一文看懂量子计算机的“技术成熟度”

爱因斯忑忐
2024-08-23 17:31:50
本帖最后由 爱因斯忑忐 于 2024-8-23 17:34 编辑

 

对于沙漠中的旅者来说,最大恐惧并非来自于眼前的无垠沙海,而是心中没有绿洲。在一段前路漫长、充满挑战的路途中,绿洲意味着什么?是信念不至于崩塌,又或者说,是一根“进度条”。

进度条意味着纵使前方狂沙压顶,但态势发展仍在可控范围内。

同理,对于任何一项技术来说,从实验室萌芽到工程化,再到迈进产品化阶段,也需要一根进度条,它会告诉我们目前已经达到哪个阶段,往前迈进还需要达成什么目标。那么在技术研发管理方面,用什么来做进度条呢?

一、“技术成熟度”模型📖

我们可以借鉴一套度量系统,叫做“技术成熟度”以量子计算为例,将这个量度系统应用在量子计算技术上,通过得出对应的成熟度等级,就知道它目前“几分熟”了。

技术成熟度(Technology Readiness Level, TRL)的概念,最早起源于美国国家航空航天局(NASA)。20世纪70年代,NASA率先提出技术成熟度模型,用来描述一项技术在特定系统或项目中的可用程度,这一模型能够评估技术是否能够可靠地达到预期目标,确保其在使用时不至于失败或导致在成本、时间、功能等方面超出可控范围

NASA提出的技术成熟度,在美国联邦政府的国防、科研机构和国际其他组织机构中得到了广泛使用,‍这一概念也在90年代趋于成熟,目前已被国际标准化组织(ISO)等多个国家部门和国际组织中广泛应用。

不同主体对技术成熟度的定义略有不同,甚至NASA先后也出了几个不同的版本,各自又发展出新的概念,但整体来说评级逻辑保持一致,都划分为9个等级,差异主要集中在技术载体、验证环境之类的具体理解上。

2009年,中国引进了NASA的技术成熟度等级,因地制宜地改良编织成了国家标准,值得一提的是GJB 7688-2012《装备技术成熟度等级划分及定义》这是国家用于装备技术成熟度的等级划分,适用于应用基础研究项目、应用研究项目、开发研究项目等。与国际其它主体机构一样,GJB 7688-2012也将技术成熟度划分为9个等级

我们不妨细看下其中“近似名词”的具体定义,例如与验证环境相关的三个名词:使用环境、相关环境、实验室环境。

还有与技术载体相关的三个名词:原理样品、模型样品、原型

二、三大阶段✏️

乍一看,这9个等级的描述令人眼晕,但各位别忘了。它是一根进度条,所以背后是一套循序渐进的逻辑:实验室阶段→工程化阶段→产品化阶段

1-4级:实验室阶段

5-6级:工程化阶段

7-9级:产品化阶段

技术成熟度作为一种先进的技术管理工具,它的价值在于通过技术形态、验证依据和验证环境三个维度,实现对一项技术的阶段性审查,旨在能够及时发现存在严重问题的项目,进而采取对应措施,避免更大损失

在美国,技术成熟度是政府采办的重要参考,例如阶段性审查重大项目、审查国防项目等,一个典型例子是联合打击战斗机(JSF)项目。该项目由美国国防部在1996年发起,旨在开发下一代多用途战斗机,项目启动后不久就进入方案探索与关键技术开发阶段,原计划会在2001年转入工程研制与制造阶段,但在2000年,美国审计署对其开展了TRL分析,提出有八大关键技术达不到能够接受的TRL7,包括发动机可靠性、隐身涂层耐久性等技术问题,建议项目延期转入工程研制与制造阶段,调整项目采办计划,但国防部并未采纳该建议,致使后续项目进展颇多波折。由此可见,技术本身的成熟度,是制约它能否成功转化成科技成果的一个重要因素。

仔细对照GJB 7688-2012中对各级别成熟度的具象要求,大致可以得到这样的认知:技术成熟度要达到5级以上,才能保证产品开发和应用的可控,因为5级标志着技术已经在【相关环境】中得到验证,适合进一步开发与转化以下H表示硬件要求,S表示软件要求。

摘取技术成熟度5的部分核心描述如下:

统观量子计算设备的各技术路线:受制于保真度、量子比特数量、相干时间等限制,以超导、离子阱等技术路线为代表的“通用型量子计算设备”的技术成熟度尚无法离开【实验室环境】,查阅公开报道,稳定工作时间均还处于毫秒级,工作环境多依赖实验室环境,因此对标GJB 7688-2012,通用量子计算设备的成熟度还处于3级、4级的实验室阶段。

摘取技术成熟度4的部分核心描述如下:

