【關(guān)鍵詞】量子計(jì)算? 國(guó)家級(jí)政策? 國(guó)家安全? 商用價(jià)值

【中圖分類號(hào)】G323? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【DOI】? 10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.07.006

引言

20世紀(jì)初，科學(xué)家利用、控制宏觀量子行為，開啟了“第一次量子革命”，以半導(dǎo)體、激光、超導(dǎo)等為代表的重要信息技術(shù)相繼問世，促使材料、醫(yī)學(xué)、化工等領(lǐng)域取得跨越式進(jìn)展，人類社會(huì)生產(chǎn)力水平進(jìn)入新層次。21世紀(jì)以來，操控量子行為已進(jìn)入微觀物理體系（電子、光子等），結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)信息獲取、處理和傳輸?shù)牧孔有畔⒓夹g(shù)開啟了“第二次量子革命”的大門。

在量子信息技術(shù)領(lǐng)域，量子計(jì)算以其并行計(jì)算能力和天然模擬原子、分子演進(jìn)等特性，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力強(qiáng)、執(zhí)行運(yùn)算速度快等核心優(yōu)勢(shì)（一稱“量子霸權(quán)”），成為突破經(jīng)典計(jì)算極限的重要技術(shù)。量子計(jì)算技術(shù)及其應(yīng)用的極高戰(zhàn)略價(jià)值已得到權(quán)威機(jī)構(gòu)和行業(yè)專家的認(rèn)可：結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)分析、區(qū)塊鏈等高新技術(shù)，量子計(jì)算有望為當(dāng)前智能制造、金融分析、新材料研發(fā)、生物醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的商業(yè)格局帶來革命性轉(zhuǎn)變。

為全面分析發(fā)展量子計(jì)算的必要性與重要性，本文集合近年來世界范圍內(nèi)發(fā)布的重要量子計(jì)算國(guó)家戰(zhàn)略政策，并簡(jiǎn)要說明政策推動(dòng)下的各主要國(guó)家量子計(jì)算企業(yè)發(fā)展概況。在此基礎(chǔ)上，以目前的應(yīng)用案例，探討量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化對(duì)人類社會(huì)技術(shù)突破與行業(yè)進(jìn)步的意義。這對(duì)我國(guó)量子計(jì)算支持政策制定及相關(guān)舉措落地有一定借鑒意義，從而能對(duì)我國(guó)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)及其應(yīng)用的未來發(fā)展產(chǎn)生一定積極影響。

量子計(jì)算的基本原理與商用價(jià)值

當(dāng)今大眾普遍使用的經(jīng)典計(jì)算基本單位為比特，比特以二進(jìn)制的數(shù)字電子方式進(jìn)行運(yùn)算，而二進(jìn)制總是處于0或1的確定狀態(tài)。量子計(jì)算則完全不同，其基本計(jì)算單位為量子比特，具有獨(dú)特的疊加性（superposition），包含0和1同時(shí)存在的疊加態(tài)。因此，相同數(shù)量的n個(gè)比特與n個(gè)量子比特，相比于前者的n級(jí)算力，后者可實(shí)現(xiàn)算力2n級(jí)指數(shù)提升。當(dāng)前，用于制備和操控量子比特從而實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的國(guó)際主流技術(shù)路線，即物理體系，共有5種，分別為：半導(dǎo)體、超導(dǎo)、離子阱、拓?fù)?、光量子?種量子物理體系為不同國(guó)家的各類量子計(jì)算企業(yè)所采用，難分高下，但研究各物理體系的共同目標(biāo)均為不斷提高可操控量子比特?cái)?shù)量，并在解決各類計(jì)算問題中保持穩(wěn)定高效。

