2019年量子計算發(fā)展白皮書（下）

馮曉輝 李雅琪 周斌 王翠林

量子信息技術(shù)可以突破現(xiàn)有信息技術(shù)的物理極限，在信息處理速度、信息容量、信息安全性、信息檢測精度等方面均能夠發(fā)揮極大作用，進而顯著提升人類獲取、傳輸和處理信息的能力，為未來信息社會的演進和發(fā)展提供強勁動力。近年來，一些國家以及企業(yè)紛紛加碼布局量子計算，在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究和應(yīng)用不斷提速。

國際量子計算發(fā)展現(xiàn)狀

主要國家的戰(zhàn)略規(guī)劃

當前，量子技術(shù)研究己成為世界科技研究的一大熱點，世界主要國家高度關(guān)注量子信息技術(shù)發(fā)展，紛紛加大政策和資金支持，力爭搶占新興信息技術(shù)制高點。

美國從上世紀90年代即開始將量子信息技術(shù)作為國家發(fā)展重點，在量子相關(guān)學科建設(shè)、人才梯隊培養(yǎng)、產(chǎn)品研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面進行大量布局，聯(lián)邦政府機構(gòu)對量子計算領(lǐng)域的支持在每年2億美元以上。近兩年來，美國政府頻繁參與量子計算布局。2018年，美國推出 《國家量子計劃法案》，計劃撥付更多資金，全力推動量子科學發(fā)展。 2019年，美國政府發(fā)布未來工業(yè)發(fā)展計劃，將量子信息技術(shù)等四大關(guān)鍵技術(shù)視為未來科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“基礎(chǔ)設(shè)施”，認為發(fā)展量子信息科學能夠保持美國在全球產(chǎn)業(yè)變革中的主導(dǎo)地位。政策上的持續(xù)加碼，正不斷提升量子計算在美國未來發(fā)展中的地位。

歐盟在上世紀90年代即發(fā)現(xiàn)了量子計算的巨大潛力，開展相關(guān)的合作研究。進入21世紀，歐盟從戰(zhàn)略層面推出相關(guān)的規(guī)劃及技術(shù)標準，力圖率先在量子計算上取得突破，成為未來歐盟技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略的基石。

英國、德國和荷蘭等國也出臺了針對量子計算、量子通信等量子技術(shù)的支持計劃。英國己啟動“國家量子技術(shù)計劃”，計劃投資超過10億英鎊建立量子通信、傳感、成像和計算四大研發(fā)中心，推動產(chǎn)學研合作;德國提出“量子技術(shù)——從基礎(chǔ)到市場”框架計劃，希望推動實現(xiàn)量子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展;荷蘭已制定了10年期量子計算發(fā)展計劃。

日本于2001年起開始量子技術(shù)的布局，將該技術(shù)作為重點開發(fā)研究之一。2013年，日本成立量子信息和通信研究促進會以及量子科學技術(shù)研究開發(fā)機構(gòu)，將在未來10年投入400億日元支持量子技術(shù)研發(fā)。2017年2月，日本量子科技委員會發(fā)表了名為《關(guān)于量子科學技術(shù)的最新推動方向》的中期報告，為未來日本在量子科學技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展明確了方向。韓國重點發(fā)展量子通信領(lǐng)域，于2014年發(fā)布《量子信息通信中長期推進戰(zhàn)略》，目標為在2020年成為全球量子通信領(lǐng)先國家，在量子通信領(lǐng)域的積累使得韓國在量子計算領(lǐng)域己具備部分發(fā)展基礎(chǔ)。

量子計算的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)進展

1.全球量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平不斷提升。從上世紀90年代開始，全球量子計算領(lǐng)域的研究即進入快速發(fā)展期，新型計算邏輯相繼提出，量子計算領(lǐng)域的研究水平不斷上升。2000年至2017年，量子計算的論文數(shù)保持約10%的增速。

