量子計算發(fā)展與應用動向研究

劉軼男, 楊 巍, 魏 凡

(1. 中國電子科學研究院，北京 100041；2. 中國電科發(fā)展戰(zhàn)略研究中心，北京 100041)

0 引 言

傳統(tǒng)量子科技聚焦于認識量子世界、發(fā)現(xiàn)量子效應及發(fā)展量子技術應用，由此誕生了晶體管、硬盤等信息時代的關鍵核心技術，促進了經(jīng)典信息技術的繁榮[1]?，F(xiàn)代量子科技通過人工設計和操控量子態(tài)發(fā)展量子技術與應用[2]，揭示量子與信息的聯(lián)系，包括量子感知、量子通信、量子計算等方向，每個方向涉及多類研究內(nèi)容。量子計算作為現(xiàn)代量子科技的重要組成部分，是一種遵循量子力學規(guī)律的新型計算模式，涉及硬件、算法、軟件等領域。

數(shù)字時代，隨著數(shù)據(jù)規(guī)模的爆炸式增長，傳統(tǒng)計算機處理能力接近極限，量子計算在海量信息存儲和并行計算方面展現(xiàn)出其獨有的優(yōu)勢。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術的蓬勃發(fā)展，量子計算有望滿足數(shù)字信號處理、軍事智能、物流管理等領域所需的強大計算處理能力。目前，包括量子計算在內(nèi)的量子科技已經(jīng)成為世界主要國家和地區(qū)重點布局的領域。本文系統(tǒng)梳理了量子計算領域的國家戰(zhàn)略，分析了技術方向現(xiàn)狀和軍事應用動向，總結(jié)了國外頭部企業(yè)和初創(chuàng)公司在量子計算領域取得的新進展，為體系謀劃我國量子計算發(fā)展布局提供支撐。

1 戰(zhàn)略規(guī)劃布局

近年來，美國、歐盟、俄羅斯等世界主要國家和地區(qū)紛紛啟動國家級量子科技戰(zhàn)略行動計劃，大幅增加研發(fā)投入，建立完善研發(fā)機構(gòu)，開展量子科技研發(fā)頂層規(guī)劃和布局調(diào)整，不斷優(yōu)化量子科技創(chuàng)新應用體系，營造了更有利的量子科技生態(tài)。

(1)美國頒布國家量子計劃法案，成體系布局量子科技發(fā)展藍圖

美國高度重視對量子科技發(fā)展的引領作用，對量子科技發(fā)展進行成體系布局和規(guī)劃，如圖1所示。2002年，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)發(fā)布《量子信息科學與技術規(guī)劃》。此后，美國國家科學與技術委員會、美國國防部、美國白宮科技政策辦公室等相繼發(fā)布文件，支持量子科技發(fā)展。2018年，美國出臺《國家量子計劃法案(NQI)》，從標準制定、人才培養(yǎng)、科研中心建設等方面，確立為期10年的國家量子計劃，明確首個五年投入12.75億美元用于落實計劃[3]。2020年，美國白宮發(fā)布《關鍵與新興技術國家戰(zhàn)略》，把量子信息技術列入保持美國全球領導力且強調(diào)發(fā)展的20項“關鍵與新興技術”之一[4]。2021年6月，美國參議院表決通過了《2021年美國創(chuàng)新與競爭法案》，重點支持量子信息科學和技術等十大關鍵技術領域[5]。近年來，美國對量子科技的投入力度不斷加大。2021年12月，美國公布2022財年量子信息科學研發(fā)預算，預算高達8.77億美元，相比2019財年翻了一番，在《國家量子計劃法案》通過后的4個財年，實際研發(fā)預算授權合計27.91億美元，遠超法案當初規(guī)劃的5年12.75億美元[6]。

圖1 美國《量子信息科學國家戰(zhàn)略概述》(2018年)中提出的關鍵政策領域[7]

(2)歐盟大力推動量子技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，各成員國積極響應

作為量子理論的發(fā)源地，歐洲相繼發(fā)布多項政策文件謀劃量子科技發(fā)展。一方面，歐盟先后發(fā)布《歐洲量子科學技術》《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報告》《量子宣言(草案)》、“量子技術旗艦計劃”、“量子通信基礎設施計劃”、“2030數(shù)字羅盤計劃”等文件，系統(tǒng)規(guī)劃歐洲量子科技技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，大力推進量子技術應用。另一方面，歐洲主要國家積極響應，競相制定發(fā)展規(guī)劃。截至2021年7月，歐盟27個成員國均簽署加入量子通信基礎設施計劃[8]。英國先后發(fā)布《量子技術國家戰(zhàn)略——英國的一個新時代》《量子信息處理技術布局2020：英國防務與安全前景》等文件，將量子技術提升至影響未來國家創(chuàng)新力和國際競爭力的重要戰(zhàn)略地位。德國提出《量子技術——聯(lián)邦政府從基礎到市場的框架計劃》，重點關注量子計算機、量子通信、量子測量、量子系統(tǒng)的基礎技術等領域[9]。法國啟動“量子技術國家戰(zhàn)略”，計劃5年內(nèi)投入18.15億歐元用于量子計算、量子通信和量子傳感等量子技術研發(fā)[10]。