雖然量子計(jì)算技術(shù)仍處于基礎(chǔ)研發(fā)階段，已問世的量子退火機(jī)與含噪聲中型量子計(jì)算機(jī)也專用于解決特定問題，但從研制容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)的核心目標(biāo)延展，量子芯片、量子控制系統(tǒng)與操作系統(tǒng)、量子算法、量子云平臺(tái)、量子應(yīng)用等全棧開發(fā)產(chǎn)品已逐步發(fā)展成熟，并形成完整體系。國(guó)際權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)對(duì)全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模的預(yù)測(cè)也呈現(xiàn)較樂觀并看好其未來潛力的態(tài)勢(shì)。2019年1月，世界四大會(huì)計(jì)事務(wù)所之一的德勤會(huì)計(jì)事務(wù)所發(fā)布研究報(bào)告稱，未來十年，含噪聲中型量子計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的年均價(jià)值體量為數(shù)億美元;未來二十年，通用量子計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的年均價(jià)值體量為500億美元。[1]美國(guó)戰(zhàn)略管理咨詢領(lǐng)域先驅(qū)企業(yè)——波士頓咨詢作出與前述數(shù)據(jù)體量相類似的同時(shí)期預(yù)測(cè)：到2035年，保守與樂觀估計(jì)的量子計(jì)算機(jī)市場(chǎng)規(guī)模分別為20億美元和600億美元。[2]

綜上，可以對(duì)量子計(jì)算商用發(fā)展階段作出如下簡(jiǎn)要預(yù)計(jì)：2021～2030年，量子計(jì)算商用化起步，量子計(jì)算機(jī)面向特定用戶銷售;2030年后，量子計(jì)算進(jìn)入全面商用化時(shí)期，結(jié)合大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等高科技，在各類數(shù)據(jù)處理及分子研究相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生實(shí)際價(jià)值。

各國(guó)量子計(jì)算支持政策

雖然量子計(jì)算仍在突破重要技術(shù)關(guān)卡，全面商用化也尚待時(shí)日，但全球科技領(lǐng)先強(qiáng)國(guó)及組織早已將量子計(jì)算列入科技進(jìn)步重點(diǎn)清單，其產(chǎn)業(yè)化布局業(yè)已展開，可追溯至21世紀(jì)初。其中，代表國(guó)家為美國(guó)。2002年，美國(guó)《量子信息科學(xué)與技術(shù)規(guī)劃》叩響了量子技術(shù)科學(xué)大門。[3]2016年9月，美國(guó)聯(lián)邦政府對(duì)量子信息科學(xué)的年度研發(fā)投入額就已高達(dá)2億美元左右。[4]2018年12月，美國(guó)《國(guó)家量子計(jì)劃法案》頒布，該計(jì)劃為期10年，其中2019年至2023年，投入經(jīng)費(fèi)將從2億美元一路飆升至12.75億美元，并由國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室統(tǒng)籌全國(guó)研發(fā)力量，形成產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制。[5]

美國(guó)政府對(duì)量子計(jì)算技術(shù)的巨額投入也促使其科技巨頭公司在量子計(jì)算業(yè)務(wù)板塊持續(xù)推進(jìn)應(yīng)用深度。目前，谷歌代表了全球量子計(jì)算技術(shù)最前沿水平，IBM與微軟則通過構(gòu)建、拓展量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，將量子計(jì)算商用程度提升至新高度，其聯(lián)盟成員目前已覆蓋來自電子、金融、保險(xiǎn)、生物制藥、建工、化工、醫(yī)療、航空零件、軍工等行業(yè)的百余個(gè)公司。

2016年3月，在大西洋另一側(cè)，《量子宣言（草案）》作為歐盟800億歐元科技創(chuàng)新研發(fā)計(jì)劃“地平線2020”的組成部分，被歐盟委員會(huì)成員呼吁盡早實(shí)施，以建立歐洲量子產(chǎn)業(yè)，增強(qiáng)歐洲量子研究科學(xué)實(shí)力與跨領(lǐng)域應(yīng)用能力，樹立歐洲全球量子技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者地位。2018年11月，宣言中的“量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”正式啟動(dòng)，為期10年，總額10億歐元。該計(jì)劃同時(shí)與建議預(yù)算達(dá)941億歐元的“地平線歐洲計(jì)劃”及92億歐元的科研資助計(jì)劃——“數(shù)字歐洲計(jì)劃”相互協(xié)調(diào)補(bǔ)充。可見，“量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”開展過程中的研發(fā)經(jīng)費(fèi)保障充足。

