助于吸引初创公司进入量子生态系统。随着时间的推移，QaaS 提供商将帮助标准化设备操作、表征和制造，从而实现量子处理器和量子位相邻支持技术的基准测试。 包容性创新：量子社区倡导性别平等 量子有潜力成为第一个实现性别平等的技术领域。这将是我们持续共同努力吸引女性并确保多元化劳动力成为常态而不是例外的结果。 知识差距将阻碍量子的进步 量子研究和开发将继续吸引政府、学术界和工业界的投资，然而，知识差距和最先进技术的可用性将限制进展速度。例如，如果由于缺乏先进和专用的洁净室设施而导致缺乏生产高质量量子处理器单元（QPU）的能力，这将减慢进展。 — Philip Krantz 博士，KEYSIGHT量子工程解决方案 EDA 转向人工智能：从复杂到清晰 AI 和 ML 技术在 EDA 中的应用仍处于早期采用阶段，设计工程师正在探索用例以简化复杂问题。这种智能在模型开发和仿真验证中特别有价值，有助于处理大量数据。到 2024 年，组织将越来越多地采用硅和 III-V 半导体工艺技术的器件建模技术，以及即将推出的标准（例如 6G）的系统建模技术，该领域的研究正在进行中。 下一代量子设计：优化系统性能 量子计算正在快速发展，并且正在从主要免费的研究工具过渡到量子设计的商业产品和工作流程。下一代量子设计将需要更加集成的仿真工作流程，为开发人员提供快速、准确的功能来优化系统性能。 — Niels Faché，KEYSIGHT EDA 副总裁兼总经理 D-Wave D-Wave 总裁兼首席执行官艾伦·巴拉茨 (Alan Baratz) 量子霸权 预测：该行业将在 2024 年实现经过验证的、可辩护的量子霸权结果。持续的科学和技术进步表明，我们在实现量子霸权的道路上已经走得很远。2024 年将是量子技术绝对超越经典技术的一年。将有明确的证据表明量子有能力解决以前经典计算无法解决的复杂计算问题，并且量子将更快、更好且功耗更低地解决该问题。我们一直在追求的突破即将到来。 政府迅速采用量子技术 预测：鉴于《国家量子计划》和《国防授权法案》等立法的预期通过，美国政府对退火量子计算的使用将呈爆炸式增长。到 2024 年，量子沙箱和测试台项目将迅速增加，并指示使用所有类型的量子技术，包括退火、混合和门模型。这些项目将侧重于近期应用程序开发，以解决现实世界的公共部门问题，从公共交通车辆路线到电网弹性。 预测：随着美国及其盟友积极推动近期应用开发，全球量子竞赛将继续升温。虽然美国现在开始加速近期应用，但澳大利亚、日本、英国和欧盟等其他政府一直在加快采取行动，将量子引入解决公共部门的挑战。这项工作将在 2024 年大幅扩大。公共部门最关注的领域可能是可持续发展、运输和物流、供应链和医疗保健。 业务影响和工作的未来 预测：量子计算将通过生产应用在日常业务运营中显示出经过验证的价值和实用性。随着 2023 年的临近，企业开始使用量子混合应用投入生产，因此看到企业每天使用量子解决方案来应对普遍存在的业务挑战（例如员工调度、车辆路线和供应链优化）并不奇怪。随着时间的推移，它将成为每个现代 IT 基础设施的一部分，首先是退火量子计算的集成。 预测：经济学家预计 2024 年将出现小幅衰退，组织将寻求量子计算等新技术来应对逆境并增强业务弹性。量子技术可以加速各种常见组织流程的问题解决和决策，例如供应链管理、制造效率、物流规划和员工调度。在充满挑战的经济环境中，量子提高运营效率的能力至关重要。