專利申請方面，全球經(jīng)歷兩次量子計算專利申請高潮，專利數(shù)持續(xù)上升。全球首個基于核磁共振方案的量子計算機原型的問題帶動了第一次專利申請高潮，1998年至2004年的量子計算專利申請量劇增。谷歌研究基于超導(dǎo)的量子計算機帶動了第二次高潮，2014年至2016 年專利申請大幅增多。

量子計算機方面，利用超導(dǎo)量子器件實現(xiàn)量子計算是當前的主流方案，IBM、谷歌、英特爾均己公布基于超導(dǎo)器件的量子計算芯片方案。目前谷歌己經(jīng)推出了72量子比特的量子處理器，IBM推出全球首款可商用的量子計算機Q System One，可操控20量子比特。

2.美國綜合實力強勁，處于產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先地位。從整體發(fā)展態(tài)勢上看，美國在量子計算領(lǐng)域的綜合實力全球領(lǐng)跑，己經(jīng)形成政產(chǎn)學研多方協(xié)同的良好局面，歐洲發(fā)展較為強勁，日、韓、澳等國均處于跟隨位置。

從SCI論文總數(shù)上看，美國處于大幅領(lǐng)先地位。截至2018年9月，美國以8492篇的論文總量遠遠領(lǐng)先于其他國家，占全球量子計算論文的30%左右。中國、德國以4500篇、3300篇左右的論文總數(shù)位列二、三名，英國、日本、加拿大、意大利、法國等國的論文總數(shù)超過1000篇，具備一定的研究基礎(chǔ)。

從全球發(fā)表SCI論文量前20的頂尖研究機構(gòu)數(shù)上看，美國擁有加州大學系統(tǒng)、美國能源部等量子計算領(lǐng)域的知名機構(gòu)，占據(jù)機構(gòu)當中的7席，中國、法國各占據(jù)3席，德國、英國、意大利、俄羅斯、加拿大、新加坡各占1個席位。

從專利申請數(shù)上看，2016年全球量子技術(shù)相關(guān)專利申請總數(shù)約為1000個，美國、中國為申請主力，占據(jù)75%以上專利中請量，歐洲各國、日本、韓國分列三至五位。

3.產(chǎn)業(yè)巨頭開展全球合作，推動技術(shù)與應(yīng)用加速發(fā)展?；A(chǔ)研究方面，谷歌、IBM、英特爾等巨頭積極開展全球合作，與耶魯大學、麻省理工學院、加州大學系統(tǒng)等科研機構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)共性技術(shù)，主要集中在超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域，目前這些企業(yè)己經(jīng)在超高量子計算領(lǐng)域取得較好成果。

量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面，自2007年來自加拿大的初創(chuàng)企業(yè)D-WAVE 宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計算機以來，IBM、谷歌、微軟、英特爾等巨頭紛紛宣布進軍量子計算機科研和應(yīng)用領(lǐng)域。IBM在量子技術(shù)的商業(yè)化上獨樹一幟，在2016年，IBM即開發(fā)了5位量子比特的量子計算機供研究者使用。2019年1月，IBM在CES展會上推出了全球首款商用量子計算機。谷歌在2014年即建成了9量子比特的計算機，并于2018年發(fā)布了72位量子比特的量子處理器，產(chǎn)品計算能力業(yè)內(nèi)領(lǐng)先。微軟于2005年開始進入量子計算技術(shù)，提出了一種在半導(dǎo)體—超導(dǎo)體混合結(jié)構(gòu)中建造拓撲保護量子比特的方法，并于2016年宣布計劃斥巨額資源開發(fā)量子計算機的原型產(chǎn)品。英特爾于2015年投資5000萬美元于硅量子點技術(shù)（Silicon quantum dots）進入該領(lǐng)域，然而基于硅材料的量子點技術(shù)目前落后于超導(dǎo)量子技術(shù)。

