□文/ 錢(qián) 野 杭州市科技信息研究院

量子計(jì)算是一種由量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控，基于量子信息單元完成計(jì)算的新型計(jì)算模式。它顯著區(qū)別于傳統(tǒng)計(jì)算模式，從計(jì)算的效率上看，由于量子力學(xué)疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問(wèn)題時(shí)速度要快于傳統(tǒng)的經(jīng)典計(jì)算。

近年來(lái)，量子計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢(shì)，已得到美國(guó)、歐洲、加拿大、澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)的普遍關(guān)注與重視，“量子優(yōu)越性”(Quantum Supremacy，也譯作“量子霸權(quán)”)等熱點(diǎn)話題已成為科技界和商業(yè)界熱議的焦點(diǎn)。在此背景下，各大科技巨頭、初創(chuàng)公司、科研機(jī)構(gòu)等紛紛開(kāi)展量子計(jì)算相關(guān)的研究與應(yīng)用布局，產(chǎn)業(yè)生態(tài)得到不斷培育和發(fā)展。

量子計(jì)算基本原理及與傳統(tǒng)計(jì)算的區(qū)別

量子計(jì)算是一種新型計(jì)算方式，以微觀粒子構(gòu)成的量子比特為基本處理和存儲(chǔ)單元，不同于傳統(tǒng)計(jì)算中比特位非“0”即“1”的確定特性，量子計(jì)算可表征出更多狀態(tài)，其計(jì)算和存儲(chǔ)能力可隨量子比特?cái)?shù)量的增加而呈指數(shù)級(jí)規(guī)模擴(kuò)展。

量子計(jì)算在理論上具有攻克傳統(tǒng)計(jì)算無(wú)解難題的巨大潛力，以破解RSA 加密體為例，RSA 加密體系的安全性依賴(lài)于大數(shù)分解復(fù)雜度，使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)分解300 位大數(shù)約需10 萬(wàn)年以上，而使用同樣規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)分解300位大數(shù)僅需幾秒。

另外，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，散熱不佳將極大地降低運(yùn)算速度，而計(jì)算過(guò)程中的不可逆操作將帶來(lái)極大的能耗，造成發(fā)熱。反觀量子計(jì)算，可以進(jìn)行可逆操作，功耗能夠顯著降低，解決了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的發(fā)熱問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外量子計(jì)算主要研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)重要進(jìn)展

在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006-2020）》中，我國(guó)已將“量子調(diào)控研究”列為四個(gè)重大科學(xué)研究計(jì)劃之一，在國(guó)家層面提供持續(xù)性支持。

中國(guó)科技大學(xué)的郭光燦院士實(shí)現(xiàn)了2 個(gè)量子比特邏輯門(mén)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(guó)際先進(jìn)水平。

中國(guó)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，首次在國(guó)際上使用光晶格技術(shù)生成并觀測(cè)了約600 對(duì)呈現(xiàn)糾纏狀態(tài)的超冷量子比特。

2017 年5 月，我國(guó)成功研發(fā)出世界上第一臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)，標(biāo)志著我國(guó)在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域進(jìn)入世界一流水平。該光量子計(jì)算機(jī)由中國(guó)科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)、中科院物理所等共同參與研發(fā)。經(jīng)初步實(shí)驗(yàn)，該原型機(jī)的取樣速度比國(guó)際同行類(lèi)似實(shí)驗(yàn)快約24000 倍，比人類(lèi)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—100倍。

2020 年12 月4 日，潘建偉院士等人成功構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，求解數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣只需200 秒。這一突破使我國(guó)成為全球第二個(gè)（第一個(gè)為美國(guó)谷歌的Sycamore）實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家。

但是，目前我國(guó)量子計(jì)算的研究主要處于原理驗(yàn)證和演示層面，尚未深入進(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，尚未研發(fā)出可以商業(yè)化使用的量子計(jì)算芯片。此外，我國(guó)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(mén)門(mén)檻較高，目前僅有中科大、阿里巴巴達(dá)摩院、中科院、清華等單位開(kāi)展了量子計(jì)算方面的研發(fā)，這也導(dǎo)致了我國(guó)在量子計(jì)算實(shí)用化方面進(jìn)程緩慢。

國(guó)外重要進(jìn)展

歐美較為重視基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，量子領(lǐng)域技術(shù)水平走在世界前列。

在國(guó)家戰(zhàn)略布局層面，歐美布局要高于我國(guó)。歐盟于2018 年啟動(dòng)總額10 億歐元的量子技術(shù)項(xiàng)目。同年，美國(guó)發(fā)布《量子信息科學(xué)國(guó)家戰(zhàn)略概述》，將量子霸權(quán)提升到國(guó)家戰(zhàn)略。英國(guó)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。

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(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了9 量子比特的超導(dǎo)量子芯片，美國(guó)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，英國(guó)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(guó)IBM 公司于2016年發(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。2017 年11 月，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)，幫助IBM 構(gòu)建量子霸權(quán)。美國(guó)哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院則在量子模擬方面取得較大進(jìn)展，通過(guò)激光捕捉到超冷銣原子，并利用磁場(chǎng)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。