根据国防高级研究计划局 (DARPA) 未充分开发的实用规模量子计算系统 (US2QC) 计划，微软和PsiQuantum已成为该机构的领跑者。该计划旨在确定不太传统的量子计算方法是否能够比当前预测更快地实现公用事业规模运营（即计算收益超过所涉及成本的状态）。 最初，参与公司的任务是提出创新设计概念，旨在创建公用事业规模的量子计算机。据该机构称，该计划现已进入下一阶段，微软和 PsiQuantum 被选中进一步提升他们的概念。US2QC 的直接目标是开发和维护容错原型的系统设计。该原型本质上是一台较小规模的量子计算机，至关重要，因为它旨在证明按计划构建和运行公用事业规模量子计算机的可行性。 根据声明，原型的设计必须概述所有必要的组件和子系统，以及它们的最低性能要求。为了确保这些设计的可行性和潜力，由 DARPA 领导的政府团队（包括顶级技术专家）将进行严格的评估过程。 DARPA 微系统技术办公室 US2QC 项目经理 Joe Altepeter 博士表示：“我们非常兴奋，多个表演者的设计展示了实现真正公用事业规模系统的可行途径。” 今年年初，DARPA在初始阶段选择了三家公司来展示他们的新颖方法： 原子计算公司总部位于加利福尼亚州伯克利，基于大型光捕获原子阵列构建高度可扩展的量子计算机。 位于华盛顿州雷德蒙德的微软公司正在构建一个基于拓扑量子位架构的工业规模量子系统，该公司理论上将使他们的机器足够小，可以放入壁橱中，足够快，可以在实际时间范围内解决问题，并且有能力控制超过一百万个量子比特。 位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的 PsiQuantum 公司正在使用硅基光子学来创建基于光子量子位的晶格状结构的纠错量子计算机。 微软和 PsiQuantum 目前都处于这一探索的最前沿，该项目将持续到 2025 年 3 月。 Altepeter 博士强调，我们将持续致力于探索这些技术是否能够实现实现具有真正科学和工业实用性的量子计算机所需的重大进步。 “这些研究人员正在非常努力地工作，提出了可靠的技术描述和详细的研究计划，”阿尔特彼得说。
《福布斯》最近的一篇文章引起了量子社区的骚动——我甚至不确定什么是骚动。 这篇题为《量子人工智能比你想象的更接近》的文章声称，量子人工智能迫在眉睫，它的变革力量很快就会实现。 虽然保持热情很重要，对量子人工智能的可能性感到兴奋是完全可以理解的，但从历史上看，科学进展，特别是人工智能的进展，无论是短时间还是长时间，都是有问题的，忘记了预测量子人工智能进展。 我们将尝试用一些真正的挑战来打破关于量子人工智能即将到来的争论，这些挑战可能会缓和“比你想象的更接近”的预测。 首先，人工智能的发展速度虽然令人印象深刻，但并不完全取决于处理能力。人工智能还需要大量的数据进行训练，而能够利用量子计算的算法的开发仍处于起步阶段。人工智能将被量子计算“增压”的概念假设量子计算机很快就能高效运行这些算法，但目前情况并非如此。 此外，量子计算机擅长解决特定类型的问题，但在所有任务上，它们并不是普遍优于经典计算机，也不被期望优于经典计算机。因此，量子计算对人工智能的变革性影响可能比所暗示的广泛革命更微妙、更专业。 也许生成人工智能引发了一些兴奋。事实上，生成人工智能已经绝对展示了非凡的能力，但其实际应用仍在探索和理解中。技术史上到处都是创新的例子，这些创新承诺会彻底改变世界，但却在其中找到了一个更温和的位置。这并不是低估量子人工智能的潜力，而是承认它融入社会和商业结构的时间往往比最初的预测要长，也更复杂。 至于量子计算，尽管已经取得了长足的进步，但它仍然是一项在很大程度上是实验性的技术，还没有准备好广泛的实际应用。量子计算机容易出错，并且需要难以维持的条件，例如极低的温度。它们的运营成本也非常昂贵和复杂，这可能会在短期内限制它们的可访问性和融入主流商业运营。换句话说，要实现量子人工智能，我们只需要量子。 让我们超越技术障碍。