2020年量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展綜述

朱小伶

2020年量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展綜述

朱小伶

（社會(huì)安全風(fēng)險(xiǎn)感知與防控大數(shù)據(jù)應(yīng)用國家工程實(shí)驗(yàn)室，中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京 100041）

量子計(jì)算技術(shù)是當(dāng)今世界最具顛覆性的前沿技術(shù)之一，已成為世界主要國家進(jìn)行高新技術(shù)競爭的重要領(lǐng)域。對量子計(jì)算領(lǐng)域的研究進(jìn)行了綜合評述，并對其宏觀發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。首先分析世界上主要國家均對量子信息技術(shù)寄予厚望，制定了雄心勃勃的國家級發(fā)展計(jì)劃，以搶占新一輪科技革命的戰(zhàn)略高地；隨后介紹2020年世界范圍內(nèi)的量子計(jì)算機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀，成績斐然、呈現(xiàn)“追逐戰(zhàn)”趨勢；然后概述量子計(jì)算在美國陸、海、空、網(wǎng)等多軍兵種的軍事應(yīng)用。最后，分析未來量子計(jì)算發(fā)展趨勢和宏觀態(tài)勢。綜述表明，量子計(jì)算發(fā)展具有重大科學(xué)意義、戰(zhàn)略價(jià)值、軍用潛力，是一項(xiàng)對傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生革命性沖擊、進(jìn)行顛覆式重構(gòu)的重大技術(shù)創(chuàng)新，將引領(lǐng)新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革、軍備變革方向。

量子計(jì)算；國家戰(zhàn)略；量子計(jì)算機(jī)；量子霸權(quán)；人工智能；軍事應(yīng)用

1 引 言

2016年8月，中國墨子號量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射升空，“量子”這個(gè)神秘的概念，在公眾面前掀起面紗。2019年10月，谷歌公司正式在《自然（Nature）》期刊上發(fā)表了關(guān)于驗(yàn)證“量子霸權(quán)”的論文[1-2]。近年來，量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域。加快發(fā)展量子科技，對促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展、保障國家安全具有非常重要的作用[3-5]。2020年10月，中共中央政治局就量子計(jì)算研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)，習(xí)近平總書記指出，安排這次集體學(xué)習(xí)，目的是了解世界量子科技發(fā)展態(tài)勢，分析我國量子科技發(fā)展形勢，更好地推進(jìn)我國量子科技的發(fā)展。

2 量子計(jì)算發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃概況

近年來，在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革之際，量子科技已經(jīng)成為繼人工智能之后，各國競相角逐的又一關(guān)鍵性前沿科技領(lǐng)域[6]。以量子計(jì)算、量子通信和量子測量為代表的量子計(jì)算信息技術(shù)的研究與應(yīng)用在全球范圍內(nèi)加速發(fā)展[7-10]，世界主要國家均對量子信息技術(shù)寄予厚望，制訂了雄心勃勃的發(fā)展計(jì)劃，以搶占新一輪科技革命的戰(zhàn)略高地。根據(jù)美國國會(huì)通過的《國家量子計(jì)劃法案》，未來十年內(nèi)美國還將在量子技術(shù)上投入超過12億美元。尤其是進(jìn)入2020年以來，美國不斷加快推進(jìn)量子計(jì)劃，促進(jìn)量子計(jì)算與人工智能耦合式發(fā)展，開啟搶占未來發(fā)展高地的新十年。