圖2 量子技術旗艦計劃的總體框架[11]

(3)俄羅斯制定國家量子行動計劃，加緊推動量子科技發(fā)展

相比于美國、歐盟等國家和地區(qū)，俄羅斯在量子科技領域開展部署的時間較晚，但近年來已陸續(xù)啟動多項規(guī)劃，從國家層面加緊推動量子科技發(fā)展。2019年12月，俄羅斯提出實施國家量子行動計劃，計劃在5年內(nèi)投資約7.9億美元，打造一臺實用的量子計算機[12]。2020年5月，俄羅斯鐵路公司宣布計劃投資247億盧布(約合23億人民幣)，用于建設10 000 km長的量子網(wǎng)絡。在該項目中，俄羅斯圣光機大學已獲得3億盧布的資助，用于為俄羅斯鐵路公司設計量子平臺[13]。2020年11月，俄羅斯宣布成立國家量子實驗室，實驗室將充分利用大學、研究機構(gòu)、科技公司等資源，重點開展量子技術出口、量子基礎設施建設、量子技術教育培訓等工作[14]。

(4)日本重視光量子技術研發(fā)，國家層面尚未統(tǒng)籌規(guī)劃

日本對量子科技十分關注，早在2000年，日本郵政省便支持開發(fā)量子通信技術，并將該技術作為國家級高技術研究開發(fā)技術之一。日本內(nèi)閣府、文部省、國家信息通信技術研究院等政府機構(gòu)陸續(xù)發(fā)布多項研發(fā)計劃，大力推動量子技術特別是光量子領域技術研發(fā)。2018年3月，文部省發(fā)布“量子飛躍旗艦計劃(Q-LEAP)”，旨在資助光量子領域研究工作，尋求通過量子科學技術解決重要經(jīng)濟和社會問題[15]。2018年7月，日本綜合科學技術創(chuàng)新會議發(fā)布第2期戰(zhàn)略性創(chuàng)新推進計劃，重點資助光量子技術等領域[16]。2020年，日本綜合創(chuàng)新戰(zhàn)略推進會議發(fā)布《量子技術創(chuàng)新戰(zhàn)略報告(最終報告)》，將量子計算機與量子模擬、量子測量/傳感、量子通信/密碼、量子材料設為主要技術領域，將量子人工智能技術等設為量子融合創(chuàng)新領域[17]。但目前，日本相關政府機構(gòu)仍處于各自制定發(fā)展規(guī)劃階段，國家層面尚未統(tǒng)籌謀劃，一定程度上不利于資源的合理配置以及量子科技的體系化發(fā)展。

2 技術發(fā)展現(xiàn)狀

當前，量子計算正處于工程實驗驗證與原理樣機研發(fā)的技術攻關階段，多條技術路線尚未收斂，量子算法不斷優(yōu)化，量子計算與經(jīng)典計算、人工智能等技術融合趨勢明顯。在發(fā)展專用量子計算機甚至是通用量子計算機的道路上，人們正積極探索多種技術方案，尋求解決退相干、大規(guī)模應用等技術難題。

2.1 硬件技術路線呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢

目前，量子計算的硬件技術路線包括超導、光量子、離子阱、半導體、拓撲、金剛石NV色心、冷原子等，除拓撲路線外其他技術路線在量子比特實現(xiàn)方面均已取得突破，研究成果以超導、光量子、離子阱三條路線最為顯著[18-20]。由于各技術路線在實現(xiàn)量子計算應用方面均存在一定弊端，目前尚無一種技術路線占據(jù)絕對優(yōu)勢地位，各技術路線處于競爭發(fā)展。