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)巨頭也加入量子計算的產(chǎn)業(yè)鏈當中，開展新興領(lǐng)域的業(yè)務(wù)拓展。戴姆勒與谷歌達成戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同開展量子計算的研究。基于此合作協(xié)議，戴姆勒專業(yè)研究團隊可以使用谷歌量子計算機，并針對未來出行提供解決方案。該合作是科技企業(yè)與傳統(tǒng)汽車企業(yè)合作的一次創(chuàng)新突破，具有探索意義。波音公司成立了顛覆性計算和網(wǎng)絡(luò)組織，將探索人工智能、量子通信和計算、神經(jīng)形態(tài)處理等前沿新興技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

我國量子計算發(fā)展現(xiàn)狀

我國的量子計算國家戰(zhàn)略

為搶占量子技術(shù)革命的制高點，近年來我國對量子計算的和支持力度逐步加大。先后啟動“自然科學基金”“863”計劃和重大專項，支持量子計算的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化落地。

我國量子計算的進展

近年來，我國在量子計算領(lǐng)域研究發(fā)展較快，但主要以理論研究為主，參與者主要是以科研機構(gòu)、高校為主。在核心論文數(shù)量、研究機構(gòu)數(shù)上處于世界前列，基礎(chǔ)研究能力僅次于美國。尤其在多光子糾纏領(lǐng)域，我國一直在國際上保持領(lǐng)先的地位，己實現(xiàn)超過十個光量子的糾纏。但在專利產(chǎn)出方面，我國明顯弱于美國、英國、德國、日本等，基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化有待加強。工程化及應(yīng)用推動方面，我國與美國差距明顯，國內(nèi)企業(yè)的發(fā)展遠遠落后于IBM、谷歌、微軟等企業(yè)。

高校和科研機構(gòu)方面，我國主要有中國科學技術(shù)大學、浙江大學、中國科學院、清華大學、南京大學、北京計算科學研究中心等高校和機構(gòu)參與量子計算的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在相關(guān)領(lǐng)域己取得一定成果。

企業(yè)方面，阿里巴巴、騰訊、百度和部分ICT企業(yè)也積極參與產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)，紛紛建立相關(guān)實驗室。目前，已有企業(yè)發(fā)布了量子計算的云服務(wù)平臺，可模擬十萬級糾錯電路，同時量子計算模擬一體機原型也己推出。而在量子芯片方面，已有企業(yè)進行了深入研究，將其作為未來戰(zhàn)略發(fā)展重點。

我國量子計算發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)仍屬起步階段與國際水平存在差距

我國量子計算機研究發(fā)展迅速，但起步較晚，在量子計算機硬件、軟件等各方面仍然存在重大的技術(shù)障礙，已有的研究基本處于原理驗證和實驗演示的階段，關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)尚處于起步階段與歐美國家差距巨大。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：一是相比于美國在量子計算機硬件、軟件等全方面的布局和集中攻堅，我國量子軟件研發(fā)能力顯著落后，嚴重制約了我國量子計算機的發(fā)展步伐，易導(dǎo)致在國際競爭中長期處于被動狀態(tài)。二是在編寫量子計算算法、控制量子糾錯等方面，使用獨特的量子特征（如糾纏現(xiàn)象）編寫量子算法，實現(xiàn)低錯誤率提升量子位穩(wěn)定性是全世界量子計算科研工作者面臨的一個重大挑戰(zhàn)，我國在這一技術(shù)領(lǐng)域?qū)儆诩夹g(shù)跟隨者。三是大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)與量子計算的融合仍處于理論探索階段。雖然量子計算機可以使人工智能技術(shù)更好地理解海量數(shù)據(jù)的價值，但目前我國在大量數(shù)據(jù)與量子態(tài)的相互轉(zhuǎn)化等技術(shù)實現(xiàn)上仍處于理論探索階段，距離未來技術(shù)融合應(yīng)用尚有很大距離。