歐盟積極的戰(zhàn)略計(jì)劃也為其各主要成員國(guó)制定符合本國(guó)技術(shù)水平及前景的政策定下了良好基調(diào)。英國(guó)于2014～2019年間投資2.7億英鎊，實(shí)施國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃（NQTP）第一階段。2020年實(shí)施NQTP計(jì)劃的第二階段，預(yù)計(jì)總投資達(dá)10億英鎊。德國(guó)的步調(diào)則與歐盟基本同步，該國(guó)政府于2016年發(fā)布了名為QUTEGA的國(guó)家量子計(jì)劃，在2018年正式啟動(dòng)該計(jì)劃，投資總額約6.5億歐元。弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)——德國(guó)及歐洲最大的應(yīng)用科學(xué)研究機(jī)構(gòu)以及尤利希超算中心是推動(dòng)德國(guó)量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展的兩大核心機(jī)構(gòu)。2019年10月，荷蘭發(fā)布了名為Quantum Delta NL（簡(jiǎn)稱QΔNL）的量子計(jì)劃書。根據(jù)QΔNL中的資金投入計(jì)劃，2020～2030年，荷蘭每年將投入1.02億歐元用于產(chǎn)學(xué)研機(jī)制共同作用下的量子計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)，投資總額約10億歐元。除歐盟國(guó)家外，俄羅斯在2019年年末宣布其《國(guó)家量子行動(dòng)計(jì)劃》，目前計(jì)劃有效期為2020～2025年，國(guó)家投資總額約7.9億美元。[6]

歐洲比較具有代表性，在量子計(jì)算研究領(lǐng)域深耕多年的大型公司為諾基亞（Nokia）與源訊（Atos）。前者是貝爾實(shí)驗(yàn)室的母公司，實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的量子算法先進(jìn)性與IBM、谷歌和微軟在同一梯隊(duì);后者則開發(fā)了被譽(yù)為“世界性能最高的商用量子模擬器”的Atos量子學(xué)習(xí)機(jī)，使用客戶跨美國(guó)、丹麥、印度、德國(guó)、荷蘭、英國(guó)等國(guó)家。

在亞太地區(qū)，澳大利亞聯(lián)邦政府已于2017年發(fā)布《2030戰(zhàn)略規(guī)劃》，將發(fā)展量子計(jì)算技術(shù)作為2030年中長(zhǎng)期創(chuàng)新戰(zhàn)略規(guī)劃的重要方向之一。我國(guó)鄰國(guó)日本與韓國(guó)對(duì)量子計(jì)算的關(guān)注亦由來已久。“光量子技術(shù)”成為日本政府的國(guó)家級(jí)科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃可追溯至2016年;到2019年12月，日本政府又與美國(guó)正式簽署《東京量子合作聲明》。[7]2019年2月，韓國(guó)政府宣布啟動(dòng)投資額達(dá)445億韓元的《量子計(jì)算技術(shù)五年發(fā)展計(jì)劃》，并已于當(dāng)年投入60億韓元用于軟硬件產(chǎn)品研發(fā)。[8]

亞太地區(qū)典型的量子計(jì)算技術(shù)巨頭企業(yè)為日本富士通與日立公司。前者自主研發(fā)的量子計(jì)算芯片已具備量產(chǎn)條件，且致力于實(shí)現(xiàn)高達(dá)1000個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī);后者早在2015年即宣稱成功研制專用量子退火機(jī)，2019年9月，日立在國(guó)際專利檢索系統(tǒng)上公開的量子計(jì)算專利為76件，處于亞太地區(qū)領(lǐng)先地位。