超導路線可以利用外加電磁場對量子比特進行調(diào)控，電路可以通過傳統(tǒng)的集成電路工藝實現(xiàn)，準入門檻相對更低，但是對于物理環(huán)境的要求非?？量?，需要解決低溫屏蔽等問題。目前，采用超導路線的國內(nèi)外單位有IBM、谷歌、歐洲IQM公司、中國科學技術大學、北京量子院等。2021年潘建偉團隊先后研制成功62 bit可編程超導量子計算機原型“祖沖之號”(如圖3所示)以及66 bit“祖沖之二號”，實現(xiàn)了超導體系“量子計算優(yōu)越性”，根據(jù)評估，“祖沖之二號”采樣任務的經(jīng)典模擬復雜度比谷歌“懸鈴木”高2～3個數(shù)量級[21-22]。2021年11月，IBM發(fā)布127位超導量子處理器“Eagle”[23]，在量子比特位數(shù)方面超越“懸鈴木”和“祖沖之號”。2021年12月，浙江大學發(fā)布36 bit超導量子芯片“天目1號”，實現(xiàn)了高保真度的通用量子門[24]。

圖3 “祖沖之號”量子處理器[21]

光量子路線在室溫下即可實現(xiàn)，與其他技術路線相比，更適用于量子漫步等領域的研究。由于光子沒有相互作用，兩量子比特的邏輯操作門較難實現(xiàn)。目前，英國布里斯托爾大學、牛津大學、美國MIT、意大利羅馬大學、美國PsiQuantum公司、加拿大Xanadu公司、中國科學技術大學、北京大學、國防科技大學、中科院微電子所、上海交通大學等正在開展光量子研究工作。2020年，中科大研究團隊基于光量子路線，成功構(gòu)建76個光子的“九章”量子計算原型機[25]，如圖4所示。2021年，中科大成功研制113個光子的“九章二號”量子計算原型機，在計算速度方面，比超級計算機快1024倍，比九章(1015)高9個數(shù)量級[26]。2021年，國防科技大學報道了一款可編程光量子計算芯片，實現(xiàn)了多種圖論問題的量子算法求解。

圖4 “九章”光量子干涉實物圖[27]

利用離子阱技術制備的量子比特在退相干時間方面具有明顯優(yōu)勢，在某些體系中，其退相干時間可以達到幾分鐘甚至更長。但離子阱量子計算在物理環(huán)境上與外界隔離，擴展性較差，其操作時間可能是超導方案的上千倍。目前，霍尼韋爾、美國IonQ公司、牛津大學、悉尼大學、中科院、啟科量子等相關研究團隊正采用離子阱技術開展量子計算研究工作。2020年，IonQ基于離子阱路線突破400萬量子體積[28]。2021年7月，霍尼韋爾離子阱量子計算機System Model H1成功通過1 024量子體積的基準測試[29]。與此同時，霍尼韋爾按照其未來10年量子計算發(fā)展路線，正積極研發(fā)新一代量子計算機System Model H2，System Model H2將向更大規(guī)模方向發(fā)展。

圖5 霍尼韋爾System Model H0/H1量子計算機處理器[30]

2.2 量子算法不斷豐富優(yōu)化

與所有計算機一樣，構(gòu)建有用的設備不僅是制造硬件，還需要開發(fā)算法和軟件。由于量子程序與經(jīng)典計算機程序不同，因此需要全新的算法來實現(xiàn)量子加速。當前，量子算法仍處于開放探索階段，各類算法在發(fā)展中不斷優(yōu)化。早期著名的量子算法主要有舒爾(Shor)算法[31]和格羅佛(Grover)算法[32]。1994年，美國麻省理工貝爾實驗室數(shù)學家彼得·舒爾提出Shor算法，該算法主要針對整數(shù)分解問題，能夠指數(shù)加速計算速度，這種算力的提升有可能導致采用RSA算法的公鑰密碼失效。1996年，麻省理工貝爾實驗室格羅夫提出Grover算法，該算法主要針對數(shù)據(jù)搜索問題，可用于尋找最大值、最小值、平均值等，這種算法在效率上并沒有比經(jīng)典算法有很大的提高，但是在大輸入的情況下，加速相比于經(jīng)典算法仍然是顯著的。近年來，隨著量子計算技術的發(fā)展，不斷有新的量子算法被提出。如2009年誕生的解線性方程組量子算法(HHL)[33]，這種算法主要針對線性問題最優(yōu)解問題，它的提出為量子計算與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術的融合發(fā)展奠定了基礎。此外還有變分量子本征求解算法(VQE)、量子近似優(yōu)化算法(QAOA)等。2021年7月，劍橋量子計算研究團隊通過引入濾波變分量子本征求解器(F-VQE)，大幅提高組合優(yōu)化效率，在對比測試中，新算法在收斂速度等方面明顯優(yōu)于現(xiàn)有VQE、QAOA等算法[34]。