2019年以來，特別是美國《國家量子計(jì)劃法案》頒布后，美國在量子計(jì)算上的投資與日俱增、量子技術(shù)漸入現(xiàn)實(shí)。2020年，美國（批復(fù)）成立多個(gè)量子研究機(jī)構(gòu)和聯(lián)盟：白宮科技政策辦公室、國家科學(xué)基金會(huì)和美國能源部宣布未來5年投資10億美元成立12個(gè)人工智能和量子研究機(jī)構(gòu)；美國成立馬里蘭量子聯(lián)盟，加強(qiáng)技術(shù)交流，共同確定量子信息科學(xué)未來發(fā)展中的關(guān)鍵問題和重大挑戰(zhàn)，簡化技術(shù)轉(zhuǎn)化流程，旨在培育一個(gè)包含政府、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界等多方在內(nèi)的量子信息科學(xué)生態(tài)體系。美國出臺(tái)多項(xiàng)報(bào)告或草案，規(guī)劃和支持量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展：美國量子協(xié)調(diào)辦公室發(fā)布《美國量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》（圖1），明確提出美國將開辟“世界首個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)”，啟動(dòng)開發(fā)人類歷史上首個(gè)“量子互聯(lián)網(wǎng)”計(jì)劃[11]。根據(jù)該份文件，美國計(jì)劃未來5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)的突破與改進(jìn)，20年內(nèi)利用量子安全、傳感和計(jì)算模式等來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的新功能；美國白宮向美國國會(huì)提交了2021年聯(lián)邦政府預(yù)算報(bào)告草案，在聯(lián)邦研發(fā)預(yù)算整體增幅不大的情況下，美國政府建議削減其他關(guān)鍵領(lǐng)域的聯(lián)邦研究經(jīng)費(fèi)，大幅度增加各部門在量子信息科學(xué)等方面的投資，這是美國為維持全球領(lǐng)先地位、在量子信息科技和人工智能上的又一次加碼；美國人工智能國家安全委員會(huì)（NSCAI）發(fā)布了2020年年中報(bào)告以及第三季度的建議，向國會(huì)提交的六方面建議就包括需要為與人工智能相關(guān)的技術(shù)發(fā)布互聯(lián)的戰(zhàn)略，其中包括量子計(jì)算和生物技術(shù)；此外，美國國家量子計(jì)劃啟動(dòng)了其網(wǎng)站—— Quantum.gov（圖2），該網(wǎng)站被定為該項(xiàng)目的大本營，并將報(bào)道正在進(jìn)行的探索和促進(jìn)量子信息科學(xué)的活動(dòng)。

世界其他主要國家同樣加緊量子布局步伐，以縮小與中、美之間的差距。歐盟24個(gè)成員國共同開展《歐盟量子通信基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃》，在未來10年共同研發(fā)和部署歐盟量子通信基礎(chǔ)設(shè)施，旨在提升歐盟在量子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全和產(chǎn)業(yè)競爭的實(shí)力。早在2018年10月，歐盟已投資10億歐元啟動(dòng)為期10年的“歐洲量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”，該計(jì)劃涵蓋五個(gè)領(lǐng)域：量子通信、量子計(jì)算、量子模擬、量子計(jì)量和傳感以及量子技術(shù)基礎(chǔ)研究。2020年5月，該計(jì)劃官網(wǎng)發(fā)布《戰(zhàn)略研究議程（SRA）》報(bào)告，明確指出未來三年將推動(dòng)建設(shè)歐洲范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)，完善和擴(kuò)展現(xiàn)有數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施。此外，由12家歐洲機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起的“下一個(gè)量子計(jì)算應(yīng)用”項(xiàng)目啟動(dòng)，該項(xiàng)目匯集了量子計(jì)算、高性能計(jì)算、人工智能、化學(xué)和能源管理等多學(xué)科的學(xué)者與行業(yè)專家，旨在推動(dòng)噪聲中間尺度量子設(shè)備的實(shí)際使用案例的問世。英國方面，啟動(dòng)的量子計(jì)算商業(yè)化項(xiàng)目DISCOVERY計(jì)劃是迄今為止英國最大的行業(yè)主導(dǎo)的量子計(jì)算項(xiàng)目，旨在解決量子計(jì)算在商業(yè)化道路上的技術(shù)障礙。光學(xué)和量子系統(tǒng)的國際供應(yīng)商M Squared將與八個(gè)在各自領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位的合作組織（包括中性原子、離子阱和量子計(jì)算光學(xué)量子比特方法）協(xié)調(diào)DISCOVERY項(xiàng)目（圖3）。俄羅斯方面，俄羅斯國家原子能集團(tuán)公司與俄羅斯量子研究中心宣布，將聯(lián)合建立俄羅斯第一個(gè)“量子?人工智能”實(shí)驗(yàn)室，致力于研究和開發(fā)基于量子計(jì)算機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)及其在核工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用；俄羅斯圣彼得堡國立信息技術(shù)、機(jī)械與光學(xué)研究大學(xué)正在利用俄羅斯鐵路公司的基礎(chǔ)設(shè)施打造量子互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，量子互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)試驗(yàn)區(qū)將在2021年啟動(dòng)。印度方面，印度科技部公布了《國家量子技術(shù)與應(yīng)用任務(wù)》，計(jì)劃將在5年內(nèi)予以共計(jì)800億盧比（約79億元人民幣）的經(jīng)費(fèi)支持，全面提升印度量子科學(xué)的發(fā)展。日本方面，日本啟動(dòng)“量子人才培養(yǎng)項(xiàng)目”，旨在用10年時(shí)間培養(yǎng)“量子原住民”，將為青年人提供從年輕時(shí)代起就習(xí)慣于量子技術(shù)的環(huán)境，就像“網(wǎng)絡(luò)原住民”在電計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中長大一樣。