與國(guó)際主流趨勢(shì)基本一致，我國(guó)的量子信息與量子計(jì)算國(guó)家級(jí)支持政策亦陸續(xù)出臺(tái)，形成國(guó)家–地方的完整體系。在《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》（國(guó)發(fā)〔2016〕43號(hào)）與《“十三五”國(guó)家基礎(chǔ)研究專項(xiàng)規(guī)劃》（國(guó)科發(fā)基〔2017〕162號(hào)）中，“量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)”與“量子計(jì)算機(jī)”均作為科技與產(chǎn)業(yè)重大發(fā)展方向被提及。[9]2019年12月出臺(tái)的《長(zhǎng)江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》再次指出，要加快培育布局一批量子信息等重點(diǎn)領(lǐng)域未來產(chǎn)業(yè)。

地方上，北京市、上海市、廣東省、安徽省、山東省、浙江省等科技創(chuàng)新實(shí)力較強(qiáng)省市也先后將發(fā)展量子計(jì)算等量子信息技術(shù)寫入“科技創(chuàng)新‘十三五規(guī)劃”、“產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃”及“重大研發(fā)計(jì)劃”等重要指導(dǎo)性文件中。2019年9月，濟(jì)南市政府正式印發(fā)《濟(jì)南市加快建設(shè)量子信息大科學(xué)中心的若干政策措施》（濟(jì)政發(fā)〔2019〕15號(hào)）。作為我國(guó)首個(gè)地方級(jí)專項(xiàng)政策，該措施中用于人才支持的年度經(jīng)費(fèi)達(dá)600萬元，支持高端科技研發(fā)機(jī)構(gòu)或分支機(jī)構(gòu)成立運(yùn)營(yíng)的經(jīng)費(fèi)最高可達(dá)1億元。[10]在中部創(chuàng)新名城合肥市，安徽省科技創(chuàng)新“一號(hào)工程”——總投資達(dá)1000億的中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院正在建設(shè)中。

我國(guó)各級(jí)政府對(duì)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持政策促使知名科技公司著手技術(shù)研究和商用開發(fā)等工作。目前，阿里巴巴、百度、騰訊、華為均已招募專業(yè)團(tuán)隊(duì)，建立相關(guān)實(shí)驗(yàn)室或研究所，投入巨額經(jīng)費(fèi)研發(fā)量子軟硬件產(chǎn)品。除上述企業(yè)外，我國(guó)量子計(jì)算初創(chuàng)企業(yè)尚未發(fā)展完全并形成規(guī)模優(yōu)勢(shì)，目前僅有本源量子1家公司進(jìn)行全棧式開發(fā)。

量子計(jì)算的跨領(lǐng)域應(yīng)用案例

量子計(jì)算構(gòu)建起的新一代計(jì)算體系，在處理海量數(shù)據(jù)并行運(yùn)算，以及模擬原子、分子演進(jìn)方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)越性：前者可用于人工智能、金融建模、密碼解析等方面;后者可優(yōu)化目前生物醫(yī)藥、材料化工、能源開發(fā)的計(jì)算模擬方式。下面，本文將展示量子計(jì)算結(jié)合國(guó)家安全、金融工程和化學(xué)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用案例，從一定程度上說明量子計(jì)算具有廣闊且光明的發(fā)展前景。

量子計(jì)算+國(guó)家安全。2018年8月，美國(guó)保守派智庫哈德遜研究所發(fā)布題為《Quantum Computing： How to Address the National Security Risk》的研究報(bào)告。報(bào)告指出，一旦通用型量子計(jì)算機(jī)成功問世，或?qū)Ｓ昧孔佑?jì)算機(jī)達(dá)到300個(gè)量子比特可控的計(jì)算力，攻破現(xiàn)今通用的公鑰加密系統(tǒng)是轉(zhuǎn)瞬之間的易事。[11]如此一來，國(guó)家級(jí)機(jī)密信息、各類公司的商業(yè)機(jī)密以及公民的隱私信息等加密數(shù)據(jù)將毫無秘密可言，重要的軍事、民生基礎(chǔ)設(shè)施及金融系統(tǒng)等國(guó)家政治、國(guó)防、經(jīng)濟(jì)命脈也將不堪一擊。因此，量子計(jì)算機(jī)對(duì)國(guó)家安全，既可成為造成嚴(yán)重威脅的“矛”，亦可轉(zhuǎn)變?yōu)橹貥?gòu)加密體系的“盾”。