在采用新技术的过程中，伦理、法律和社会经济因素也发挥着重要作用。量子人工智能的影响不仅与技术能力有关，还与治理、信任和可访问性有关。 科学经常被夹在愤世嫉俗和炒作之间，这当然不意味着对量子人工智能前景的全盘否定。量子人工智能的潜力是存在的，科学家和企业家正忙于将其付诸实践。机器学习现在确实可以为量子计算带来好处。例如，科学家们正在使用机器学习技术来寻找新的量子算法并优化量子运算。研究人员还使用机器学习来改进量子计算的纠错。 能否在缩短时间方面取得突破？大多数人没有看到大型语言模型的突破潜力，因此不应排除科学飞跃的可能性。 然而，尽管量子计算加速人工智能的潜力确实是一个迷人的前景，但认识到量子技术的现状至关重要。到目前为止，他们还没有准备好在未来十年内推动一场新的计算革命；相反，它们代表了一个长期的理想目标。研究界仍在努力解决如何使量子计算机可靠、可扩展并适用于广泛应用的基本问题。 我们可以希望量子人工智能比我们想象的更接近，但我们可能应该认为它没有我们希望的那么接近。
总统2024财年预算的国家量子倡议（NQI）补充文件发布。这是NQI计划的第四份年度报告，符合《NQI法案》的要求，该法案于2018年12月成为第115-368号公法，旨在加快美国在量子信息科学和技术领域的领导地位。 根据《合格中介机构国家战略概览》，美国正在对合格中介机构的研发进行大量和持续的投资，以探索广泛的应用并培育发现文化。美国已经投资于基本的QIS研发，十几个机构正在进行核心工作。t 本报告表彰了整个联邦QIS研发生态系统的年度亮点，以及由美国国家标准与技术研究所（NIST）、国家科学基金会（NSF）、能源部（DOE）、国防部（DOD）、美国国家航空航天局（NASA）、国家安全局（NSA），以及情报高级研究计划活动。此外，报告还简要总结了机构在跨领域合格中介机构政策主题方面的努力和进展。 2024财年标志着NQI计划的一个关键时刻，因为《NQI法案》中的一些初始授权将在五年后到期。 2023年6月，NQI咨询委员会发布了对NQI计划的首次评估，并提出了加强该计划的建议，众议院科学、空间和技术委员会就推进美国在量子技术方面的领导力举行了全面听证会。在听证会上，委员会引用了NQI咨询委员会的报告，该报告建议至少在未来五年内重新授权NQI法案。
财政大臣杰里米·亨特在2023年秋季声明中宣布了一系列支持英国科技行业的措施，包括对英国量子行业的重大推动，以及一项重大挑战。 声明承认，政府正在探索在公共部门使用量子技术。虽然人们的反应总体上是积极的，但英国生态系统的一些成员希望看到对后量子网络安全的更多重视。 声明称：“国家量子计算中心正在支持政府和行业探索如何应用量子计算，HMG已经启动了一项催化剂基金，将量子创新者和政府部门聚集在一起，以确定和开发近期和长期应用。” 亨特表示，政府正在25亿英镑的十年期国家量子战略的基础上，发布一系列量子任务，包括到2035年实现可访问的英国量子计算机，使其能够运行1万亿次运算，并在关键经济部门实现运算和算法进步。 其他任务侧重于量子网络、医疗应用、导航和基础设施传感器。
SRI今天宣布发布其量子技术制造路线图（QTMR），这是第一项旨在支持量子产业发展和制造关键技术的努力，包括量子计算、量子传感和量子电信。 SRI首席执行官David Parekh表示：“长期以来，SRI一直处于开发一些最重要的技术的前沿，这些技术有利于人们的日常生活，并帮助世界了解这些技术对社会和全球经济的影响。”。“我很高兴SRI与我们来自行业、政府和学术界的合作者一起，在塑造和揭示这一对我们的未来有着非凡前景的新兴领域方面发挥了主导作用。” 该文件确定了未来五年支持量子系统开发和制造的关键技术和能力需求。