2021量子計算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢展望

概念界定及發(fā)展演進

量子計算為提升算力和降低能耗提供了 顛覆性的處理思路，對量子計算的研究 是突破經(jīng)典計算算力極限的革命性科學(xué) 嘗試。從概念構(gòu)想到實驗室成果再到商 業(yè)價值初探，探索物理實現(xiàn)粒子和提高 量子比特位數(shù)是全球研究機構(gòu)及科技企 業(yè)追逐的關(guān)鍵。

（一）概念定義：

1.量子計算概念：量子計算是利用諸如疊加和糾纏等量子現(xiàn)象進行計算的一種革命性計算技術(shù)。 這些量子現(xiàn)象遵循量子力學(xué)規(guī)律通過調(diào)控量子信息單元實現(xiàn)。

原理特性：以量子比特為基本單位，通過量子態(tài)的受控演化實現(xiàn)并行計算， 在某些計算困難問題上提供指數(shù)級加速。

發(fā)展 定位：為計算困難問題提供高效解決方 案，實現(xiàn)突破經(jīng)典計算極限的算 力飛躍。

應(yīng)用 前景：實現(xiàn)大規(guī)模可編程容錯量子計算 機及其應(yīng)用；將與經(jīng)典計算長期 共存，相輔相成。

2.量子計算機與經(jīng)典計算機的區(qū)別： 量子計算機基于量子力學(xué)原理構(gòu)建，用于處理和計算量子信息，運行量子算法。量子計算機與經(jīng) 典計算機在基本單位、運算模式和計算能力上存在明顯區(qū)別。

基本單位：經(jīng)典計算機信息的基本單元是比特，比特是一種有兩個狀態(tài)的物理系 統(tǒng)，用0與1表示。 在量子計算機中，基本信息單位是量子比特（qubit），用兩個量子態(tài) │0>和│1>代替經(jīng)典比特狀態(tài)0和1，每個量子比特的狀態(tài)是0或1的線性 組合（通常稱為疊加態(tài)）。

運算模式：經(jīng)典計算機的運算模式為逐步計算，一次運算只能處理一次計算任務(wù)。 量子計算為并行計算，因此量子計算機可以同時對2^n個數(shù)進行數(shù)學(xué)運 算，相當(dāng)于經(jīng)典計算機重復(fù)實施2^n次操作。

計算能力：在經(jīng)典計算中，計算能力與晶體管數(shù)量成正比例線性關(guān)系； 量子計算機中算力將以量子比特的指數(shù)級規(guī)模拓展和爆發(fā)式增長。

基于上述優(yōu)勢，量子態(tài)疊加原理使得1臺n位的量子計算機算力在理論上等同于2^n臺n位的經(jīng)典計 算機算力。因此，相較經(jīng)典計算機，量子計算機具備“量子優(yōu)越性”。一旦量子計算機強大到可以完 成經(jīng)典計算機無法執(zhí)行的計算時，“量子霸權(quán)”由此實現(xiàn)。

（二）發(fā)展歷程：

從20世紀(jì)80年代量子計算概念的最初構(gòu)想到20世紀(jì)90年代劃時代的量子算法編制，再到21世紀(jì)以 來商用量子計算機實現(xiàn)路徑的孵化成型，經(jīng)歷了近半個世紀(jì)的積淀與培育，提高量子比特數(shù)和探索物 理實現(xiàn)粒子是科學(xué)界與企業(yè)界追逐的關(guān)鍵。未來，向?qū)嶒炇彝馔卣沽孔佑嬎悖瑢崿F(xiàn)通用量子計算機， 面向廣泛商業(yè)化應(yīng)用場景是科技浪潮即將奔赴的海岸。

1982-1993 理論概念構(gòu)想期

1982年，Richard Feynman提出利用量子體系實現(xiàn)通用計算的想法，即量子計算的早期概 念構(gòu)想。1985年，David Deutsch提出了量子圖靈機模型，使得通用量子計算機的構(gòu)建更加清晰。1992年，Deutsch Jozsa提出了D-J量子算法，這是量子并行計算理論的基石。