量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球已有上百家量子計(jì)算領(lǐng)域的初創(chuàng)企業(yè)，研究范疇覆蓋量子計(jì)算軟硬件、基礎(chǔ)配套和應(yīng)用探索等多個(gè)方面，企業(yè)集聚度以北美和歐洲最高。盡管量子計(jì)算目前仍處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的早期階段，但軍工、金融、化工、材料、生物、航空航天、交通等眾多行業(yè)已開(kāi)始關(guān)注到其巨大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?，空客、摩根大通、JSR 等紛紛開(kāi)始通過(guò)投資或合作等方式探索相關(guān)應(yīng)用，量子計(jì)算的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈日漸壯大。在量子計(jì)算研究和應(yīng)用發(fā)展的同時(shí)，其產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)配套設(shè)施也在不斷完善。 2019 年，英特爾與Bluefors 和Afore 合作推出量子低溫晶圓探針測(cè)試工具，加速硅量子比特測(cè)試過(guò)程。

我國(guó)科技公司阿里巴巴、騰訊、百度、華為相比于美國(guó)巨頭進(jìn)入量子計(jì)算領(lǐng)域的時(shí)間相對(duì)較晚，近年來(lái)通過(guò)與科研院所合作或聘請(qǐng)知名科學(xué)家等方式成立相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，在量子計(jì)算云平臺(tái)、算法、軟件和應(yīng)用等方面研究布局。華為發(fā)布了HiQ 量子計(jì)算云平臺(tái)，并推出昆侖量子計(jì)算模擬原型機(jī)；阿里巴巴與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作推出量子計(jì)算云平臺(tái)；騰訊在量子AI、藥物研發(fā)和科學(xué)計(jì)算平臺(tái)等應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)展相關(guān)研究；百度成立了量子計(jì)算研究所，積極開(kāi)展量子計(jì)算軟件和信息技術(shù)應(yīng)用等技術(shù)研究；中國(guó)本源量子創(chuàng)立本源量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，攜手中船重工鵬力(南京)超低溫計(jì)算有限公司共建量子計(jì)算低溫平臺(tái)。整體而言，我國(guó)科技公司在量子處理器研制和量子計(jì)算應(yīng)用推廣方面與美國(guó)相比仍有較大差距。

量子計(jì)算應(yīng)用前景及未來(lái)展望

量子計(jì)算技術(shù)所帶來(lái)的算力飛躍將為高溫超導(dǎo)等復(fù)雜度較高的物理化學(xué)科學(xué)研究、新型材料研發(fā)、醫(yī)藥研究、能源勘探與人工智能研究等領(lǐng)域開(kāi)拓新局面，并有可能成為在未來(lái)改變游戲規(guī)則的計(jì)算革命，成為推動(dòng)科學(xué)技術(shù)加速發(fā)展演進(jìn)的“觸發(fā)器”和“催化劑”。

根據(jù)波士頓咨詢(xún)公司預(yù)測(cè)，截至2030 年，量子計(jì)算應(yīng)用的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到500 億美元，其發(fā)展前景被業(yè)界看好。當(dāng)前階段，量子計(jì)算的主要應(yīng)用目標(biāo)是解決大規(guī)模數(shù)據(jù)優(yōu)化處理和特定計(jì)算困難問(wèn)題。在量子比特?cái)?shù)量、容錯(cuò)能力、相干時(shí)間等條件尚不具備實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)之前，專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)成為量子計(jì)算領(lǐng)域的短期發(fā)展目標(biāo)。結(jié)合量子計(jì)算和量子模擬應(yīng)用算法等方面的研究，在大數(shù)據(jù)分析、量子體系模擬、分子結(jié)構(gòu)解析、人工智能等領(lǐng)域有望出現(xiàn)體現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用，以此打開(kāi)量子計(jì)算技術(shù)的實(shí)用化之門(mén)。

量子計(jì)算潛在的應(yīng)用場(chǎng)景主要有三類(lèi)。一是量子組合優(yōu)化。量子退火是實(shí)現(xiàn)量子組合優(yōu)化的一種途徑，可以預(yù)見(jiàn)，量子退火計(jì)算在未來(lái)的制造業(yè)、商業(yè)、電信業(yè)和智慧交通與車(chē)聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)?huì)帶來(lái)更高效率、更多收益、更加安全靈活的優(yōu)化方案。二是量子模擬。利用量子模擬技術(shù)對(duì)化學(xué)分子進(jìn)行建模，能夠極大地推動(dòng)制藥行業(yè)藥品研發(fā)、藥物審核以及材料行業(yè)新材料研發(fā)。生物領(lǐng)域的應(yīng)用小到可以模擬分子的生物結(jié)構(gòu)，大到可以模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，甚至在未來(lái)可能模擬人工生命。三是量子計(jì)算+人工智能。人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用是推動(dòng)算法發(fā)展的一大要素，人工智能與量子計(jì)算兩大新興領(lǐng)域的交匯融合，有望催生出更有價(jià)值的應(yīng)用。目前，針對(duì)人工智能產(chǎn)生的量子算法潛在應(yīng)用包括量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自然語(yǔ)言處理、交通優(yōu)化和圖像處理等。■

勘誤說(shuō)明

因編校失誤，《杭州科技》2022 年第2 期紙質(zhì)期刊封面及內(nèi)文頁(yè)眉處標(biāo)注的“2022 年 第54 卷 總第254 期”應(yīng)更正為“2022 年 第53 卷總第254期”。

特向作者和讀者致歉。

《杭州科技》編輯部