郝曉雪 王婷 倪琰 李向陽 杜彥昌

0 引言

量子計(jì)算是一種新型計(jì)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(jì)算，顯著區(qū)別于傳統(tǒng)計(jì)算模式的新方式。基于量子糾纏態(tài)計(jì)算建立的計(jì)算機(jī)則被稱為量子計(jì)算機(jī)。事實(shí)上，量子糾纏態(tài)和穩(wěn)態(tài)的研究促進(jìn)了量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)的硬件基于糾纏態(tài)光量子的生成和湮滅，遵循量子計(jì)算理論，處理和計(jì)算的不再是簡單電平信號(hào)而是量子信息，運(yùn)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(shí)驗(yàn)室的Paul Benioff 最早提出了量子計(jì)算的基本理論。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)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(yùn)算速度，而計(jì)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(jì)算，由于可以進(jìn)行可逆操作，因而其功耗能夠顯著降低，解決了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)能耗帶來的發(fā)熱問題。對于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(gè)月的時(shí)間內(nèi)翻一倍，與之相對，當(dāng)材料與技術(shù)成本不變時(shí)，價(jià)格也會(huì)降為原價(jià)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(jìn)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(dòng)計(jì)算領(lǐng)域的高速發(fā)展。究其根本，CPU中光刻機(jī)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(shí)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(dāng)確定時(shí)，動(dòng)量的不確定量會(huì)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(yùn)算速度受到很大影響，但量子計(jì)算機(jī)能很好的克服這一點(diǎn)。

1 量子計(jì)算國內(nèi)外主要研究進(jìn)展

2018年3月，谷歌宣布實(shí)現(xiàn)72個(gè)量子位的原型機(jī)，極大的拓展了量子計(jì)算的商業(yè)化應(yīng)用。5月，我國阿里巴巴達(dá)摩院頂級科研機(jī)構(gòu)量子實(shí)驗(yàn)室發(fā)布消息，稱已成功模擬了81 比特40 層作為基準(zhǔn)的谷歌隨機(jī)量子電路，研發(fā)出當(dāng)前世界最強(qiáng)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(jì)社會(huì)產(chǎn)生重大影響。

1.1 國內(nèi)重要進(jìn)展

我國在量子計(jì)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(dāng)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(gè)重大科學(xué)研究計(jì)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(shí)現(xiàn)了2個(gè)量子比特邏輯門電路，在操控比特?cái)?shù)量和量子相干時(shí)間等方面達(dá)到國際先進(jìn)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(jì)算研究基礎(chǔ)薄弱，經(jīng)費(fèi)和人力投入與歐美國家相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。雖然我國在量子計(jì)算領(lǐng)域投入了相當(dāng)?shù)娜肆ξ锪?，然而，?shí)用化的量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，既要對量子物理基礎(chǔ)學(xué)科進(jìn)行原理性創(chuàng)新，又要進(jìn)行量子計(jì)算所需的普適材料、制程、架構(gòu)和控制軟件等實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。當(dāng)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(jì)算和量子計(jì)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(jì)算芯片、操作系統(tǒng)和高級計(jì)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(yùn)，最終導(dǎo)致我國量子計(jì)算的研究主要處于原理驗(yàn)證和演示層面，無法深入進(jìn)行脫離實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的量子計(jì)算模擬和深層次計(jì)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(jì)算芯片，而同期IBM 的量子計(jì)算已經(jīng)提供商業(yè)化服務(wù)。此外，我國從事量子計(jì)算領(lǐng)域的單位較少，由于基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏，量子計(jì)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(dá)摩院、中國科學(xué)院、清華大學(xué)等單位開展了量子計(jì)算方面的研發(fā)，導(dǎo)致我國在量子計(jì)算實(shí)用化方面進(jìn)程緩慢。

2017年5月3日，我國成功研發(fā)出世界上第一臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)，這標(biāo)志著我國在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得世界一流的入場券。該光量子計(jì)算機(jī)由中國科技大學(xué)、中國科學(xué)院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測試，該原型機(jī)的取樣速度比國際同行類似的實(shí)驗(yàn)快約24000 倍，比人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快10 倍至100 倍。