2.3 混合計算加速量子計算工程化應用

在近四十年的發(fā)展中，量子計算的概念、發(fā)展路線日益清晰，其在計算處理方面的優(yōu)越性日益凸顯，但由于退相干、規(guī)?；?、糾錯能力等技術難題有待突破，實現(xiàn)工程化應用仍是當前面臨的挑戰(zhàn)。與此同時，經(jīng)典計算、人工智能等技術飛速發(fā)展，但日益增長的數(shù)據(jù)規(guī)模逐漸逼近經(jīng)典計算的極限，為人工智能領域帶來了巨大挑戰(zhàn)。在此背景下，兼顧量子計算、經(jīng)典計算、人工智能等各項技術優(yōu)點的混合計算逐步發(fā)展，一定程度上加快量子計算的工程化應用，如圖6所示。混合計算方面，近年來成果頗多。如2017年，IBM團隊開發(fā)了一種采用短深度量子電路的VQE，測試表明這種經(jīng)典-量子混合算法可以有效促進高性能計算在量子硬件中的運用[35]。2021年3月，維也納大學報道的一項研究工作顯示，研究人員通過在機器學習中使用量子通信信道，使機器學習速度顯著提升[36]。2021年7月，麻省理工學院和谷歌量子人工智能團隊設計了一種新的量子算法，能夠指數(shù)加速訓練神經(jīng)網(wǎng)絡[37]。未來，量子混合計算將朝著規(guī)?；⒓苫?、實用化方向發(fā)展。

未來的計算將建立在比特+神經(jīng)元+量子比特的基礎上，這些要素將由混合云結(jié)構(gòu)進行編排和部署，自動化層將人工智能和自動化編程結(jié)合起來，根據(jù)用戶需求和期望的結(jié)果編寫軟件代碼，并反饋優(yōu)化，這些計算系統(tǒng)將加速新應用。未來計算系統(tǒng)的主要技術組成如圖6所示。

圖6 未來計算系統(tǒng)的主要技術組成[38]

3 軍事應用動向

在戰(zhàn)場上，需要根據(jù)近乎實時獲取的大量數(shù)據(jù)集進行決策，量子計算所提供的快速數(shù)據(jù)處理能力將給軍隊帶來極大的優(yōu)勢，未來五到十年，有望基于專用量子計算機在軍事智能、量子組合優(yōu)化等前沿探索領域率先取得突破，打開軍事領域量子計算實用化之門。

3.1 量子人工智能有望提升軍事智能決策水平

未來軍事智能決策強調(diào)海量數(shù)據(jù)的快速分析，當前，大量人工智能特別是機器學習任務需要基于對大規(guī)模數(shù)據(jù)的分析，其數(shù)據(jù)規(guī)?？蛇_TB甚至PB級別。傳統(tǒng)計算機理論中認為，多項式復雜度、甚至線性復雜度算法等有效算法并不能有效滿足實際分析需求。將量子計算與人工智能結(jié)合，可以對戰(zhàn)場海量數(shù)據(jù)進行實時分析處理，進一步提升戰(zhàn)爭預測、作戰(zhàn)方案制訂與評估等能力，在指揮決策等方面發(fā)揮巨大作用。如2021年4月，美國空軍研究實驗室和QC-Ware公司合作，探索將QC-Ware專有的q-means量子算法應用于識別無人駕駛飛機的飛行模式[39]，項目第一階段將專注于構(gòu)建軟件，第二階段將重點評估算法的性能。該項目的目的是推動量子科技的軍事應用，從而保障美國空軍和太空部隊的先進性。

3.2 經(jīng)典—量子混合計算有望增強軍事精準保障能力

組合最優(yōu)化問題在物資調(diào)配領域有著廣泛的應用，使用經(jīng)典計算機處理復雜度呈現(xiàn)指數(shù)級增長。借助量子計算機，采用量子近似優(yōu)化算法等經(jīng)典+量子混合算法，可以快速高效地處理組合最優(yōu)化問題。這對提高物流鏈的運送能力、實現(xiàn)戰(zhàn)時緊急物資的科學調(diào)度、保障軍需物資的充足供應具有重大意義。如2019年3月，DARPA宣布啟動“中等規(guī)模量子器件噪聲優(yōu)化”(ONISQ)項目，ONISQ項目旨在將中等規(guī)模量子設備(數(shù)百到數(shù)千量子比特)與經(jīng)典計算系統(tǒng)相結(jié)合，以解決特定組合優(yōu)化問題，并證明量子計算在處理這些問題上的性能優(yōu)勢。若ONISQ項目獲得成功，研究成果將可以應用于物流管理等領域。2021年10月，DARPA啟動“量子啟發(fā)的經(jīng)典計算”(QuICC)項目，旨在利用從量子算法中獲得的經(jīng)驗，通過經(jīng)典計算解決復雜的、與國防部有關的優(yōu)化問題，使相關系統(tǒng)性能指數(shù)提升。

