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石墨烯最新研究!一种奇异电子态可实现更强大量子计算【附量子计算技术赛道观察图谱】

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 瞻研究 • 2024-02-23 15:05:39 来源:前瞻网 E2211G0
100大行业全景图谱

瞻观前沿

2月21日,美国麻省理工学院物理学家在5层石墨烯中观察到了一种难以捉摸的分数电荷效应。这是结晶石墨烯中“分数量子反常霍尔效应”(“反常”指的是不存在磁场)的第一个证据。这将使一种新形式量子计算成为可能,这种类型的计算对微扰的抵抗力更强。最新一期《自然》杂志报道了这一研究结果。

在非常特殊的物质状态下,电子可由一个整体分裂成几个部分。这种被称为“分数电荷”的现象十分少见。如果它能够被聚集和控制,这种奇异的电子态可有助于建立弹性、容错的量子计算机

科学家这次在石墨烯材料中看到了这种效果。研究人员首先从一块石墨中剥离石墨烯层,然后使用光学工具识别阶梯状结构中的5层薄片,从而制造出两个混合石墨烯结构的样品。接着,他们将石墨烯薄片压印在六方氮化硼(hBN)薄片上,并将第二片hBN薄片放在石墨烯结构上。最后,他们将电极连接到结构上,并将其放入冰箱,温度设置为接近绝对零度。

当研究人员在材料上施加电流并测量输出电压时,他们开始看到分数电荷的特征,其中电压等于电流乘以分数和一些基本物理常数。通过进一步分析,该团队证实了石墨烯结构确实表现出分数量子反常霍尔效应。这是第一次在石墨烯中看到这种效应。

目前,研究团队正在继续探索多层石墨烯,以寻找其他稀有电子态。

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技术价值观察

美国麻省理工学院物理学家在石墨烯中观察到了分数量子反常霍尔效应的第一个证据,这为量子计算领域带来了新的可能性。这一发现展示了科学家对微观世界的深入探索和技术创新能力,有望推动量子计算的进一步发展。

该项研究成果目前位于产业链上游环节。量子信息产业链从上游到下游主要包含基础光电元器件、量子通信核心元器件、量子通信传输干线、量子系统平台、以及应用层五个环节。其中基础光电元器件和核心设备是支撑起量子通信的技术和硬件基础;量子传输干线是实现远程量子通信及量子网络的传输渠道;量子系统平台主要负责对信息进行整合处理并根据需求做出相关指令,是维护整个系统健康运转的软件基础;应用层则为量子信息产业化的下游,主要为军事国防、政务、金融、互联网云服务、电力等领域的应用。

图表2:量子信息产业链全景图

宏观市场观察

量子计算多种技术路线竞相发展

量子计算包含量子处理器、量子编码、量子算法、量子软件、以及外围保障和上层应用等多个环节。目前,量子处理器的物理比特实现仍是量子计算研究的核心瓶颈,主要包含超导、离子阱、硅量子点、中性原子、光量子、金刚石色心和拓扑等多种方案,研究取得一定进展,但仍未实现技术路线收敛。

量子计算硬件技术主要分两大类,一类是以超导和硅半导体为代表的人造粒子路线,另一类是以离子阱、光量子和中性原子为代表的天然粒子路线。量子计算硬件研发目前处于各种技术路线并行发展和开放竞争阶段。

图表20:量子计算技术发展路线

中国科技巨头和初创企业积极布局量子计算

在量子计算领域,我国科技巨头阿里巴巴、腾讯、百度和华为通过与科研机构合作等方式成立量子实验室,布局量子处理器硬件、量子计算云平台等领域;而初创公司-本源量子,则在量子处理器硬件、开源软件平台和量子计算云服务等方面进行探索:

图表14:中国企业在量子计算领域的布局

全球量子计算产业规模预测

结合量子计算所需的物理学基础与算法基础,量子计算有望在10-15年内实现商用。根据IDC数据,2022年全球量子计算技术(包括硬件、软件和即服务解决方案)市场规模为11亿美元,2027年将增长至76亿美元左右。预计量子计算的商用元年在2030年,市场需求超过1000亿美元,2022-2030年年均复合增长率达79.72%。

图表10:2022-2030年全球量子计算产业规模预测(单位:亿美元)

中国量子计算技术赛道热力图

根据前瞻产业热力图显示,与量子计算关键技术强关联的地区主要有华南地区、华中地区、华北地区等,根据企业数量来看,海南省或将成为行业重点发展区域,未来量子计算技术及其他相关技术的发展路径,极大可能性在于海口市优先导入,此外还需重点关注海南省海口市龙华区、安徽省合肥市庐阳区、山西省太原市小店区、广东省深圳市福田区、广东省广州市天河区所处量子计算的相关企业,以及该地方对于量子计算的产业发展投资环境、供给市场的潜力空间。

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