量子計算領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀與展望

郝曉雪 王婷 倪琰 李向陽 杜彥昌

0 引言

量子計算是一種新型計算模式，由量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控，基于量子信息單元完成計算，顯著區(qū)別于傳統(tǒng)計算模式的新方式?；诹孔蛹m纏態(tài)計算建立的計算機則被稱為量子計算機。事實上，量子糾纏態(tài)和穩(wěn)態(tài)的研究促進了量子計算機的發(fā)展。與傳統(tǒng)計算機不同，量子計算機的硬件基于糾纏態(tài)光量子的生成和湮滅，遵循量子計算理論，處理和計算的不再是簡單電平信號而是量子信息，運行的是基本邏輯也不再是簡單的與或非門電路，而是量子算法。1981年，美國阿拉貢國家實驗室的Paul Benioff 最早提出了量子計算的基本理論。

傳統(tǒng)計算機的運行速度受到溫度、濕度等外界因素制約，散熱不佳將極大的降低運算速度，而計算過程中的不可逆操作將帶來極大的能耗，從而造成發(fā)熱。反觀量子計算，由于可以進行可逆操作，因而其功耗能夠顯著降低，解決了傳統(tǒng)計算機能耗帶來的發(fā)熱問題。對于傳統(tǒng)計算機而言，其發(fā)展由摩爾定律給定，即集成電路的性能能夠于每18～24 個月的時間內(nèi)翻一倍，與之相對，當材料與技術(shù)成本不變時，價格也會降為原價的0.5 倍。近些年來，由于半導(dǎo)體工藝發(fā)展受到制約，電路原理多年未曾進步，因此摩爾定律的極限也逐漸逼近，缺乏一種新型顛覆性技術(shù)來推動計算領(lǐng)域的高速發(fā)展。究其根本，CPU中光刻機刻蝕出的布線密度是重要的限制原因之一，一旦逼近極限密度，該芯片電路發(fā)展將不再遵循摩爾定律，此時電路中高速數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致的波粒二象性不容忽視。根據(jù)海森堡不確定性關(guān)系，集成電路中電子位置的相當確定時，動量的不確定量會很大，從而造成量子效應(yīng)顯著，對電子的操縱難度極大，易造成CPU 故障。因此單一CPU 的集成度有限，單位體積運算速度受到很大影響，但量子計算機能很好的克服這一點。

1 量子計算國內(nèi)外主要研究進展

2018年3月，谷歌宣布實現(xiàn)72個量子位的原型機，極大的拓展了量子計算的商業(yè)化應(yīng)用。5月，我國阿里巴巴達摩院頂級科研機構(gòu)量子實驗室發(fā)布消息，稱已成功模擬了81 比特40 層作為基準的谷歌隨機量子電路，研發(fā)出當前世界最強的量子電路模擬器“太章”。因此，量子技術(shù)不僅事關(guān)國家網(wǎng)絡(luò)安全，更有望催生全新且龐大的產(chǎn)業(yè)鏈條，對經(jīng)濟社會產(chǎn)生重大影響。

1.1 國內(nèi)重要進展

我國在量子計算領(lǐng)域起步雖然落后于歐美國家，但是在國家支持下，還是取得了國際一流的研究成果。當前，由于物理、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)較為薄弱，因此在關(guān)鍵技術(shù)突破等方面與歐美仍存在一定差距。

首先，從戰(zhàn)略上講，我國發(fā)布《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》，將“量子調(diào)控研究”列為4 個重大科學(xué)研究計劃之一，提供持續(xù)性穩(wěn)定性的國家層面支持，并且相關(guān)領(lǐng)域的專家已經(jīng)開展了相應(yīng)的研究，取得了不菲的研究成果。中國科技大學(xué)的郭光燦院士長期從事半導(dǎo)體量子芯片研究并取得了重大突破，實現(xiàn)了2個量子比特邏輯門電路，在操控比特數(shù)量和量子相干時間等方面達到國際先進水平。同屬中國科技大學(xué)的潘建偉院士在量子保密通信和量子物理方面也取得了卓越成果，例如，潘院士首次在國際上使用光晶格技術(shù)生成并觀測了了約600 對呈現(xiàn)糾纏狀態(tài)的超冷量子比特。