圖1 《美國量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》

圖2 美國國家量子計(jì)劃啟動(dòng)網(wǎng)站Quantum.gov

圖3 量子系統(tǒng)供應(yīng)商M Squared將參與協(xié)調(diào)英國最大的行業(yè)主導(dǎo)的量子計(jì)算項(xiàng)目DISCOVERY項(xiàng)目

3 量子計(jì)算機(jī)研究進(jìn)展概況

規(guī)范場理論是現(xiàn)代物理學(xué)的根基，如描述基本粒子相互作用的量子電動(dòng)力學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)模型等都是滿足特定群對稱性的規(guī)范場理論。伴隨著規(guī)范場理論半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)各種規(guī)范場方程求解的計(jì)算復(fù)雜度非常高，對超級計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算能力形成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。于是，科學(xué)家提出了開發(fā)專用量子模擬器——量子計(jì)算機(jī)，來構(gòu)建晶格規(guī)范場模型，在實(shí)驗(yàn)中通過對模擬器的各種參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控制備目標(biāo)量子物態(tài)，并用量子氣體顯微鏡成像等手段，觀測所模擬的量子物態(tài)的相變、量子關(guān)聯(lián)等性質(zhì)，獲得待研究規(guī)范場模型的各種物理性質(zhì)[12]。

繼2019年谷歌53個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”之后，2020年世界范圍內(nèi)的量子計(jì)算機(jī)研發(fā)成績斐然，呈現(xiàn)“追逐戰(zhàn)”趨勢。2020年6月，美國霍尼韋爾公司宣布研發(fā)出世界上最快的量子計(jì)算機(jī)，其H0量子計(jì)算機(jī)的量子比特為64個(gè)，是當(dāng)時(shí)IBM量子計(jì)算機(jī)Raleigh的2倍；兩個(gè)月后，霍尼韋爾量子計(jì)算機(jī)的量子比特從64個(gè)增加到128個(gè)，測試顯示，對于全連接量子比特，平均單量子比特保真度為99.97%，平均兩量子門保真度為99.54%；2020年10月，霍尼韋爾推出最新一代的離子阱量子計(jì)算機(jī)System Model H1，使用了“離子阱技術(shù)”，擁有10個(gè)完全連接的量子比特，可以達(dá)到128的量子體積。離子阱量子計(jì)算機(jī)具有量子比特品質(zhì)高、相干時(shí)間較長、量子比特的制備和讀出效率較高等三大特點(diǎn)。同樣是追求離子阱技術(shù)，美國量子計(jì)算公司IonQ，推出了擁有32個(gè)“完美的”量子比特、量子體積預(yù)計(jì)超400萬的量子計(jì)算機(jī)，并開設(shè)了新的可容納至少10臺(tái)量子計(jì)算機(jī)量子數(shù)據(jù)中心。2020年12月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的量子計(jì)算原型機(jī)——“九章”[13]（圖4），該成果標(biāo)志著我國成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑——量子計(jì)算優(yōu)越性（Quantum Supremacy，又稱“量子霸權(quán)”）。該量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度，比目前世界上最快的超級計(jì)算機(jī)“富岳”快100萬億倍。此外，美國各大科技巨頭紛紛在2020年公布量子計(jì)算機(jī)與模擬技術(shù)路線圖。如2020年7月，美國谷歌公司發(fā)布了將在2029年前實(shí)現(xiàn)100萬個(gè)物理量子比特處理器的計(jì)劃；2020年9月，美國IBM公司公布其量子計(jì)算機(jī)發(fā)展路線圖，計(jì)劃到2023年建造一臺(tái)包含1000個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)（IBM目前最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)僅包含65個(gè)量子比特）。