“专用量子计算设备”,牺牲了计算的图灵完备性,在工程可靠性上获得了有效进步,查阅公开报道可知,稳定时间可达到数小时尺度,并且已经在一定数量的应用场景中迁移了软件算法,并获得了实际应用验证。对标GJB 7688-2012,可以达到5-7级成熟度,正处于工程化往产品化渐进的阶段。

摘取技术成熟度6的部分核心描述如下:

三、展望未来👀

接下来,我们不妨做一番合理展望。可以看到,技术成熟度7首次开始强调“批量”生产,是“小批量”,并在真实使用环境中算法可运行,但无需保障成功率;而技术成熟度8已经要求“大批量”生产,且软件也要保障在实际使用环境中“成功”运行

摘取技术成熟度7的核心描述如下:

摘取技术成熟度8的核心描述如下

这些对软硬件的清晰描述,对整个量子计算行业指明了发展的路径和目标,也让所有从业者都看到了距离人们所期待的量子计算机真正产品的差距

量子计算作为一种新兴的未来产业,势必要与时间做朋友,随着近几年整个行业在实用化方面的持续突破,我们只需保持耐心、保持信心、保持决心,随着量子计算这颗硕果愈加成熟,就一定能等到瓜熟蒂落,步入实际应用的那一天。

注:对标技术成熟度等级的定义和细则描述均摘录自GJB 7688-2012,量子前哨细致调查了超导、离子阱、相干光量子、量子退火等多种量子计算设备技术路线,推理和分析均基于当前各技术路线的公开报道。参考资料如下:

1.  PsiQuantum 与美国能源部 SLAC 国家加速器实验室合作,为大规模量子计算提供最先进的高功率低温冷却能力 PsiQuantum Partners With U.S. Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory to Access State-of-the-Art, High-Powered Cryogenic Cooling Capabilities for Large-Scale Quantum Computing — PsiQuantum

2.  PsiQuantum 官网新闻-应用探索 https://www.psiquantum.com/news?Category=PsiQuantum-Press-Release#block-bee2d10471a315bc4c1b

3.  PSNC 和 ORCA Computing 宣布与 NVIDIA 合作,加速混合量子经典高性能计算开发 PSNC and ORCA Computing Announce Collaboration with NVIDIA to Accelerate the Development of Hybrid Quantum Classical High-Performance Computing | ORCA Computing

4.  第一台Quandela量子计算机交付并安装在OVHcloud数据中心 https://thequantuminsider.com/2023/10/24/first-quandela-quantum-computer-delivered-and-installed-in-ovhcloud-datacenter/

5.  最优求解率达99%!玻色量子发布国内550计算的相干光量子计算机|硅基世界 最优求解率达99%!玻色量子发布国内550计算的相干光量子计算机|硅基世界

6.  2024中关村论坛丨玻色量子应邀展示“量子计算+AI”领域重磅成果 2024中关村论坛丨玻色量子应邀展示“量子计算+AI”领域重磅成果

7.  IonQ最新研究突破!引入光量子纠缠以构建量子计算网络 https://zhuanlan.zhihu.com/p/685567607

8.  IonQ 和现代汽车合作使用量子计算来提高下一代电池的有效性 IonQ Reports Strong Q1 2024, New Enterprise Quantum Computer News Completion

9.  IonQ 报告 2024 年第一季度表现强劲 https://thequantuminsider.com/2024/05/09/ionq-reports-strong-q1-2024-new-enterprise-quantum-computer-news-completion/

10.  Quantinuum推出具有56量子比特的离子阱量子计算机 Quantinuum推出具有56量子比特的离子阱量子计算机 | 量子科技中心_量科网

11.  Quantinuum为英国哈特里中心提供量子计算能力 https://bizwest.com/2024/07/12/quantinuum-to-provide-quantum-computing-power-to-uks-hartree-centre/#

12.  IBM Quantum团队揭秘其量子云计算平台的一些相关数据 IBM Quantum团队揭秘其量子云计算平台的一些相关数据 | 量子科技中心_量科网

13.  IBM 量子计算机在大学上线 https://www.iotworldtoday.com/quantum/ibm-quantum-computer-goes-online-at-university-a-world-first

14.  Planqc实现大规模中性原子阵列连续稳定运行超一小时 Planqc实现大规模中性原子阵列连续稳定运行超一小时 | 量子科技中心_量科网

15.  Pasqal 向 GENCI 和 CEA 交付的第一台先进量子处理单元 The First Advanced Quantum Processing Unit Delivered by Pasqal to GENCI and CEA - Pasqal

16.  D-Wave已通过其云服务推出具有1200+量子比特的Advantage2原型机D-Wave已通过其云服务推出具有1200+量子比特的Advantage2原型机 | 量子科技中心_量科网

17.  D-Wave客户成功案例 Customer Success Stories | D-Wave

 

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