賽迪：2019年量子計算發展白皮書(40頁).pdf

《賽迪：2019年量子計算發展白皮書(40頁).pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《賽迪：2019年量子計算發展白皮書(40頁).pdf（40頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、 量子計算發展白皮書量子計算發展白皮書 （2019 年）年） 智庫電子信息研究所智庫電子信息研究所 2019 年年 9 月月 前言前言 量子信息技術可以突破現有信息技術的物理極限， 在信息處理速 度、信息容量、信息安全性、信息檢測精度等方面均能夠發揮極大作 用，進而顯著提升人類獲取、傳輸和處理信息的能力，為未來信息社 會的演進和發展提供強勁動力。當前，人類對量子信息技術的研究與 應用主要包括量子計算、量子通信和量子測量等。其中，量子計算是 一種基于量子力學的、顛覆式的計算模式，具有遠超經典計算的強大 計算能力，將在化學反應計算、材料設計、藥物合成、密碼破譯、大 數據分析和機器學習、軍事氣象等領

2、域產生顛覆性影響。 近年來，一些國家以及企業紛紛加碼布局量子計算，在相關領域 的技術研究和應用不斷提速。在此形勢下，智庫電子信息研究所 編寫了 量子計算發展白皮書 （2019 年） ， 闡述了量子計算的基本內 涵，系統梳理量子計算的技術路線及發展路線圖，介紹了國內外發展 態勢，并提出了我國量子計算發展面臨的挑戰及相關對策建議。 如有商榷之處，歡迎大家批評指正。 目 錄 一、量子計算發展綜述 . 1 （一）量子計算的內涵 . 1 （二）量子計算的發展背景與歷程 . 5 （三）量子計算的應用展望 . 7 二、量子計算技術與發展路線圖 . 9 （一）量子計算關鍵技術 . 9 （二）量子計算的發展路線

3、圖 . 16 三、國際量子計算發展現狀 . 19 （一）主要國家的戰略規劃 . 19 （二）量子計算的技術與產業進展 . 22 四、我國量子計算發展現狀 . 29 （一）我國的量子計算國家戰略 . 29 （二）我國量子計算的進展 . 29 五、我國量子計算發展面臨的問題與挑戰 . 31 （一）關鍵技術研發仍屬起步階段，與國際水平存在差距 . 31 （二）市場尚在培育階段，技術和應用場景不成熟 . 31 （三）國內企業參與度較低，缺乏全面戰略布局 . 32 （四）人才體系單一、集中，尚未形成全面培養體系 . 32 六、對策建議 . 34 （一）加強前沿科技領域產業化布局 . 34 （二）加大對關

4、鍵核心領域的研發支持 . 34 （三）完善對專業人才梯隊建設的全面布局 . 34 （四）積極構建量子計算應用生態體系 . 35 1 一、量子計算發展綜述一、量子計算發展綜述 （一）量子計算的內涵（一）量子計算的內涵 1 1、量子信息量子信息科學科學的基本概述的基本概述 量子信息科學是量子物理與信息科學交叉的新生學科， 其物理基 礎是量子力學。量子是構成物質的基本單元，是不可分割的微觀粒子 的統稱。量子力學就是研究和描述微觀世界基本粒子結構、性質及相 互作用的一門科學。量子信息技術就是基于量子力學，通過對光子、 電子等微觀粒子系統及其量子態進行人工觀測和調控， 借助量子疊加 和量子糾纏等獨特物理

5、現象，以經典理論無法實現的方式獲取、傳輸 和處理信息的一類技術。 圖 1 量子比特的概念示意圖 數據來源：Visure Science，2019年7月 在量子信息技術中，包含量子比特、量子疊加和量子糾纏等幾個 基本概念：一是量子比特。比特是計算機技術中信息量的基本度量單 位，量子比特則是量子計算中的最小信息單位。一個量子比特可以表 2 示 0、1 或 0 和 1 的疊加，因此其搭載的信息量遠超智能表示 0 或 1 的經典比特。二是量子疊加。指一個量子系統可以處在不同量子態的 疊加態上。在量子系統中，量子態是指微觀粒子所處的一系列不連續 的恒穩運動狀態。在無外界觀測干擾時，量子系統可處于一系列量