以國(guó)防軍事為代表，美國(guó)國(guó)家安全領(lǐng)域的專用量子計(jì)算技術(shù)布局早，發(fā)展迅速，主要體現(xiàn)在巨額研發(fā)資金支持及創(chuàng)新產(chǎn)學(xué)研協(xié)同機(jī)制上。據(jù)公開報(bào)道稱，2010年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局花費(fèi)1030萬美元組建高級(jí)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，用于支持美國(guó)國(guó)家安全局、國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局、情報(bào)高級(jí)研究計(jì)劃局的工作;2014年，美國(guó)國(guó)家安全局又投入7970萬美元用于量子計(jì)算機(jī)研發(fā)。目前，IBM、谷歌等公司的專用量子計(jì)算技術(shù)研發(fā)，也得到了美國(guó)陸軍研究辦公室等國(guó)防機(jī)構(gòu)的經(jīng)費(fèi)支持。除直接的資金投入外，美國(guó)國(guó)防機(jī)構(gòu)亦廣泛開展與專業(yè)技術(shù)研究部門的深層次協(xié)同合作：美國(guó)國(guó)家安全局會(huì)同馬里蘭大學(xué)建立了聯(lián)合量子研究院，美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心達(dá)爾格倫分部也與華盛頓大學(xué)進(jìn)行了量子干涉效應(yīng)的軍事應(yīng)用等一系列獨(dú)立應(yīng)用研究項(xiàng)目合作。另外，美國(guó)著名軍工企業(yè)洛克希德·馬丁（Lockheed Martin）與霍尼韋爾（Honeywell）業(yè)已培養(yǎng)專業(yè)量子計(jì)算應(yīng)用研發(fā)團(tuán)隊(duì)。前者不僅是谷歌與D-Wave Systems（加拿大量子計(jì)算公司）量子應(yīng)用、專用量子計(jì)算機(jī)業(yè)務(wù)線上的千萬美元級(jí)客戶，還與南加州大學(xué)共建量子計(jì)算研究中心，研究專用于先進(jìn)武器裝備建模與模擬、軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)、軍事物資運(yùn)輸線路優(yōu)化及高維度戰(zhàn)場(chǎng)大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理與態(tài)勢(shì)分析的軍用量子算法與軟件。

量子計(jì)算+金融工程。隨著手機(jī)銀行、各類支付平臺(tái)、理財(cái)、網(wǎng)貸等數(shù)字化金融服務(wù)普及，基于安全可靠性的差異化金融服務(wù)對(duì)計(jì)算能力提出了更高要求。量子計(jì)算在此領(lǐng)域的多項(xiàng)業(yè)務(wù)中，已表現(xiàn)出非凡的商用潛能。

資產(chǎn)和風(fēng)險(xiǎn)管理：管理金融投資組合需要基于技術(shù)大數(shù)據(jù)，精確分析從而擬定各種投資策略，其中的計(jì)算規(guī)模和大數(shù)據(jù)處理能力超出了目前通用模擬算法和模型的算力極限。

高頻交易：此業(yè)務(wù)的核心需求為快速分析大量數(shù)據(jù)并執(zhí)行交易策略的能力。在速度上，量子算法要比常規(guī)算法快得多。

欺詐檢測(cè)：通過特定的量子人工智能算法模型與應(yīng)用，以機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度和理解力水平，可有力打擊目前日益猖獗、手段多樣的欺詐活動(dòng)并減少數(shù)據(jù)泄露。