其次，我國量子計算研究基礎(chǔ)薄弱，經(jīng)費和人力投入與歐美國家相比遠遠不足。雖然我國在量子計算領(lǐng)域投入了相當?shù)娜肆ξ锪?，然而，實用化的量子計算機的應(yīng)用是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，既要對量子物理基礎(chǔ)學(xué)科進行原理性創(chuàng)新，又要進行量子計算所需的普適材料、制程、架構(gòu)和控制軟件等實現(xiàn)創(chuàng)新。當前，由于我國精密工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的限制，造成我國在傳統(tǒng)計算和量子計算工藝技術(shù)上基礎(chǔ)薄弱，從而導(dǎo)致核心電子元器件、高端計算芯片、操作系統(tǒng)和高級計算軟件、增材制造裝備等長期落后，受到西方國家的制裁和禁運，最終導(dǎo)致我國量子計算的研究主要處于原理驗證和演示層面，無法深入進行脫離實驗室環(huán)境的量子計算模擬和深層次計算，以至于直到現(xiàn)在，我國都尚未研發(fā)出可以商業(yè)化使用的量子計算芯片，而同期IBM 的量子計算已經(jīng)提供商業(yè)化服務(wù)。此外，我國從事量子計算領(lǐng)域的單位較少，由于基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏，量子計算領(lǐng)域入門門檻較高，目前僅有中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、阿里巴巴達摩院、中國科學(xué)院、清華大學(xué)等單位開展了量子計算方面的研發(fā)，導(dǎo)致我國在量子計算實用化方面進程緩慢。

2017年5月3日，我國成功研發(fā)出世界上第一臺光量子計算機，這標志著我國在量子計算機領(lǐng)域取得世界一流的入場券。該光量子計算機由中國科技大學(xué)、中國科學(xué)院-阿里巴巴量子計算實驗室、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所等協(xié)同完成參與研發(fā)。經(jīng)初步實驗測試，該原型機的取樣速度比國際同行類似的實驗快約24000 倍，比人類歷史上第一臺電子管計算機和第一臺晶體管計算機運行速度快10 倍至100 倍。

1.2 國外重要進展

由于歐美一直重視基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，因此在量子領(lǐng)域一直走在世界前列。自量子計算機概念被提出以來，歐美學(xué)術(shù)界和工業(yè)界不斷加大資本和人力投入，并取得舉世矚目的重大進展。量子信息科技將引領(lǐng)下一場技術(shù)革命，給國家安全、經(jīng)濟發(fā)展、基礎(chǔ)科研等帶來重大變革。

首先，歐美在國家戰(zhàn)略布局層面上顯著高于國內(nèi)。自2014年以來，歐美研究機構(gòu)與企業(yè)投入力度不斷加大，歐盟于2018年啟動總額10億歐元的量子技術(shù)項目，旨在進一步加強歐盟量子領(lǐng)域的力量；9月24日，美國白宮科技政策辦公室（OSTP）會同國家科學(xué)技術(shù)委員會（NSTC）發(fā)布《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》，標志著特朗普政府將量子霸權(quán)提升到國家戰(zhàn)略。此外，英國政府投入約2.5 億美元在牛津大學(xué)等高校建立量子研究中心，培養(yǎng)該領(lǐng)域的頂尖人才，荷蘭政府向國內(nèi)頂尖大學(xué)代爾夫特理工大學(xué)資助1.4 億美元開展量子計算研究，加拿大政府也資助滑鐵盧大學(xué) 2.1億美元開展量子領(lǐng)域的研究，澳 大利亞政府、銀行等出資8300 萬澳元在新南威爾士大學(xué)成立量子計算公司。