作為全球十大著名量子初創(chuàng)公司的IonQ則率先提出了區(qū)別于谷歌在2019年和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在2020年取得的“量子霸權(quán)”里程碑的新術(shù)語、新概念——“廣義量子霸權(quán)”，并計(jì)劃于2023年實(shí)現(xiàn)量子機(jī)器學(xué)習(xí)、2023年建成一臺(tái)機(jī)架式量子計(jì)算機(jī)（計(jì)劃在室溫下高功率運(yùn)行，所有計(jì)算機(jī)都會(huì)在量子網(wǎng)絡(luò)上）、于2025年實(shí)現(xiàn)“廣義量子霸權(quán)”，同時(shí)不同于傳統(tǒng)物理量子位，該公司還設(shè)計(jì)出全新衡量量子計(jì)算能力的“算法量子位”，取以2為底數(shù)的IBM量子體積的對數(shù)。IonQ公司認(rèn)為72個(gè)量子位會(huì)成為“廣義量子霸權(quán)”的起點(diǎn)，同樣也是量子計(jì)算機(jī)開始成為超級計(jì)算機(jī)的起點(diǎn)。整體而言，IonQ公司的量子計(jì)算技術(shù)與應(yīng)用路線圖專注于提高量子邏輯門操作的質(zhì)量，以繼續(xù)增加算法量子位元或可用量子位元，并致力于實(shí)現(xiàn)低開銷的量子錯(cuò)誤校正，并縮小物理量子位的數(shù)量，以進(jìn)一步增強(qiáng)其度量值。

圖4 量子計(jì)算原型機(jī)“九章”的光量子干涉實(shí)物圖

4 量子計(jì)算應(yīng)用概況

量子計(jì)算技術(shù)已在探測、通信、計(jì)算等領(lǐng)域初顯身手，同樣可以廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，并有可能引起戰(zhàn)爭基因的重大突變——通過技術(shù)重組或與其他技術(shù)融合，量子計(jì)算技術(shù)將對現(xiàn)代戰(zhàn)爭形態(tài)和制勝機(jī)理產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。目前，量子計(jì)算的軍事應(yīng)用領(lǐng)域已遍布陸、海、空、網(wǎng)等多軍兵種。