4 產(chǎn)業(yè)全景分析

4.1 量子計算仍處于產(chǎn)業(yè)探索期

量子計算仍處于技術攻堅階段，產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟。2020年，Gartner公司發(fā)布的技術成熟度周期曲線預測，量子計算技術距離實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化仍需10年以上時間。量子計算產(chǎn)業(yè)鏈以互聯(lián)網(wǎng)頭部企業(yè)及量子計算初創(chuàng)企業(yè)為核心，上游對傳統(tǒng)的硅晶圓、半導體加工設備、集成電路供應商仍有一定的依賴，下游方面，化學、制藥、金融等有可能從早期使用量子計算機中獲益。IBM、谷歌、英特爾、微軟、霍尼韋爾、亞馬遜等互聯(lián)網(wǎng)頭部企業(yè)均在在量子計算領域有所布局，如圖7所示，其中IBM、谷歌、微軟、霍尼韋爾等企業(yè)開展量子計算全體系研發(fā)，包括硬件、算法以及應用軟件等方面。IBM基于超導路線已研發(fā)127量子比特處理器“Eagle”，推出開源Qiskit Metal量子軟件；谷歌研制成功53量子比特量子計算機“懸鈴木”，擁有TensorFlow-Quantum、FermiNet等多款應用軟件。此外，D-Wave、IonQ、Regetti Computing等國外初創(chuàng)企業(yè)也在積極開展量子計算研發(fā)投入，如圖8所示。據(jù)IDC預測，2027年全球量子計算市場將增長到86億美元。

圖7 國外頭部企業(yè)在量子計算領域的布局情況

圖8 國外典型量子科技初創(chuàng)企業(yè)布局情況

4.2 云平臺助力量子計算商業(yè)化進程

量子計算云平臺是云計算和量子計算有機結(jié)合的產(chǎn)物，通過云平臺用戶可以接入實體量子計算機或量子計算模擬器，極大地克服了目前量子計算機制造成本昂貴、維護難度高、占用空間大等缺陷，滿足個人用戶需求。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全球有超過20家機構(gòu)開發(fā)了量子計算云平臺[40]。2016年IBM推出了商業(yè)化量子計算云平臺IBM Q Experience，此后谷歌、Rigetti、D-Wave等多家公司相繼推出本公司的量子計算云平臺。此外，各企業(yè)在量子計算云平臺方面也積極尋求合作，如微軟的量子云平臺可提供IonQ、QCI、Honeywell、Rigetti等四家量子云平臺接入，亞馬遜的自有云平臺AWS Braket，可提供IonQ、Rigetti、D-wave等三家量子云平臺接入。目前，量子云平臺的服務分為免費和付費兩種，大部分提供免費接入服務，付費服務有按使用時間計費和按操作次數(shù)計費等多種方式。以Amazon Braket DM1為例，第1小時免費，之后為0.075美元/分鐘。在量子計算發(fā)展過程中，量子云平臺的出現(xiàn)有望使更多用戶在早期受益，同時加快量子計算的工業(yè)應用。

圖9 亞馬遜Amazon Braket量子云平臺工作原理[41]

5 結(jié) 語

近年來，全球多國加快量子計算技術研究與應用布局，競爭態(tài)勢日益明顯，美國、歐盟、俄羅斯、日本等世界主要國家和地區(qū)陸續(xù)發(fā)布多項政策文件，持續(xù)加強量子科技戰(zhàn)略謀劃。量子計算在硬件、算法等基礎研究領域不斷取得新突破，混合計算的出現(xiàn)使得專用量子計算機的應用場景逐漸清晰，在軍事領域有望服務于智能決策和精準保障環(huán)節(jié)。量子計算的產(chǎn)業(yè)化之路仍然任重道遠，產(chǎn)業(yè)鏈核心企業(yè)的快速發(fā)展及量子計算云平臺的逐步推廣，有望加速商業(yè)化進程。在量子計算技術攻堅，實現(xiàn)工程化應用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的道路上，我國應充分把握時代脈搏，成體系布局，做好量子計算技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長遠謀劃，通過制定清晰的戰(zhàn)略目標促進量子計算進步和創(chuàng)新；補齊短板，非優(yōu)勢領域集中攻關，突破關鍵核心技術；鍛造長板，優(yōu)勢技術領域深化布局，持續(xù)發(fā)力，逐漸化優(yōu)勢為勝勢。