其次，歐美量子技術(shù)研發(fā)取得一系列重大突破。在量子芯片方面，美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校在國際上首次實現(xiàn)了9 量子比特的超導(dǎo)量子芯片，美國新南威爾士大學(xué)成功研發(fā)出2 量子比特的硅基半導(dǎo)體量子芯片，應(yīng)該牛津大學(xué)則實現(xiàn)了5量子比特的離子阱量子芯片；在量子計算方面，美國IBM 公司于2016年5月發(fā)布了5 超導(dǎo)量子比特的量子計算機，并在2017年將20 量子比特的計算機完成了商業(yè)化，西班牙巴斯克大學(xué)于2016年6月公布了具有9 超導(dǎo)量子比特的模擬量子計算機，馬里蘭大學(xué)與美國國家標準與技術(shù)研究院于2016年8月發(fā)布5量子比特的可編程量子計算機。

2017年11月11日，IBM 宣布20 量子位的商用量子計算機研制成果，并于同年完成50 量子位的量子計算機原理樣機。該20 量子比特的計算機是商業(yè)化版本，其糾纏態(tài)量子相干時間較長，穩(wěn)定性得到極大的增強，平均相干時間提升到90 微秒，并具備柔性的擴展設(shè)計，可以增加量子位，基于相同技術(shù)的50 量子位的量子計算機能夠達到更加強大的性能，幫助IBM 構(gòu)建量子霸權(quán)。美國哈佛大學(xué)的盧金教授，格雷納教授和麻省理工學(xué)院的武菜蒂奇教授則在量子模擬方面取得較大進展，他們通過激光捕捉到超冷銣原子，并利用磁場將冷原子進行排序，最終研發(fā)出一種51 量子位的模擬器，可以實現(xiàn)特定的量子計算。

2 量子計算未來發(fā)展展望

目前，量子計算機的產(chǎn)業(yè)化和軍事化應(yīng)用已經(jīng)進入關(guān)鍵時期，世界主要國家和龍頭企業(yè)都投入巨大人力和物力開展量子計算方面的研究。我國也十分重視量子領(lǐng)域的發(fā)展，期待在本次科技革命中占據(jù)先機，因此發(fā)布了《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》，將“量子調(diào)控研究”列為重點方向，計劃在量子保密通信、量子計算等領(lǐng)域開展預(yù)研，取得重要的研究成果。近5年來，我國量子領(lǐng)域的研究已經(jīng)處于國際領(lǐng)先地位，尤其是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的基于量子物理的新型量子保密通信技術(shù)。

2.1 軍事應(yīng)用前景分析

（1）在破解加密算法中的應(yīng)用

量子技術(shù)不僅可以通過糾纏態(tài)的不可測技術(shù)確保自身通信安全，也可以通過極高的并行度破解現(xiàn)有密碼體系，產(chǎn)生顛覆性的影響。隨著新型計算技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是巨型機、并行計算的發(fā)展，使得密鑰加密的破解難度逐漸降低，而對于并行度極高的量子計算，更是可以利用先天優(yōu)勢，快速破譯以因式分解為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的傳統(tǒng)密碼體系。例如，傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)WPA-128加密方案，如果使用“量子搜尋算法”進行暴力破解，所需時間不到 4 min，而傳統(tǒng)摩爾架構(gòu)的計算機則需要1000年。

（2）在反隱身作戰(zhàn)中的應(yīng)用

隨著吸波材料計算的發(fā)展，隱身戰(zhàn)機也逐步成為未來戰(zhàn)場的顛覆性作戰(zhàn)裝備。而量子糾纏理論則有望突破這一優(yōu)勢，即基于量子技術(shù)的量子雷達可將量子比特調(diào)制到雷達波形中，利用糾纏態(tài)的光量子產(chǎn)生極其敏感的探測信號，其靈敏度遠高于傳統(tǒng)射頻波段雷達，是未來戰(zhàn)場隱身戰(zhàn)機的終結(jié)者。利用光量子則有可能實現(xiàn)高分辨率成像，對對地高分偵察、復(fù)合習(xí)制導(dǎo)等起到積極作用，并在光路上探測目標圖像，擁有極其可觀的戰(zhàn)場應(yīng)用需求。此外，光量子信號對環(huán)境變化非常敏感，因此也有望在無源導(dǎo)航等方面產(chǎn)生顛覆性影響。