1994-2006 實踐成果初探期

1994年，Peter Shor提出Shor算法, 對RSA等在內(nèi)的加密算法和系統(tǒng)造成了威脅，成為量 子計算的核心突破。1995年，Benjamin Schumacher第一次提出了量子比特信息學(xué)上的概念，并創(chuàng)造了“量子 比特”（qubit）的說法。1996年，Lov Grover提出了Grove量子搜索算法，該算法被公認(rèn)為繼shor算法后的第二大 算法。1998年，Bernhard Omer提出量子計算編程語言，拉開了量子計算機可編程的序章。

2007-2013 研究開發(fā)活躍期

2007年，D-wave Systems實現(xiàn)了歷史上第一臺商用量子計算機。宣布研制成功 16 量子 比特的量子計算機——“獵戶座”（Orion）。 2009年，Harrow、Hassidim、Lloyd提出HHL量子算法。該算法在特定條件下實現(xiàn)了相較 于經(jīng)典算法的指數(shù)加速效果，將在機器學(xué)習(xí)、數(shù)值計算等場景有優(yōu)勢體現(xiàn)。

2014-2019 商業(yè)價值孵化期

2014年，Google建設(shè)“Google量子人工智能實驗室”，自此專營量子計算的創(chuàng)業(yè)公司開 始出現(xiàn)。 2016年8月16號，墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星成功發(fā)射升空。2019年1月，IBM公司發(fā)布世界上首個商用集成量子計算系統(tǒng)：IBM Q System One，這一 新系統(tǒng)對于在實驗室外擴展量子計算至關(guān)重要。 2019年，谷歌發(fā)布論文稱已經(jīng)利用一臺53量子比特的量子計算機，證實了量子計算機性 能超越經(jīng)典計算機，成為量子計算領(lǐng)域發(fā)展的標(biāo)志性事件，刺激了全球科技巨頭和初創(chuàng)企業(yè) 的進一步投入與競爭。

2020-以后技術(shù)應(yīng)用躍升期

未來，隨著量子物理比特數(shù)量和質(zhì)量的提升，預(yù)計到2030年，基于百位量級量子物理比 特，在含有噪聲，即未實現(xiàn)量子糾錯的條件下，探索開發(fā)相關(guān)應(yīng)用和解決特定計算困難問題。 到2050年，有望實現(xiàn)通用量子計算機，提高量子比特的操縱精度使之達到能超越量子計算苛刻 的容錯閾值（>99.999%），并進一步面向更廣泛的應(yīng)用場景。

政策資源分布

全球主要國家高度重視量子科技發(fā)展， 我國充分認(rèn)識推動以量子計算為代表之 一的量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性。 在各國頂層政策催化下，量子計算在前 沿科技領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，科研探索和 技術(shù)創(chuàng)新保持活躍，發(fā)展態(tài)勢良好。

（一）全球政策及中國政策：

量子科技是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的必爭領(lǐng)域之一。近年來，美國、歐盟、英國、日本等主 要國家和地區(qū)高度重視量子科技發(fā)展，通過出臺政策文件、成立研究機構(gòu)、支持量子科技研究等方式 加大對量子科技的規(guī)劃布局和支持力度。

在我國，量子科技產(chǎn)業(yè)獲政策持續(xù)支持，已上升為國家戰(zhàn)略。早在2006年發(fā)布的《國家中長期科 學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中，就已經(jīng)提出“重點研究量子通信的載體和調(diào)控原理及方 法，量子計算，電荷-自旋-相位-軌道等關(guān)聯(lián)規(guī)律以及新的量子調(diào)控方法”。2016年，在國務(wù)院《國家 創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》中提出了促進“量子信息技術(shù)”發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃。2020年，中共中央政治局 就量子科技研究和應(yīng)用前景進行第二十四次集體學(xué)習(xí)，習(xí)近平總書記提出“要充分認(rèn)識推動量子科技 發(fā)展的重要性和緊迫性，加強量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋”。