陸軍方面，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室正在量子技術(shù)領(lǐng)域探索研發(fā)新型作戰(zhàn)系統(tǒng)。戰(zhàn)場上，一旦全球定位系統(tǒng)（GPS）遭到干擾或者破壞，就會(huì)導(dǎo)致依賴傳統(tǒng)GPS設(shè)備的美軍士兵無法獲取位置數(shù)據(jù)。美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的量子實(shí)驗(yàn)旨在為士兵提供便攜式的定位、導(dǎo)航和授時(shí)系統(tǒng)，不使用GPS也能實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航、通信、授時(shí)以及戰(zhàn)場探測。目前，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室量子研究工作的應(yīng)用主要集中于原子鐘、隧道或掩體探測器、通信和計(jì)算安全三個(gè)方面：第一，開發(fā)更便攜的原子鐘、計(jì)時(shí)設(shè)備以及慣性傳感器（如加速計(jì)、旋轉(zhuǎn)傳感器和陀螺儀等）是陸軍研究實(shí)驗(yàn)室近期量子研究工作的重點(diǎn)，該成果是未來替代全球定位系統(tǒng)的技術(shù)裝備的核心部分；第二，基于量子計(jì)算技術(shù)的隧道或掩體探測器可對地下環(huán)境進(jìn)行探測，通過發(fā)現(xiàn)由隧道或掩體等引起的環(huán)境質(zhì)量異常變化，準(zhǔn)確測定敵方隧道或掩體的信息，為實(shí)施后續(xù)打擊提供情報(bào)信息；第三，通信和計(jì)算的安全性受益于量子糾纏（兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的粒子之間具有的獨(dú)特關(guān)聯(lián)）研究，這方面的研究成果可直接用于滿足陸軍的需求。按照計(jì)劃，未來戰(zhàn)場上士兵的每一個(gè)動(dòng)作都將使用陸軍部隊(duì)的量子技術(shù)裝備完成。但是，目前量子裝備研發(fā)的許多工程問題仍然停留在基礎(chǔ)研究和組件層面上，只有把這些問題解決了，量子技術(shù)才能走出實(shí)驗(yàn)室，形成能在真實(shí)戰(zhàn)場上使用的加固型裝備。該實(shí)驗(yàn)室還與其他國防實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)和學(xué)術(shù)界開展合作，共同探索可以直接應(yīng)用于戰(zhàn)場的量子技術(shù)?？哲姺矫?，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室在2020年授出量子通信、計(jì)算、授時(shí)及感知等領(lǐng)域合同36份（總價(jià)值達(dá)540萬美元）并計(jì)劃在紐約成立一個(gè)新的量子信息科學(xué)創(chuàng)新中心，認(rèn)為量子信息科學(xué)將在諸多方面影響未來的美國空軍能力，主要包括在沒有GPS信號或信號質(zhì)量嚴(yán)重下降的定位導(dǎo)航中尋求類似GPS的精度、超安全的全球通信網(wǎng)絡(luò)、與量子網(wǎng)絡(luò)連接在一起的高精度傳感器以及用于優(yōu)化資產(chǎn)和資源分配的新計(jì)算范例、發(fā)現(xiàn)新材料以及人工智能的新穎應(yīng)用等。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室還發(fā)布一份全球100萬美元挑戰(zhàn)，為國際量子研究界尋求新興領(lǐng)域的新解決方案。海軍方面，美國海軍部指定美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室為美國海軍的量子信息研究中心。美軍已將量子通信技術(shù)運(yùn)用在核潛艇上，除了優(yōu)越的加密性外[14]，此舉也彌補(bǔ)了核潛艇因?yàn)橥ㄐ虐l(fā)射出的電波可以被檢測到這一致命缺點(diǎn)，被認(rèn)為是應(yīng)對中國在2020年初建成的世界首個(gè)民用低頻大功率電磁波發(fā)射臺(tái)，該發(fā)射臺(tái)覆蓋范圍極其廣泛、可讓核潛艇無處遁形。此外，美國國防信息系統(tǒng)局（DISA）將抗量子加密技術(shù)列為2021財(cái)年重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域，宣布已開始密切關(guān)注其加密能力，以保護(hù)國防通信免受強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)攻擊。

隨著主要競爭對手努力研發(fā)足以突破當(dāng)前加密技術(shù)的量子計(jì)算能力，抗量子加密正變得越來越重要——盡管相關(guān)研發(fā)還需要數(shù)年時(shí)間，但量子計(jì)算機(jī)將使安全通信變得幾乎“不可能實(shí)現(xiàn)”。因此，美國國防信息系統(tǒng)局積極尋求與美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）和美國國家安全局（NSA）的合作，后兩個(gè)機(jī)構(gòu)目前正在開展抗量子計(jì)算的工作；同時(shí)通過擴(kuò)大“基于云技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)隔離（CBII）”項(xiàng)目，在美國國防部用戶的互聯(lián)網(wǎng)流量與美國國防部網(wǎng)絡(luò)之間建立一個(gè)保護(hù)性的“緩沖區(qū)”從而提高電子郵件的安全性。此舉的動(dòng)因包括新冠疫情影響，由于美國國防部居家辦公帶來了新的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)，迫使美國國防信息系統(tǒng)局重新思考美國國防部的網(wǎng)絡(luò)邊界并組織“零信任”網(wǎng)絡(luò)安全概念（從根本上不信任用戶）的討論。在美國國防信息系統(tǒng)局公布的修訂后的2021—2022財(cái)年戰(zhàn)略規(guī)劃中，確認(rèn)“零信任”對其修訂后的網(wǎng)絡(luò)防御重點(diǎn)領(lǐng)域而言是一項(xiàng)有利的工作。