1.2 國外重要進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jìn)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(jì)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(jī)構(gòu)與企業(yè)投入力度不斷加大，歐盟于2018年啟動(dòng)總額10億歐元的量子技術(shù)項(xiàng)目，旨在進(jìn)一步加強(qiáng)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(huì)同國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（NSTC）發(fā)布《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》，標(biāo)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(jì)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(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了5量子比特的離子阱量子芯片；在量子計(jì)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(jì)算機(jī)，并在2017年將20 量子比特的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，馬里蘭大學(xué)與美國國家標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)。

2017年11月11日，IBM 宣布20 量子位的商用量子計(jì)算機(jī)研制成果，并于同年完成50 量子位的量子計(jì)算機(jī)原理樣機(jī)。該20 量子比特的計(jì)算機(jī)是商業(yè)化版本，其糾纏態(tài)量子相干時(shí)間較長，穩(wěn)定性得到極大的增強(qiáng)，平均相干時(shí)間提升到90 微秒，并具備柔性的擴(kuò)展設(shè)計(jì)，可以增加量子位，基于相同技術(shù)的50 量子位的量子計(jì)算機(jī)能夠達(dá)到更加強(qiáng)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(jìn)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(jìn)行排序，最終研發(fā)出一種51 量子位的模擬器，可以實(shí)現(xiàn)特定的量子計(jì)算。

2 量子計(jì)算未來發(fā)展展望

目前，量子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)業(yè)化和軍事化應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)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(jì)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(jī)，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(diǎn)方向，計(jì)劃在量子保密通信、量子計(jì)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(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是巨型機(jī)、并行計(jì)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(jì)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(jìn)行暴力破解，所需時(shí)間不到 4 min，而傳統(tǒng)摩爾架構(gòu)的計(jì)算機(jī)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(jì)算的發(fā)展，隱身戰(zhàn)機(jī)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(dá)可將量子比特調(diào)制到雷達(dá)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(hào)，其靈敏度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)射頻波段雷達(dá)，是未來戰(zhàn)場隱身戰(zhàn)機(jī)的終結(jié)者。利用光量子則有可能實(shí)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(biāo)圖像，擁有極其可觀的戰(zhàn)場應(yīng)用需求。此外，光量子信號(hào)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(qiáng)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(jī)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(shí)間的培育才能影響到整個(gè)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(dòng)的國家基礎(chǔ)計(jì)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(shí)代的國際發(fā)展。首先，規(guī)?；逃昧孔佑?jì)算機(jī)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(jì)格局產(chǎn)生重大影響。量子計(jì)算作為當(dāng)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(jī)和信息時(shí)代的數(shù)字化計(jì)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(shí)現(xiàn)超越巨型機(jī)計(jì)算能力的并行計(jì)算。因此，商業(yè)化量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，有望進(jìn)一步提高計(jì)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(jì)算和仿真瓶頸，從而進(jìn)一步對國際格局產(chǎn)生影響。其次，商用量子計(jì)算機(jī)難以在短期內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用，于通用計(jì)算機(jī)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(jì)算將突破摩爾定律代表的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(jì)算技術(shù)的潛在顛覆者，量子計(jì)算將通過20年甚至更長時(shí)間形成龐大的技術(shù)和產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈，同時(shí)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(dòng)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(jì)算在專業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出的強(qiáng)大計(jì)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(jìn)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(jī)遇。摩爾時(shí)代的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展常年的被動(dòng)地位。而量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展為我國提供了千載難逢的機(jī)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(shí)現(xiàn)量子領(lǐng)域的霸權(quán)。

3 結(jié)論

主要綜述了量子計(jì)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(dāng)前，量子領(lǐng)域是我國彎道超車的絕佳時(shí)機(jī)，考慮到國際上量子計(jì)算和量子保密領(lǐng)域的發(fā)展步驟，我國應(yīng)該進(jìn)一步考慮量子領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局，為國家和軍隊(duì)發(fā)展奠定基礎(chǔ)?！?/p>