市場尚在培育階段技術(shù)和應(yīng)用場景不成熟

目前，我國量子計算逐漸走出實驗室，但是從硬件到軟件到算法都需要提升核心技術(shù)，距離商業(yè)落地仍有較遠距離。一是商用條件苛刻且成本高。量子計算機對正常運行的環(huán)境要求十分苛刻，量子芯片的工作溫度僅比絕對零度（-273.15℃）高出1/100攝氏度，即大約-270.42℃。為達到量子芯片運行溫度，需要配備一種專業(yè)冷凍機，但其成本高昂，不適合推廣普及。二是未來應(yīng)用場景模糊，距離應(yīng)用落地尚有很大距離。相比較經(jīng)典計算，通用量子計算對運算類型的要求較高，因此場景適應(yīng)性較難，在長時間內(nèi)恐將難以超越經(jīng)典計算的普及性的應(yīng)用場景。專用量子計算機研發(fā)難度略低于通用計算機，但其導(dǎo)入仍需要技術(shù)標準體系、支撐設(shè)備、應(yīng)用軟件等多方面的體系化支撐。

國內(nèi)企業(yè)參與度較低缺乏全面戰(zhàn)略布局

Google、IBM、Intel等國際巨頭積極開展量子計算研究，并不斷取得重大突破。以谷歌為例，2018年谷歌率先開發(fā)出72比特量子處理器Bristlecone，并于2019年初研發(fā)出為量子計算量身定制的電路，成為未來擴大量子計算機系統(tǒng)規(guī)模的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)備。與國外企業(yè)相比，我國企業(yè)在量子計算的技術(shù)累積、研發(fā)投入以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向的戰(zhàn)略布局方面差距非常大，而且預(yù)計在未來幾年內(nèi)會繼續(xù)保持跟跑態(tài)勢。以國內(nèi)BAT為例，2015年，阿里與中科院合作成立量子計算實驗室，引入施堯耕等國際量子計算頂級專家，但受限于國內(nèi)整體研究團隊水平和人才的不足，目前研究應(yīng)用主要集中于模擬量子系統(tǒng)和幫助互聯(lián)網(wǎng)公司優(yōu)化計算能力方面，缺少前瞻布局。騰訊建立了量子實驗室，探索量子計算的實際應(yīng)用場景，建設(shè)量子安全平臺對通信進行加密，但平臺的研發(fā)僅屬于量子通信加密的局部應(yīng)用，且尚未取得普惠性應(yīng)用。百度的量子計算研究所成立時間較晚，仍處于團隊籌建過程?？梢?，BAT對于量子計算的研究均處于起步階段，技術(shù)途徑也以跟隨國際研發(fā)路徑為主，缺少全面戰(zhàn)略布局，研發(fā)成果與國際龍頭企業(yè)差距較遠。

人才體系單一、集中尚未形成全面培養(yǎng)體系

量子計算機的實現(xiàn)尚且需要較長時間的研發(fā)，但量子人才的培養(yǎng)刻不容緩，關(guān)乎國際間關(guān)于核心技術(shù)、綜合話語權(quán)的綜合競爭，甚至直接影響我國國家安全。量子計算屬于基礎(chǔ)學科的前沿技術(shù)，研究準入門檻高，進展難度大，對人才要求較高，使眾多研究者望而卻步。目前，全球均存在嚴重的量子計算人才缺口，我國的人才缺口現(xiàn)象更為嚴重。一是現(xiàn)有的量子計算專業(yè)人才數(shù)量極少，特別是中高層人才數(shù)量稀缺，已有專業(yè)人才主要集中于中科大、清華、浙大等國內(nèi)幾所高校的研究團隊。二是量子計算人才的專業(yè)匹配度較低，人才知識結(jié)構(gòu)單一，不符合量子計算的專業(yè)要求，大規(guī)模量子計算迫切需要量子體系結(jié)構(gòu)、量子編程語言、量子編譯等專業(yè)背景人才。三是國內(nèi)高等教育機構(gòu)缺乏針對量子計算技術(shù)發(fā)展的系統(tǒng)化學科布局和建設(shè)，致使高校未承擔起量子計算人才輸送地的重要責任。