（3）在智能作戰(zhàn)中的應(yīng)用

由于量子信息領(lǐng)域展現(xiàn)出強大的生命力和顛覆性的物理效能，因此其有望在戰(zhàn)場人工智能、軍事大數(shù)據(jù)、戰(zhàn)場氣象水文環(huán)境偵察、智能聯(lián)合指揮控制領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，是未來戰(zhàn)爭的重要顛覆性技術(shù)。因此，必須直面量子技術(shù)的機遇與挑戰(zhàn)，才有可能在未來戰(zhàn)爭中占據(jù)有利位置。

2.2 國際格局影響分析

量子技術(shù)是一種潛在顛覆性技術(shù)，需要10年甚至更長時間的培育才能影響到整個世界，但是這種潛在的顛覆性技術(shù)關(guān)系到我國未來發(fā)展，關(guān)系到未來數(shù)據(jù)驅(qū)動的國家基礎(chǔ)計算能力，有望幫助我國迅速建立起全域戰(zhàn)略優(yōu)勢，引領(lǐng)量子信息時代的國際發(fā)展。首先，規(guī)?；逃昧孔佑嬎銠C的有望滿足未來大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求，對國際政治經(jīng)濟格局產(chǎn)生重大影響。量子計算作為當前潛在的顛覆性技術(shù)，其重要性可以比肩工業(yè)革命的蒸汽機和信息時代的數(shù)字化計算，能克服現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝的熱耗效應(yīng)帶來的瓶頸，還可以利用量子糾纏實現(xiàn)超越巨型機計算能力的并行計算。因此，商業(yè)化量子計算機的應(yīng)用，有望進一步提高計算速度和海量信息處理能力，有力的支撐生物、核等新領(lǐng)域帶來的計算和仿真瓶頸，從而進一步對國際格局產(chǎn)生影響。其次，商用量子計算機難以在短期內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用，于通用計算機相比還有很大差距，僅僅在相關(guān)領(lǐng)域具備顛覆性優(yōu)勢。

2.3 產(chǎn)業(yè)化影響分析

量子計算將突破摩爾定律代表的現(xiàn)代計算機限制，打破現(xiàn)有信息系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)格局，構(gòu)建全新的產(chǎn)業(yè)體系和生態(tài)圈。首先，量子核心產(chǎn)業(yè)體系有望重構(gòu)。作為計算技術(shù)的潛在顛覆者，量子計算將通過20年甚至更長時間形成龐大的技術(shù)和產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈，同時形成對應(yīng)的生態(tài)圈，為各領(lǐng)域的發(fā)展開辟廣闊空間，帶動包括增材制造、信息與通信、新能源等一大批產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的跨越式發(fā)展。量子計算在專業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出的強大計算和模擬仿真能力，也將為密碼破譯、氣象水文、石油勘察、生物制藥等領(lǐng)域提供解決方案，進一步形成新的產(chǎn)業(yè)體系。其次，為我國提供引領(lǐng)世界發(fā)展潮流的機遇。摩爾時代的計算機興起過程中，歐美國家成為技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)者，并長期掌握產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)權(quán)，造成我國在計算機領(lǐng)域發(fā)展常年的被動地位。而量子計算技術(shù)的發(fā)展為我國提供了千載難逢的機遇，我國有望在未來掌握該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)權(quán)和決策權(quán)，從根本上實現(xiàn)量子領(lǐng)域的霸權(quán)。

3 結(jié)論

主要綜述了量子計算領(lǐng)域發(fā)展的現(xiàn)狀，對我國量子領(lǐng)域的發(fā)展提出了期待。當前，量子領(lǐng)域是我國彎道超車的絕佳時機，考慮到國際上量子計算和量子保密領(lǐng)域的發(fā)展步驟，我國應(yīng)該進一步考慮量子領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局，為國家和軍隊發(fā)展奠定基礎(chǔ)。◎