圖5 極低頻發(fā)射系統(tǒng)調(diào)諧設(shè)施

5 量子計(jì)算發(fā)展趨勢與宏觀態(tài)勢分析

量子力學(xué)及量子計(jì)算是人類探究微觀世界的重大成果。量子計(jì)算發(fā)展具有重大科學(xué)意義、戰(zhàn)略價(jià)值、軍用潛力，是一項(xiàng)對傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生革命性沖擊、進(jìn)行顛覆式重構(gòu)的重大技術(shù)創(chuàng)新，將引領(lǐng)新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革、軍備變革的方向。對未來量子計(jì)算發(fā)展趨勢和宏觀態(tài)勢分析概述如下。

一是量子信息科學(xué)將迎來密集政策期，形成量子技術(shù)與人工智能的優(yōu)勢互補(bǔ)已成為世界主要國家的共識(shí)。在摩爾定律逐漸失效、馮·諾依曼架構(gòu)遇到瓶頸、傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力有限等情況下，量子計(jì)算為進(jìn)一步提高人工智能的數(shù)據(jù)分析處理能力、進(jìn)一步獲取高階智能提供了有效途徑。另外，量子計(jì)算的關(guān)鍵突破勢必需要人工智能的參與——量子技術(shù)與人工智能的結(jié)合相輔相成，重點(diǎn)體現(xiàn)在量子計(jì)算賦能的人工智能、量子機(jī)器學(xué)習(xí)、量子模擬、量子啟發(fā)式機(jī)器學(xué)習(xí)、智能控制量子硬件等方面。目前部分人工智能技術(shù)成果已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用層，而量子計(jì)算尚處于早期。為搶占量子計(jì)算先機(jī)，世界主要國家自頂向下、通過出臺(tái)國家戰(zhàn)略等手段，不斷強(qiáng)化量子計(jì)算在國家科技實(shí)力建設(shè)中的布局，例如，在美國2020年推出“量子互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃”之前，歐盟、日本、俄羅斯等世界主要經(jīng)濟(jì)體已經(jīng)在積極布局。

二是世界范圍內(nèi)將在數(shù)據(jù)層面尋求與盟友更深度的合作，數(shù)據(jù)資源競爭加劇。當(dāng)前人工智能與量子計(jì)算研究領(lǐng)域，數(shù)據(jù)“富國”和數(shù)據(jù)“窮國”階層劃分明顯。例如，中國有足夠龐大的市場需求和數(shù)據(jù)支撐，這是中國人工智能競爭特有的優(yōu)勢所在；而對于美歐等發(fā)達(dá)國家，其數(shù)據(jù)資源較為薄弱，因此為積累更多數(shù)據(jù)資源，勢必將積極與其他國家達(dá)成合作：從技術(shù)競賽到商業(yè)對壘，數(shù)據(jù)資源的爭奪將是全方面、多主體的。

三是量子計(jì)算、人工智能等前沿科技領(lǐng)域的國際話語權(quán)的爭奪將更加激烈。面向全球制定人工智能使用規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[15]，通過與擁有共同利益和相同價(jià)值觀的國家合作，推廣本國的監(jiān)管規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、擴(kuò)大影響力，是輸出本國價(jià)值規(guī)則的常用路徑——在目前量子計(jì)算競賽剛剛打響的今天，這一趨勢適用于任何試圖在此賽道上領(lǐng)跑的國家。例如，美國白宮于2020年10月發(fā)布的《關(guān)鍵和新興技術(shù)國家戰(zhàn)略》（圖6）就包括了量子信息技術(shù)，而且強(qiáng)調(diào)“引導(dǎo)全球技術(shù)發(fā)展的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和治理模式，使其反映民主價(jià)值觀和利益”。此外，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)監(jiān)管、科技倫理等領(lǐng)域的量子計(jì)算領(lǐng)域國際治理任務(wù)中，加強(qiáng)國家層面、企業(yè)層面的國際合作，尋求人工智能和量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展的最大共識(shí)，也已列在世界主要國家的量子計(jì)算發(fā)展路線圖中。

圖6 美國《關(guān)鍵和新興技術(shù)國家戰(zhàn)略》

6 結(jié)束語

量子技術(shù)是當(dāng)前世界上最具顛覆性的前沿技術(shù)之一，已成為世界主要國家進(jìn)行高新技術(shù)競爭的重要領(lǐng)域。量子計(jì)算在未來不但使計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力提高、通信更快，還能使傳感技術(shù)更靈敏、信息精度更精確。

