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多国加速布局！量子计算，为什么能成为新方向？

2023-09-07 11:33

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

量子科学是20世纪以来最重要的科学发现之一。进入21世纪，量子科技革命的第二次浪潮来临，催生了量子计算、量子通信、量子测量等一批新兴技术。如果把量子信息技术比作一架飞机，那么量子计算技术则是这架飞机的“发动机”。也正因如此，多国都纷纷投入大量精力，布局量子计算研发。当前，量子计算科技发展总体局面如何？如何构建中国量子计算生态？

选自 | 《人民论坛》杂志8月（下）

原标题 | 量子计算技术的产业变革与生态建构作者 | 全国人大代表，中国科学院量子信息重点实验室副主任，中国科学技术大学微电子学院副院长、教授郭国平

量子计算科技或将引领新一轮产业变革方向

量子计算机是一种按照量子力学规律运行的物理设备，能处理量子比特信息，进行高速的数学和逻辑运算，由于量子比特的叠加性、相干性、纠缠性，量子计算机可以在很短的时间内解决在经典计算机上难以解决的问题。

新技术研究路径尚未收敛。量子计算机，根据其逻辑架构主要分为量子逻辑门计算机和量子退火计算机；根据其用途，可以分为专用量子计算机和通用量子计算机。目前量子计算机的技术路线主要包括：超导、离子阱、光量子、量子点、冷原子等。主要技术路线的相关原理不尽相同，各路线百花齐放，百舸争流。

从技术研发上看，超导路线拥有最多的技术追随者。基于超导量子位的量子计算是一种最早被提出和研究的量子计算实现方法，它基于超导性能的材料，使用电荷量子比特、磁通量子比特和相位量子比特这三种方式来形成量子比特，超导量子比特在操控、耦合、测量、扩展等方面具有显著优势，在过去几十年中，超导量子计算有一定的发展，实现了与量子态所需精度相当的高精度控制、微波单光子状态的制备等主要技术。超导技术路线的缺点是易受环境噪声影响使得退相干时间变短，进而增加量子比特的操作难度。当前国际科技企业国际商业机器公司（后简称IBM）开发的超导量子芯片比特数量已进入百位时代，在全球已部署了30余台量子计算机，2022年11月发布了一台名为“鱼鹰”的433量子比特量子计算机。Rigetti两个40位量子芯片组装的80位芯片开始商用。国内本源量子已向用户交付1台24比特的超导量子计算机、1台64比特超导量子计算机。其他研究路径上，各有所长，均在不同程度推进。

基于离子阱的量子计算则是利用电荷与电磁场间的相互作用力来牵制带电粒子的运动，并利用受限离子的基态和激发态组成两个能级，作为量子比特。同时，利用微波激光照射操纵量子态，通过连续泵浦光和态相关荧光，实现量子比特的初始化和探测。该技术路线的优势是量子比特品质高、相干时间较长、量子比特的制备和读出效率较高，其劣势主要是量子比特操纵速度相对较慢，随着量子比特数的增加，量子比特的操纵在技术上有困难。光量子计算机研究方向也有许多团队追随，其优点在于光子的量子态与外部环境的相互作用极其微弱，使得光量子计算机可以在室温的大气环境中工作；同时光子是量子通信的最佳信息载体，它们以光速传播，可为高速、大容量数据传输提供大带宽。缺点在于光子之间相互不作用，因此很难实现需要光子之间相互作用的两量子比特纠缠门。基于半导体量子点技术的量子计算机利用半导体量子点中的电子制造量子比特，将其电子的自旋方向编码为量子态储存量子信息。因其与传统芯片技术有相通之处，比其他方案更具可扩展性，有助于实现芯片产业化。由于半导体量子比特体积小、数量少且相干性较弱，量子点技术路线还未像超导、光量子技术路线一样实现高量子比特数。

国家战略计划聚焦量子计算。如今，量子计算俨然成为科技领域的研究热点，多国政府以及各大科技公司都纷纷投入大量精力和资金来研究和开发量子计算技术。美国在量子计算技术领域率先投资，早在1999年就发布了有关“量子信息科学”的科学技术报告。2018年美国政府推出《国家量子倡议法案》，2020年发布《美国量子网络战略愿景》等量子专项战略，并于2022年发布关于促进量子计算的《国家安全备忘录》。几年间，美国政府不断颁布多项量子计算政策。加拿大政府在2021年7月宣布制定国家量子战略，该战略由加拿大创新、科学和经济发展部(ISED)的秘书处协调，不仅提供大量资金支持该领域研究，还成立了量子计算发展机构，与加拿大商业界密切合作。英国政府于2014年启动“国家量子技术计划”，成立4个国家量子技术中心来开展工作，中心致力于培养人才、开展研究和推动产业应用，以加快量子技术的商业化。德国政府于2021年制定了《量子计算路线图》，并启动慕尼黑量子谷研究集群计划。日本政府也主张该领域的研究和发展，并成立量子计算研究与应用中心。