路线图考虑了广泛的使能技术和能力，为技术性能设定了具体目标。它还解决了路线图参与者认为对技术开发的持续进展至关重要的非技术推动因素。例如，包括数据共享和提高特定技术可用性的必要性等主题。 路线图指出，量子技术的发展有可能影响多个行业，并改变国家安全能力。私营和公共实体正在将大量资源投资于QIST技术的开发和商业化，量子计算、传感和通信领域正在取得快速进展。要充分发挥QIST研发的潜力，需要开发能够大规模制造的新型材料、器件、结构和系统。 该路线图是为国家标准与技术研究所先进制造办公室编制的，由SRI的创新战略与政策中心领导。SRI与一个由行业、国家实验室和学术合作者组成的广泛团队合作，其中包括由SRI管理的量子经济发展联盟（QED-C）的成员，该联盟旨在促进和发展量子产业。QED-C将邀请来自约20个国家的250个组织的成员制定未来版本的量子技术制造路线图。 QED-C执行董事Celia Merzbacher表示：“鉴于量子行业的肮脏，供应商在量子系统开发商承诺购买之前不愿意投资新技术，而客户在了解什么可以可靠供应之前也不愿意投资。”。“这对任何新行业来说都是一个两难的选择。鉴于技术和系统的复杂性，社区认为有必要共同制定一个路线图，加快材料和组件以及制造和计量工具和工艺的发展。这个路线图揭示了当今的许多挑战和前进道路。” SRI创新战略与政策中心执行主任Roland Stephen表示：“这是一个重要的里程碑，SRI支持量子技术的工作才刚刚开始。”。“SRI深入参与量子生态系统，该路线图将使我们能够与世界各地的战略合作伙伴有效合作，将量子技术扩大规模，确保量子制造供应链的安全。”
量子计算机有望有一天能够破解公钥密码，从而使网络战能力发生重大变化。使用新的抗量子密码算法可以降低风险，但向新密码标准的国际迁移将耗时、成本高昂，并取决于国际标准制定组织的工作。技术标准越来越成为地缘政治竞争的焦点，因为中国试图操纵标准组织，使标准向有利于他们的方向倾斜。对这种竞争的国家方法进行对比可能会对后量子网络环境的演变产生重大影响。美国应继续在国内努力，转向新的密码标准，追求国际标准化，并保持一种有分寸的战略，以应对中国在开放标准化过程中的干扰。
美国政府认为量子技术对未来美国经济繁荣和国家安全至关重要，因为它最终可以在信息收集、处理和通信方面提供突破性的新能力。兰德公司的研究人员此前开发了一套指标，用于全面评估一个国家的量子技术工业基础，并将这些指标应用于美国和中国的工业基础。在这份报告中，作者使用了类似的方法来评估其他几个国家的量子工业基地。该报告首先对整个全球量子生态系统进行了广泛的研究，然后更详细地关注了澳大利亚、德国、日本和英国。作者考虑了四类指标：科学研究、政府支持、行业活动和技术成就。只要可能，他们就分别评估了量子计算、量子通信和量子传感三个技术应用领域的指标。该报告最后就政策制定者如何加强美国及其盟国在量子技术研发方面的国际合作提出了建议。
到2035年或2040年，量子计算市场可能增长到约800亿美元。目前，许多量子位技术正在成为第一台容错通用量子计算机的基础，1但目前还没有评估这些技术的好处、挑战和进展的共同标准。即使对于有技术背景的决策者来说，比较这些技术也可能很困难。 在这篇文章中，我们关注量子计算硬件。首先，我们讨论要牢记的技术考虑因素。然后，我们概述了五种主要的量子位技术：光子网络、超导电路、自旋量子位、中性原子和俘获离子。最后，我们预览了一些尚未成熟但可能在未来带来好处的量子位技术。 这篇帖子中的任何信息都不是为了排名或背书；在这些技术中没有明确的赢家。相反，我们希望帮助技术决策者思考参与每种量子计算技术的影响。由于考虑因素各不相同，无法在一组标准的度量标准中捕捉到，因此讨论必须是定性的。