我國于2016年發(fā)布的《國家“十三五”規(guī)劃綱要》支持戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，就明確將量子通信作為重要發(fā)展方向；2017年，國家發(fā)展和改革委員會(huì)組織實(shí)施了量子保密通信“京滬干線”技術(shù)驗(yàn)證及應(yīng)用示范項(xiàng)目；2019年底，國家信息中心、國科量子、國家數(shù)據(jù)通信工程技術(shù)研究中心聯(lián)合組建了電子政務(wù)量子安全工程實(shí)驗(yàn)室；2019年12月中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確，“加快量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展，統(tǒng)籌布局和規(guī)劃建設(shè)量子保密通信干線網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)無縫對接，開展量子通信應(yīng)用試點(diǎn)”；2020年3月，科技部《關(guān)于科技創(chuàng)新支撐復(fù)工復(fù)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行的若干措施》中表示，要加大5G、人工智能、量子通信、腦科學(xué)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、重大傳染病防治、重大新藥、高端醫(yī)療器械、新能源、新材料等重大科技項(xiàng)目的實(shí)施和支持力度——總體來看，我國已具備了在量子計(jì)算領(lǐng)域的世界領(lǐng)跑科技實(shí)力和創(chuàng)新能力。同時(shí)也要看到，我國量子計(jì)算發(fā)展存在不少短板、面臨多重挑戰(zhàn)：第一，我國在量子科技上的短板與現(xiàn)在信息技術(shù)的短板類似，如支撐設(shè)備、關(guān)鍵核心元器件等，也涉及量子計(jì)算技術(shù)的一些問題，因此，加強(qiáng)關(guān)鍵核心元器件這種高端技術(shù)材料、設(shè)備的研發(fā)是今后一段時(shí)間需要解決的關(guān)鍵問題[16]；第二，需要系統(tǒng)總結(jié)我國量子科技發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn)，借鑒國外的有益做法，深入分析研判量子科技發(fā)展大勢，找準(zhǔn)我國量子科技發(fā)展的切入點(diǎn)和突破口，統(tǒng)籌基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)、工程技術(shù)研發(fā)，培育量子通信等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，搶占量子科技國際競爭制高點(diǎn)；第三，目前量子技術(shù)的應(yīng)用前景尚不完全清晰，從“實(shí)驗(yàn)室”走向“產(chǎn)業(yè)鏈”還需要較長時(shí)間，因此需加強(qiáng)量子技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研合作，將研究機(jī)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)界聯(lián)系起來，促進(jìn)技術(shù)、人才、產(chǎn)品、市場等要素的有效溝通，推動(dòng)量子通信、量子網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)化并行。

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Survey of Quantum Computing Technology in 2020

ZHU Xiaoling

(National Engineering Laboratory for Risk Perception and Prevention (RPP), China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China)

Quantum computing technology is one of the most disruptive cutting-edge technologies in the world, and has become an important field of high-tech competition among major countries. In this paper, the research in the field of quantum computing is reviewed, and the further macro development trend is presented. This paper firstly analyzes that the major countries in the world place high hopes on quantum information technology and formulates ambitious national development plans, to seize the strategic highland of the current new round of scientific and technological revolution. Then the world-wide research and development of quantum computer in 2020, with remarkable achievements and “chasing war” trend, is introduced. Besides, this paper summarizes the military applications of quantum computing technology in the U.S. land, sea, air, network and other military services. Finally, this paper analyzes the development trend and macro situation of quantum computing in the future. This survey shows that, the development of quantum computing has great scientific significance, strategic value and military potential. It is a major technological innovation which has a revolutionary impact on the traditional technology system and carries out subversive reconstruction. Hence, it will lead a new direction of scientific and technological revolution, industrial revolution and armament revolution.

Quantum Computing；National Strategy；Quantum Computer；Quantum Superiority；Artificial Intelligence；Military Application

O641

A

2096–5915(2021)02–26–07

10.19942/j.issn.2096?5915.2021.2.015

朱小伶. 2020年量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 無人系統(tǒng)技術(shù)，2021，4(2)：26–32.

2021–01–03；

2021–03–03

全國一體化國家大數(shù)據(jù)中心先導(dǎo)工程（17111001）

朱小伶（1993?），女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄?、大?shù)據(jù)、前沿信息技術(shù)等。