我國量子計算發(fā)展對策建議

加強前沿科技領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化布局

一是推動國內(nèi)龍頭企業(yè)積極開展量子計算產(chǎn)業(yè)布局，組織工程技術(shù)研發(fā)，加大研發(fā)投入力度，鼓勵圍繞量子計算的實際應(yīng)用方向共建聯(lián)合實驗室、建設(shè)科技創(chuàng)新孵化平臺等，培育一批量子計算領(lǐng)域的骨干企業(yè)。二是積極發(fā)揮政府的引導(dǎo)和服務(wù)職能，不斷完善產(chǎn)業(yè)布局，強化產(chǎn)業(yè)能力建設(shè)，加速推動量子計算研究成果與實體經(jīng)濟的融合。三是鼓勵開放創(chuàng)新，深化國際合作，支持企業(yè)通過海外技術(shù)并購、參股、合作等方式跟蹤國際先進技術(shù)發(fā)展動態(tài)。

加大對關(guān)鍵核心領(lǐng)域的研發(fā)支持

一是集中優(yōu)勢資源著力攻克技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)，重點聚焦量子比特規(guī)模和性能、提高量子比特相干時間、實現(xiàn)噪音環(huán)境下的高保真度量子邏輯門等技術(shù)瓶頸。二是完善產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新機制，暢通校企合作的溝通渠道，促進重大關(guān)鍵共性技術(shù)協(xié)同攻關(guān)，通過在企業(yè)內(nèi)部設(shè)立院士專家工作站等方式深化產(chǎn)學研合作，強化技術(shù)研發(fā)與實際應(yīng)用的融合。三是采取積極財政政策為量子計算研究提供資金支持。充分利用國家重大科技專項資金，對突破關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)給予經(jīng)費扶持。

完善對專業(yè)人才梯隊建設(shè)的全面布局

培養(yǎng)模式是我國量子計算人才發(fā)展的短板，為補齊人才短板，需要加強對專業(yè)人才梯隊建設(shè)的全面布局，不僅要培養(yǎng)一批本土的高端技術(shù)人才隊伍，同時還應(yīng)以市場環(huán)境為依托，通過政策導(dǎo)向集聚全世界最優(yōu)秀的量子計算相關(guān)專家。一方面鼓勵企業(yè)打造量子精英團隊，通過內(nèi)部培訓(xùn)、外聘專家等多種形式為企業(yè)領(lǐng)軍人才充電，將其打造為量子精英，幫助其了解量子計算及對本行業(yè)的潛在影響和未來前景。另一方面，前瞻布局高校在量子計算方向的學科建設(shè)，圍繞量子計算前沿技術(shù)研究所需專業(yè)素養(yǎng)，遴選部分試點高校開設(shè)相關(guān)專業(yè)或細分方向，引導(dǎo)高校和企業(yè)聯(lián)動發(fā)力增加人才儲備。

積極構(gòu)建量子計算應(yīng)用生態(tài)體系

一是鼓勵行業(yè)龍頭企業(yè)發(fā)揮牽頭帶動作用，帶領(lǐng)量子計算機的硬件和軟件研發(fā)。二是支持量子計算產(chǎn)業(yè)上下游企業(yè)通過參股合資、長期戰(zhàn)略合作等形式，暢通資源和信息對接渠道，加強產(chǎn)業(yè)協(xié)同和技術(shù)交流合作。三是支持企業(yè)、行業(yè)協(xié)會、科研機構(gòu)等深化合作，成立量子計算聯(lián)盟、完善政府、科研機構(gòu)與企業(yè)之間的溝通機制和合作模日式，共同開展量子計算關(guān)鍵共性技術(shù)研究。四是借鑒國外發(fā)展經(jīng)驗，支持具備較強技術(shù)和資源能力的企業(yè)采取國外并購、戰(zhàn)略合作等多種形式，彌補技術(shù)短板，加快形成國內(nèi)量子計算全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展格局。