自2016年起，中国政府发布多项量子技术相关政策，2016年8月国务院颁发《“十三五”国家科技创新规划》，将量子计算机列入科技创新2030重大项目，研制通用的量子计算原型机和实用化量子模拟机。“十四五”规划期间，全国多个省级行政区出台地方发展规划，支持量子计算产业发展。中国政府在量子计算领域开始重点投入，并成立量子计算产业联盟，吸纳中国建设银行、中国移动、平安银行等行业领军企业相继开展商业化应用探索。从各国近年来加大对量子计算的研究与商业化支持力度来看，已经形成量子计算从基础研究到商业应用化研发全覆盖的局面。

量子计算成果不断涌现。继谷歌2019年宣布成功演示“量子霸权”证明量子计算巨大潜力后，在其量子计算路线图上达到第二个关键里程碑：首次通过实验证明可以通过增加量子比特的数量来降低计算错误率。如果量子计算机想在实用性方面取得进展，并解决普通计算机无法解决的问题，有效纠错就是必备技能。此外，作为美国科技巨头的IBM一直在政策的大力扶持下布局量子计算产业，其发布的“Eagle”是一款127量子位的量子处理器，IBM声称它不能被任何经典计算机模拟，它的性能几乎是2020年发布的65量子比特处理器Hummingbird的两倍。2022年11月，IBM推出拥有433个量子比特的量子芯片“鱼鹰”，成为世界上迄今为止最大的通用量子处理器。

量子计算技术的四大总体发展态势

量子计算产业生态初现“曙光”，“合纵联横”态势骤起。从产业化程度看，全球已成立近300家量子计算专业公司，基本覆盖所有技术路线和行业潜在应用方向，成立时间最长的公司已达20多年之久，4家公司完成上市。而国内量子计算专业公司不足10家，从事的技术路线有超导、光学、离子阱、硅基半导体、中性原子等，成立时间最长的是本源量子（5年），目前没有上市公司。从行业生态看，美国以IBM为首的量子计算龙头企业为促进量子计算产业的发展，牵头建立国际主流量子计算产业联盟，组织美国、日本、韩国、德国、澳大利亚等230多家企业协同“联姻”，呈“合纵连横”融合创新发展趋势。国内本源量子牵头成立量子计算产业联盟，金融建模、海洋超算、轮船制造、大数据等领域30余家国内企业入盟，虽体量总体偏小，但已初步形成量子计算产业链雏形。比如以量子处理器、稀释制冷机、低温器件、量子计算机整机、量子软件、算法、操作系统为主的量子计算上下游生产制造链，主要提供量子计算机软硬件资源；以面向用户，根据各行业特定场景需求开发应用算法为主的量子计算生态应用链，针对性提供应用服务；以及围绕量子计算教育、生态资源共享等的量子计算教育科普链，重点培育和培训行业人才。各国主流量子计算联盟合作伙伴间通过资源共享、技术交流与合作研发，在量子计算硬件、软件、算法等领域展开研究与创新，推动量子计算技术的商业化应用。

量子计算协同创新应用层出，领域内原创成果增加。在实际生产、科学研究等领域，量子计算技术的优势主要集中在模拟物质、优化问题、机器学习等方面。量子计算机可以模拟大分子、复杂材料等，可以通过优化算法，为生产和工作中的问题提供快速有效的解决方案，可以通过提供更大的存储和更高效的处理能力，对海量数据进行快速、准确的分析和学习。从应用研究看，国外金融、医药、大型装备制造商等与量子计算公司进行深度融合，围绕量子计算在行业的应用进行协同创新，取得了不少原创性成果。2021年，美国量子计算研发巨头谷歌（Google）与世界最大私有制药企业勃林格殷格翰（BI）合作研究量子计算药物研发。2022年，美国最大港口洛杉矶港首次采用量子计算技术倍数提升港口运营效率。微软、苏黎世联邦理工学院和西北太平洋国家实验室基于量子计算模拟一个催化化学反应，实现了30倍加速和10倍成本降低。国内量子计算潜在应用客户多数是国企，建信金科与本源量子合作开发首批量子计算金融算法，新华财经与本源量子联合开发上线首个量子金融App，但除了金融、通讯机构外，其他行业单位展开量子计算应用合作研究较少。