在國(guó)際范圍內(nèi)，量子計(jì)算與銀行金融業(yè)的合作案例目前在北美洲、歐洲及亞太地區(qū)均有體現(xiàn)，具體涉及主體分別為：摩根大通（JPMorgan Chase）、加拿大蒙特利爾銀行和豐業(yè)銀行、西班牙金融服務(wù)公司CaixaBank及澳大利亞聯(lián)邦銀行。2019年9月，摩根大通被標(biāo)準(zhǔn)普爾評(píng)為美國(guó)最大銀行，[12]以2.73萬億美元的總資產(chǎn)額度，排名全球第六大銀行。摩根大通的大體量和多樣化客戶需求使其對(duì)于金融計(jì)算能力提升的需求十分迫切，這促使其于2017年加入IBM量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟Q Network，與IBM的量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)新型算法。據(jù)悉，兩家公司正在開發(fā)的一種量子算法，將可能實(shí)現(xiàn)一種計(jì)算要求極高的金融工具——派生定價(jià)的二次加速，即經(jīng)典計(jì)算機(jī)經(jīng)10，000次模擬才能實(shí)現(xiàn)的定價(jià)，在量子計(jì)算機(jī)上僅需要進(jìn)行100次量子運(yùn)算。[13]根據(jù)摩根大通的預(yù)計(jì)，此算法的成功研發(fā)將降低總計(jì)算成本，并幫助公司實(shí)時(shí)管理財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

2019年8月，加拿大蒙特利爾銀行和豐業(yè)銀行發(fā)布了與澳洲量子計(jì)算和人工智能創(chuàng)業(yè)公司Xanadu的合作成果——應(yīng)用于金融領(lǐng)域的量子蒙特卡洛算法，這種算法有助于提升金融交易產(chǎn)品的計(jì)算效率。據(jù)Xanadu公司公開發(fā)布的消息，量子蒙特卡洛算法在其自有的量子模擬器上的測(cè)試仿真結(jié)果表明，當(dāng)此算法在商用量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，與經(jīng)典計(jì)算力相比，衍生品定價(jià)及實(shí)時(shí)定價(jià)等金融行為的處理效率可顯著提升，并大幅降低計(jì)算所需的電力消耗。

2019年9月，西班牙金融服務(wù)公司CaixaBank成功完成量子計(jì)算模擬項(xiàng)目——一個(gè)抵押貸款投資組合和一個(gè)國(guó)庫券投資組合的風(fēng)險(xiǎn)分析，效果可觀。2019年11月，澳大利亞聯(lián)邦銀行數(shù)據(jù)科學(xué)家披露該銀行正在與美國(guó)量子計(jì)算創(chuàng)業(yè)公司Rigetti Computing合作，基于聯(lián)合構(gòu)建的專用量子模擬器軟件系統(tǒng)，進(jìn)行量子優(yōu)化投資組合再平衡策略實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)各類用戶開發(fā)財(cái)務(wù)運(yùn)營(yíng)應(yīng)用程序的進(jìn)程，包括但不限于風(fēng)險(xiǎn)管理與分析、交易、投資組合優(yōu)化及安全性提升等金融領(lǐng)域各項(xiàng)業(yè)務(wù)。

量子計(jì)算+化學(xué)?；瘜W(xué)在現(xiàn)代社會(huì)生活中的影響力不言而喻，從生物制藥到新材料再到可再生技術(shù)，都離不開不斷進(jìn)步的化學(xué)技術(shù)。量子計(jì)算因其天然模擬原子、分子演進(jìn)的特性，與化學(xué)基礎(chǔ)自然融合。目前，有關(guān)量子化學(xué)應(yīng)用的研究已在國(guó)內(nèi)外廣泛開展，并取得一定成果。

首先，量子計(jì)算可用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的氨肥制造工藝改進(jìn)。氨肥是現(xiàn)今世界范圍內(nèi)使用的農(nóng)用化肥，但氨肥不是自然產(chǎn)物，而是氮、氫人工合成氨。20世紀(jì)“哈布二氏法”的發(fā)明極大提高了氨肥生產(chǎn)效率，但同時(shí)，其高溫高壓合成過程無法避免極高能耗的缺陷。目前，國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步提升氨肥制造工藝的突破口放在了模擬豆類植物固氮細(xì)菌的催化過程之上。固氮細(xì)菌中有效的固氮酶分子不需高溫高壓條件，即可通過復(fù)雜的催化過程，將氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨，極大降低了能量成本，但固氮酶的轉(zhuǎn)氨催化組合數(shù)量之大令超算機(jī)難以駕馭。