技術(shù)發(fā)展情況

量子計算存在多種技術(shù)路線以制作出糾 纏態(tài)的最基本物理實現(xiàn)粒子，但尚無任何 一種路線能夠完全滿足實用化條件要求 從而推動技術(shù)方案的融合收斂。量子計 算目前還處于原型機研發(fā)階段，對粒子 狀態(tài)的控制是亟需突破的難點。距離實 現(xiàn)對規(guī)模化多體量子體系的精確制備、 操控與探測還需至少十年的探索周期。

（一）技術(shù)成果

量子計算存在多種技術(shù)路線以制作出最基本的物理實現(xiàn)粒子。主流技術(shù)路徑包括超導(dǎo)、離子阱、 半導(dǎo)體量子點、量子光學(xué)以及拓?fù)淞孔拥取＜夹g(shù)路徑的研發(fā)目的都是為了制作出糾纏態(tài)的最基本粒 子。超導(dǎo)和離子阱技術(shù)路線當(dāng)前處于領(lǐng)先地位，受到關(guān)注程度最高，半導(dǎo)體量子點和光量子路線發(fā)展 提速，上述四種路徑均已制作出物理原型機，但拓?fù)淞孔由袩o物理層面的實現(xiàn)。目前，仍無任何一種 路線能夠完全滿足實用化條件要求從而推動技術(shù)方案等融合收斂。

超導(dǎo)量子計算路線：利用超低溫“凍結(jié)”粒子的運動進而實現(xiàn)粒子狀態(tài)的控制。由于超導(dǎo)量子 電路的能級結(jié)構(gòu)可通過外加電磁信號進行調(diào)控，電路的設(shè)計定制的可控性強。得益于基于現(xiàn)有 的成熟集成電路工藝，超導(dǎo)量子電路具有多數(shù)量子物理體系難以比擬的可擴展性。 谷歌、IBM、英特爾等企業(yè)均在積極開展超導(dǎo)量子比特實驗研究，我國中科大、南方科大、 中電科、阿里巴巴、本源量子等公司和研究機構(gòu)開展了超導(dǎo)線路的研究和布局。量子比特數(shù)近 年來穩(wěn)步提升。 但超導(dǎo)路線在邏輯門保真度和相干時間方面存在一定短板，比特見連接的物理布線工藝難度 要求將對著比特數(shù)增加而加大。

離子阱量子計算路線：在物理比特質(zhì)量和邏輯門保真度等方面具有一定優(yōu)勢，同時具備室溫條 件工作的優(yōu)點。 2020年Honeywell發(fā)布了6量子比特離子阱計算機，先后實現(xiàn)了64和128量子體積，平均單量 子比特門保真度為99.97%，雙量子比特門保真度為99.54%；IonQ宣布在32量子比特離子阱量子 計算機上，實現(xiàn)預(yù)期超過400萬量子體積；我國清華大學(xué)、中山大學(xué)和啟科量子等公司和研究機 構(gòu)開展了離子阱線路的研究和布局。 離子阱路線在真空工作環(huán)境要求，門操作時間指標(biāo)和激光讀寫操控復(fù)雜度等方面存在短板， 單平臺實現(xiàn)物理比特數(shù)量的大規(guī)模擴展也存在瓶頸。

半導(dǎo)體量子計算路線：與現(xiàn)代半導(dǎo)體集成電路工藝兼容，在可拓展性和可集成性等方面具備優(yōu)勢。 2020年英特爾與代爾夫特QuTech共同在Nature上發(fā)表論文，證明了在高于1開氏度下能夠成 功控制“高溫”量子比特；澳大利亞硅量子計算公司（SQC）刷新了有史以來的半導(dǎo)體量子比特 的最低噪聲水平，通過將該研究成果與在1微秒內(nèi)讀出量子比特信息的能力相結(jié)合，實現(xiàn)了雙量 子比特門保真度99.99%；我國中科大和本源量子等公司和研究機構(gòu)開展了半導(dǎo)體線路的研究和 布局。 但半導(dǎo)體路線物