“示范性”领域带头，多行业“齐头并进”。量子计算科学研究与产业应用理应“相辅相成”，科研课题来自于各行业的真需求，选择更有实际应用价值的课题带入科研，从而探索出新技术的更多应用场景，也是国际量子计算技术发展的一大趋势。金融行业是当前国内外最热门的应用领域之一，量子计算可以用于该领域加密和解密数据，以提供更高的安全性；可用于市场的预测和优化，协助金融机构强化决策、降低风险和增加收益；还可以应用于精准定价、交易结算和资产分配等方面。2022年，美国全国性保险业龙头企业美国州立农业保险公司（State Farm）在其内部成立量子团队，正式入局量子计算，探索潜在解决方案，以更好地满足客户需求。此外，量子计算也被证明在生物制药、能源化工、气象预测等行业具有潜力。在制药行业，量子计算可以用来研究新药的分子结构和化学反应，模拟化学分析结构，进而解决量子化学的合成和药物辅助设计，提高新药的产量和品质。在采矿和勘探行业，量子计算可以协助寻找矿藏和石油等宝贵资源，优化企业的生产效率和节省成本。在物流行业，量子计算可以用来规划最优路径和优化交通网络，从而提高物流效率并降低运输成本。在能源领域，量子计算可用于分析和管理太阳能、氢能、风电场的流体动力学特性等，进而为能源高效利用、转化、储存提供更多的技术支持。在气象行业，量子计算可以用来快速、有效地处理大量且多维度的复杂气象数据，有助于提高天气预报实时性和准确性。基于其并行性和高效算法优化能力，还可以对气象进行有效的仿真、跟踪和预测。在安全行业，量子计算可以用于对当前正在使用的加密系统的防守和攻击。量子计算技术在这些应用领域“齐头并进”，或将为科学研究提供革命性突破。

量子计算技术反哺教育事业发展。全球主要国家都在加大对该领域的投资。量子计算的国际竞争快速提升着量子计算的发展水平，伴随着量子计算技术的突破和应用，相关行业人才“加速”稀缺，而关乎量子计算未来发展持续性的人才培养，则越来越受到关注和重视。2018年底颁布的《美国国家量子计划法案》计划在人才培养、标准制定、技术应用领域投资12亿美元，美国国家科学基金会和白宫科学技术政策办公室牵头启动美国量子信息K12教育。自此，各国相应开设量子人才培养计划。2022年，澳大利亚量子公司Q-CTRL与英国主营量子教育公司QURECA合作建立量子计算人才培养通道，为任何想要入门量子计算的人提供学习机会。美国俄亥俄州立大学宣布建立量子信息科学与工程中心，为量子计算学科建设奠基。而我国量子计算技术虽起步较晚，但量子计算产业发展势头良好、前景广阔，量子计算人才缺口巨大。近年来，我国建立了一批量子计算研究机构和实验室，并拥有了一定的量子计算研究基础。中国科学技术大学、清华大学等高校均开始开设量子信息等相关本科专业，专业课程涵盖了量子计算的基础和应用等。为培育量子计算与各行业综合型人才，建立完善量子计算行业教育培训体系，本源量子在2018年就已推出国内首批量子计算行业应用技术指导课程，包含量子金融、量子化学两个课程体系，近年还同步开设专用领域人才教育培训课程，譬如量子金融赛道班，以满足金融行业领域人才协同开展量子计算应用研究需求。

因此，加快量子计算的技术研发、应用推广和生态构建，不仅重要而且必要更是紧要。世界已进入大科学时代，全球科技发展的信息化特征日趋明显，呈现出两级分化的演进状态。一个是智能化，一个是边缘化。如同工业化的核心是“马力”，智能化的核心就是“算力”，而量子计算是算力发展的新赛道。这种两极分化不光体现在经济发展，还体现在国家安全、社会公共管理等方方面面，如果不能智能化、量子化，可能就会被边缘化。

如何构建中国量子计算生态？

当下，量子计算已经发展到了性能提升、生态建设、习惯培养、应用拓展并重的阶段。量子计算归根结底是算力的竞争，我国应加强量子计算核心软硬件产品和技术攻关。“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。”量子计算国际竞争日益激烈，我国必须奋起直追，2022年12月，中央经济工作会议也明确提出了要加快量子计算研发和应用推广。

研制量子计算机涉及量子芯片、测控、软件、算法和云平台等多领域协同，我国需要加强量子计算核心软硬件产品和技术攻关，突破量子处理器、稀释制冷机、低温器件等核心硬件技术，推动实现量子计算软硬件国产替代；支持量子计算操作系统、量子计算语言、编程框架、芯片设计工具等关键基础软件的研发。