2019年，谷歌使用量子計(jì)算糾錯(cuò)設(shè)備模擬了固氮酶活性中心——鐵鉬輔基（FeMoco）的催化過程。這次實(shí)驗(yàn)使用了一百萬個(gè)以上的量子比特執(zhí)行相關(guān)計(jì)算，邁出了改良“哈布二氏法”工藝，提高能源密集型化肥工業(yè)效率的關(guān)鍵一步。這不僅是一項(xiàng)商業(yè)突破，從長(zhǎng)遠(yuǎn)意義層面上看，量子計(jì)算所提升的農(nóng)用化肥生產(chǎn)工藝亦有助于滿足地球75億人口的食物量需求并應(yīng)對(duì)氣候變化影響。

其次，量子計(jì)算目前也已用于電動(dòng)汽車高性能電池的研發(fā)工作，特別是電化學(xué)材料模擬。早在2018年，大眾汽車在德國(guó)慕尼黑成立專業(yè)研發(fā)中心，利用谷歌及D-Wave Systems的量子計(jì)算機(jī)資源，改進(jìn)電動(dòng)汽車電池開發(fā)流程和系統(tǒng)算法，具體包括：縮短開發(fā)周期，減輕電池重量并提高其能量密度，以及實(shí)現(xiàn)電池模塊的高效組裝等。目前已公開的報(bào)道稱，大眾汽車已成功利用量子計(jì)算機(jī)模擬了氫化鋰（LiH）和碳鏈等關(guān)鍵分子，正向更復(fù)雜的化合物模擬的方向邁進(jìn)。[14]另外，2020年1月，IBM公開表示，其量子應(yīng)用團(tuán)隊(duì)正與戴姆勒公司（奔馳母公司）開展新一代電動(dòng)汽車鋰硫（Li-S）電池建模的聯(lián)合研究工作，相比于目前通用的鋰離子電動(dòng)汽車電池，新一代鋰硫電池具備更高能效、續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)、造價(jià)更低廉等優(yōu)勢(shì)。IBM披露的最新工作進(jìn)展為借助21個(gè)量子比特與7個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)，成功模擬了氫化鋰（LiH）、硫化氫（H2S）和硫化鋰（Li2S）的解離曲線和偶極矩。IBM稱，這是公開報(bào)道的第一次成功在量子計(jì)算系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)分子偶極矩模擬計(jì)算。

最后，量子計(jì)算的分子模擬功能還可以應(yīng)用在制藥行業(yè)，例如：優(yōu)化有效分子組合，節(jié)省藥物研發(fā)成本，縮短研發(fā)時(shí)間;改進(jìn)差異化基因分析排序，從而為個(gè)人定制藥物及醫(yī)療保健方式、精確預(yù)測(cè)常用藥的各類不良反應(yīng)等開辟道路;模擬各類蛋白質(zhì)折疊復(fù)雜序列，發(fā)現(xiàn)正確狀態(tài)，為蛋白質(zhì)-藥物組合解釋各種可能性。目前，專注于量子計(jì)算技術(shù)結(jié)合醫(yī)學(xué)化學(xué)測(cè)試的加拿大生物制藥公司ProteinQure、荷蘭公司Qu&Co與英國(guó)公司Riverlane，正在運(yùn)用量子算法的優(yōu)化計(jì)算，研發(fā)基于蛋白質(zhì)組合模型的抗體類、多肽類藥物。在國(guó)內(nèi)，華為自主研發(fā)的量子化學(xué)應(yīng)用云服務(wù)已成功模擬乙烯（C2H4）、氨氣（NH3）、甲硅烷（SiH4）等分子基態(tài)能量，本源量子的化學(xué)應(yīng)用軟件ChemiQ已成功模擬氫氣（H2）在不同長(zhǎng)度化學(xué)鍵下的能量。