量子光學(xué)路線：在相干時間、室溫工作、高維糾纏操縱、實現(xiàn)量子信息系統(tǒng)互聯(lián)等方面具有 優(yōu)勢。 我國中科大在光量子計算研究方面處于領(lǐng)先地位，2020年9月完成了對50個光子的玻色取 樣，12月構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”。 但基于離散器件平臺等光量子計算探索在比特數(shù)量大規(guī)模方面將面臨困難，上海交大在基于 光子集成的光量子芯片領(lǐng)域開展了研究。

拓?fù)淞孔佑嬎懵肪€：無需糾錯算法，相干時間長，保真度強。但拓?fù)淞孔游挥布?gòu)建難度大，目 前尚無物理層面的實現(xiàn)。 微軟為該實現(xiàn)路徑的主要研發(fā)企業(yè)，2020年微軟宣布與哥本哈根大學(xué)合作成功實現(xiàn)了一種重 要的、有希望用于拓?fù)淞孔佑嬎銠C的材料。這種新材料有可能在沒有磁場的情況下實現(xiàn)拓?fù)錉?態(tài)，可用于實現(xiàn)真正的拓?fù)淞孔佑嬎銠C。

（二）技術(shù)瓶頸

量子計算目前還處于原型機研發(fā)階段，在技術(shù)上仍面臨多項挑戰(zhàn)，主要包括以下五方面的困難。 對粒子狀態(tài)的控制是亟需突破的難點，距離達到超越量子計算苛刻的容錯閾值（>99.999%），實現(xiàn)對 規(guī)模化多體量子體系的精確制備、操控與探測還有至少十年的探索周期。

1.擴展性

外界環(huán)境對于量子的相干疊加態(tài)及量子計算 機計算結(jié)果穩(wěn)定性的干擾性較為明顯。因此量子 計算機需通過使用超導(dǎo)材料對抗外界干擾，而這 些超導(dǎo)材料一般需要在約為 0.1 開爾文（即零下 273.05 攝氏度）的環(huán)境下工作，該溫度低于宇宙 星際空間的平均溫度 2.73 開爾文。此外，在進 行量子計算的時候，隨著量子比特數(shù)量增加，保持 量子比特相干態(tài)的難度也在不斷加大。

2.相干時間較短

由于量子計算機容易受外界環(huán)境的影響而 導(dǎo)致退相干，因此為保持運算結(jié)果的可靠性， 量子計算必須在其發(fā)生退相干之前全部完成。 而由于目前相干時間的上限一般為100微秒，在 這極其短暫的時間段內(nèi)，量子計算機必須完成 一定邏輯操作，這對于量子邏輯門之間的切換速度要求非常高。

3.去相干糾錯

由于量子計算機通常難以避免量子比特退相干出 錯，引入了糾錯機制，而退相干的糾錯機制，目前還無 法實現(xiàn)1個真正的能夠容錯的滿足量子計算的邏輯比特。

4.輸入和末態(tài)的測量

要量子計算機運作時需 把量子比特初始化為一個標(biāo) 準(zhǔn)態(tài)，即要求量子計算的輸 入態(tài)是已知的，同時具備對 量子計算末態(tài)進行測量的能 力。該能力目前還不成熟。

5.量子算法

目前的QPU需要依 賴經(jīng)典芯片（CPU或?qū)?門設(shè)計的量子比特控制 芯片）對其進行操作， 目前，量子計算只能執(zhí) 行用于分解質(zhì)因數(shù)的 Shor量子算法、用于無 序數(shù)據(jù)庫搜索的Grover 量子算法等有限的量子 算法。