加强以企业为创新主体的量子计算应用研究，助推国内应用落地。量子计算机是一个工具，要到用户手里去，而不是停留在论文上或汇报中。我国量子计算技术研发成本高，商业化开拓难，研发和应用之间存在“断层”。国际上，量子计算的研制开发已步入由龙头企业主导阶段，研发、应用“双向驱动”，应用牵引和市场导向的加速效能凸现。我国量子计算产业发展则较为滞后，和中国量子算力“携手”开发应用的央企不到央企总数的5%。为强化企业创新主体地位和责任，应鼓励大型央企率先开展量子计算应用赋能场景示范。量子计算作为国家战略，关系到国家未来军事安全和经济发展。国家宜鼓励引导大型央企及其他行业龙头企业和量子计算企业在目前国际量子算力已经发挥作用的领域尽快深化合作，这些领域有金融、生物医药、新材料、人工智能、气象预报、密码破译、智能制造等，从而促进我国量子计算技术在经济层面的应用，发挥国内市场优势，以应用“反推”行业技术发展。

加强对我国量子计算教育的重视。2021年教育部批复中国科学技术大学新增“量子信息科学”学科，标志着我国本科院校开启量子计算人才培养的新征程，但在实际推进专业建设和人才培养的进程中，仍有一些院校存在“浅尝辄止”和“畏手畏脚”的现象。量子计算作为综合性学科，包含物理、数学、计算机等一系列学科知识，其发展需要培养更多的人才。部分国外企业和研究机构通过通识教育和职业教育，推广量子计算机操作系统和编程语言，但目前国内只有为数不多的量子企业或团队在量子教育上发力。为鼓励院校开展量子计算人才培养工作，推进我国抢占量子信息全球产业高地，各高校和科研机构应积极参与量子计算教育工作，搭建合作交流平台，加强师资队伍建设，引入国内外优秀的量子计算专业人才和专家，不断更新教材体系，推陈出新，以期提升我国量子计算教育的整体水平和质量。全国大中小学尤其是高校应进一步加强国产量子计算机、量子操作系统、编程语言宣传推广。为此，有如下建议：一是将国产量子计算机科普纳入中小学科普的重要内容之中；二是在已开设量子科技相关课程的高校中引入国产量子计算机软硬件相关课程；三是鼓励并引导高校学生积极参与公益性学术组织举办的全国性量子计算各类技能大赛，以更好更快发现中国量子计算编程人才，为中国量子算力事业凝聚更多中国英才。通过这三项举措让更多的中国“下一代”了解和掌握量子计算基本常识，引导学生特别是高校青年学生养成用国产量子操作系统的习惯，逐步构建中国自主量子计算应用生态圈。

加快构建自主量子计算生态圈。欧美等国量子计算起步早、发展快，产业成熟度高，已逐步建立量子计算生态“链”。2017年，美国的国际商业机器公司（IBM）成立的产业联盟拥有210多个成员，涉及500强公司、初创企业、学术机构和研究实验室。加拿大2020年成功组建量子工业部，包含24家专门从事量子领域的加拿大硬件和软件公司。2022年，德国汉堡启动“量子创新之都”量子计算网络联盟。同年，澳大利亚国家级最高机构澳大利亚技术委员会宣布成立澳大利亚量子联盟。国外联盟发展壮大的同时也意味着越来越多的国际用户甚至中国公民会使用几大国际巨头的量子计算机语言、操作系统，甚至养成习惯。就像习惯使用Windows系统一样，习惯一旦养成，再替换国产操作系统将非常艰难。因此，在核心技术攻关基础之上，应加大自主量子计算软硬件产品和服务在包括“一带一路”和金砖国家在内的国内外市场的应用推广，培育壮大自主的量子计算软硬件产业和生态。

当前，我们已经从研究探索什么是量子计算以及如何用量子特性优化计算，逐渐过渡到量子计算产业发展壮大阶段，在高度重视有序推进中国量子计算事业的同时，我们需谨防“家家点火、户户冒烟”，一拥而上搞量子计算。欧美大约从30年前开始布局量子计算研发，中国大约从20年前起步量子计算研发，不论是美国还是中国，在量子计算研发方面都经历了一个长期过程。量子计算不是一代人能够完成的事业，要从源头上加强对量子计算的科学客观认识，逐步在中国形成对量子计算的共识，才能从源头上避免量子计算“热”带来的“盲目冲动”，最终形成一代又一代中国量子计算人接续奋斗的良好局面。

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