結(jié)語

未來十年將是量子計(jì)算技術(shù)進(jìn)步、商用水平提升、產(chǎn)業(yè)合作格局進(jìn)一步完善的重要階段。我國(guó)應(yīng)重點(diǎn)把握時(shí)代機(jī)遇，培育量子計(jì)算茁壯成長(zhǎng)的良好政策土壤，推進(jìn)量子賦能、商業(yè)合作新模式的探索，增強(qiáng)科技創(chuàng)新硬實(shí)力。

注釋

[1]詳見《德勤全球發(fā)布〈2019科技、傳媒和電信行業(yè)預(yù)測(cè)〉報(bào)告》，https：//www2.deloitte.com/cn/zh/pages/about-deloitte/articles/pr-deloitte-global-tmt-predictions-2019.html，2019年12月29日引用。

[2]"Where Will Quantum Computers Create Value—and When？"， https：//www.bcg.com/publications/2019/quantum-computers-create-value-when.aspx，2019年12月29日引用。

[3]詳見《2018全球量子計(jì)算領(lǐng)域研發(fā)概況》，http：//www.sohu.com/a/259426143_655347，2019年12月31日引用。

[4]中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部：《美國(guó)發(fā)布量子信息科學(xué)政策報(bào)告》，http：//www.most.gov.cn/gnwkjdt/201609/t20160913_127617.htm，2020年1月5日引用。

[5]胡定坤：《美斥巨資開啟量子“登月計(jì)劃”》，《科技日?qǐng)?bào)》，2018年12月27日，第2版。

[6]劉霞：《俄加入全球量子計(jì)算戰(zhàn)局》，《科技日?qǐng)?bào)》，2019年12月20日，第2版。

[7]詳見《日媒：日本在量子技術(shù)領(lǐng)域緊追美中》，http：//www.cankaoxiaoxi.com/world/20191007/2392432.shtml，2020年1月7日引用。

[8]詳見《韓國(guó)啟動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)五年發(fā)展計(jì)劃》，http：//www.chinastor.com/quantum/0210402Z2019.html，2020年1月7日引用。

[9]中華人民共和國(guó)中央人民政府：《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃的通知》，http：//www.gov.cn/zhengce/content/2016-08/08/content_5098072.htm，2020年1月9日引用。

[10]詳見《最高支持一億元 濟(jì)南發(fā)力量子信息大科學(xué)中心建設(shè)》，https：//www.qlwb.com.cn/2019/0905/1457230.shtml，2020年1月10日引用。

[11]Arthur Herman and Idalia Friedson， "Quantum Computing： How to Address the National Security Risk"， August， 2018， https：//s3.amazonaws.com/media.hudson.org/files/publications/Quantum18FINAL4.pdf，2020年1月12日引用。

[12]Garrido Francis and Chaudhry Saqib， "The world's 100 largest banks"， April 5， 2019， https：//www.spglobal.com/marketintelligence/en/news-insights/trending/t-38wta5twjgrrqccf4_ca2，2020年1月13日引用。

[13]詳見“The IBM Quantum Network： Organizations Collaborate on Quantum Goals”，https：//www.ibm.com/blogs/research/2019/02/q-network-quantum-goals/，2020年1月15日引用。

[14]詳見《大眾專家首次成功利用量子計(jì)算機(jī)模擬出對(duì)動(dòng)力電池研發(fā)非常重要的分子結(jié)構(gòu)》，https：//cloud.tencent.com/developer/news/239179，2020年1月17日引用。

責(zé) 編/王亞敏（見習(xí)）

郭國(guó)平，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院副院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、教授、博導(dǎo)。研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體量子芯片。主要著作有《量子計(jì)算與編程入門》（教材）、《Strong indirect coupling between graphene-based mechanical resonators via a phonon cavity》（論文，合著）、《Electrotunable artificial molecules based on van der Waals heterostructures》（論文，合著）等。