賽迪預(yù)判

若實現(xiàn)量子糾錯機制的應(yīng)用，量子計算 有望在10-15年內(nèi)實現(xiàn)商用，市場規(guī)模將 實現(xiàn)爆發(fā)性增長，預(yù)計量子計算的商用 元年在2030年左右，量子計算商用元年 的市場規(guī)模將達到140.1億美元。

（一）商業(yè)前景

當(dāng)前，量子計算市場主要集中于研發(fā)環(huán)節(jié)。若實現(xiàn)量子比特質(zhì)量、量子糾錯算法、量子比特控制 等核心挑戰(zhàn)的突破，未來市場規(guī)模將實現(xiàn)爆發(fā)性增長。量子比特位數(shù)、量子體積、量子相干時間等參數(shù) 對于預(yù)測量子計算商業(yè)化元年具有較高的參考價值：

1.當(dāng)量子比特位數(shù)達到100-1000位后，量子計算機有望能夠執(zhí)行一些具有實際意義和應(yīng)用價值的算法；

2.當(dāng)錯誤率由0.1%減少到0.01%后，將帶來“量子體積” 的明顯增長，預(yù)示量子計算機得以商用；

3.若量子相干時間提升至高于1ms，量子計算機將有進入商用的可能。

綜上，并結(jié)合量子計算所需的物理學(xué)基礎(chǔ)與算法基礎(chǔ)，量子計算有望在10-15年內(nèi)實現(xiàn)商用，預(yù)計 量子計算的商用元年在2030年左右。以2030年為量子計算商用元年，預(yù)計2030年全球量子計算市場規(guī) 模將達到140.1億美元，并以30%左右的增速平緩上漲，至2035年預(yù)計會達到489.7億美元的量子計算 市場規(guī)模。

（二）發(fā)展趨勢

1.量子計算作為量子科技的重要應(yīng)用之一，在面向 “十四五”乃至更長遠(yuǎn)的未來，有望成為中國在全球科 技產(chǎn)業(yè)中“換道超車”、掌握尖端技術(shù)話語權(quán)的重要核 心技術(shù)。

2.量子計算尚無專利壁壘，當(dāng)前搶占技術(shù)入口將獲得至關(guān) 重要的議價權(quán)。在經(jīng)典計算機體系內(nèi)，計算芯片設(shè)計與 制造的核心技術(shù)掌握在科技巨頭公司手中，并處于壟斷 地位；而在量子計算領(lǐng)域尚未形成壟斷性巨頭公司或者 較高的技術(shù)專利壁壘。

3.相較于量子通信，量子計算的技術(shù)突破難度較高，由 于量子計算極易被環(huán)境熱量或波動干擾致使計算結(jié)果 出錯，因此量子糾錯算法對結(jié)果的準(zhǔn)確性極其重要， 而提升量子比特的測控精度是量子計算機實用化的關(guān) 鍵問題。

4.量子計算當(dāng)前還處于原型機研發(fā)階段，商業(yè)化前景仍然存 在不確定性，但氣象、金融、石油化工、材料、生物醫(yī) 藥、汽車交通等眾多行業(yè)已開始關(guān)注和重視到“量子計 算”的巨大發(fā)展?jié)摿Γ㈤_始與量子計算科技企業(yè)和初 創(chuàng)企業(yè)進行合作探索。量子計算企業(yè)在量子計算技術(shù)的 研究及落地應(yīng)用中的地位不可或缺，應(yīng)當(dāng)進一步與科研 院所合作交流，破除技術(shù)交流壁壘。

5.量子計算與經(jīng)典計算并非競爭關(guān)系，量子領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng) 加深和傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的合作，利用現(xiàn)有技術(shù)成果加速自 身發(fā)展。未來，量子計算機和經(jīng)典計算機將相輔相成、 并行存在，分別面對不同的市場需求，從中找到適合的 商業(yè)模式和應(yīng)用模式，占據(jù)相應(yīng)市場份額。

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編輯：123weilai