6、子 態疊加態上，也即是著名的“薛定諤的貓” 。三是量子糾纏。指微觀 粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統中相互影響影響的現象。 在量 子系統中，存在量子關聯的多個粒子即使在空間上被分隔開，也能夠 相互影響運動狀態，這是量子通信等的技術基礎。 當前，量子信息技術主要包括量子計算、量子通信和量子測量等 三個技術領域。量子計算是基于量子態受控演化的一類計算技術。量 子計算具有經典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強并行處理能力， 有望成為未來幾乎所有科技領域加速發展的“新引擎” 。量子通信利 用微觀粒子的量子疊加態或量子糾纏效應等進行信息或密鑰傳輸， 主 要包括量子隱形傳態和量子密鑰分發兩類。 量子通信可

7、大幅提升通信 的安全性，將對信息安全和通信網絡等領域產生重大變革和影響。量 子測量可基于微觀粒子系統及其量子態的精密測量， 完成被測系統物 理量的執行變換和信息輸出。 量子測量主要包括時間基準、 慣性測量、 重力測量、磁場測量和目標識別等方向，其在測量精度、靈敏度和穩 定性等方面比傳統測量技術有明顯優勢。 2 2、量子計算的基本原理與特征、量子計算的基本原理與特征 量子計算以量子比特為基本單元， 通過量子態的受控演化實現數 據的存儲計算。量子計算機就是遵循量子力學規律，基于上述原理進 行信息處理的一類物理裝置。當前，量子計算機可大致分為三類：量 子退火、嘈雜中型量子（NISQ）計算、容錯型通用

8、量子計算。 3 圖 2 新一輪量子信息科學變革的主要突破領域 數據來源： 走進新量子革命 ，陸朝陽，2019年7月 一般而言， 量子計算機的計算過程可以分為數據輸入、 初態制備、 量子邏輯門操作、量子測算和數據輸出等步驟。其中，量子邏輯門操 作是一個幺正變換，這是一個可以人為控制的量子物理演化過程。對 量子計算機的可用性而言，需要從量子比特數、長相干時間保護、高 保真度量子操作等多個維度進行綜合衡量。 圖 3 量子計算機工作原理流程圖 數據來源： 量子信息技術發展概況 ，郭光燦，2019年7月 4 與經典計算相比，量子計算具有以下特點： 一是并行計算能力更強。一般地，描述 n 個量子比特的量子

9、計算 機需要 2n 個系數數字，當 n 增大時所有狀態所需數字很大。但由于 量子疊加效應， 量子計算過程中的幺正變換可以對處于疊加態的所有 分量同時進行操作（也即量子并行性） 。因此，量子計算機可以同時 進行多路并行運算，這也是量子計算機超強信息處理能力的源泉。 圖 4 量子計算的并行計算示意圖 數據來源：Visure Science，2019年7月 二是能耗更低。當前，經典計算中運算速度遇到的一大瓶頸就是 能耗問題對芯片集成度的制約。有研究表明，能耗產生于計算過程中 的不可逆操作。直觀而言，傳統芯片的特征尺寸很?。〝导{米）時， 量子隧穿效應開始顯著，電子受到的束縛減小，使得芯片功能降低、 能

10、耗提高，這即是傳統摩爾定律面臨失效的原因。因此，必須將不可 逆操作改造為可逆操作，才能大大提高芯片的集成度。相較之下，量 子計算中的幺正變換屬于可逆操作， 因而信息處理過程中的能耗較低， 這有利于大幅提升芯片的集成度，進而提升量子計算機算力。 5 （二）量子計算的發展背景（二）量子計算的發展背景與歷程與歷程 1 1、傳統計算傳統計算技術技術供給不足成為量子計算重要驅動因素供給不足成為量子計算重要驅動因素 當前，傳統計算技術迭代提升面臨瓶頸，而各領域算力需求則快 速攀升。一方面，集成電路技術在材料和制程工藝方面越來越逼近物 理極限，摩爾定律日漸趨緩，傳統計算技術的發展面臨體系性困局。 馮諾依曼架

11、構數據讀寫瓶頸日益凸顯，程序執行時處理器在程序計 數器的指引下順序讀取指令和數據，帶來高延遲、低帶寬等問題。此 外隨著數據量的日益增加，傳統云計算面臨網絡帶寬壓力、服務響應 緩慢、安全與隱私隱患、資源利用率低等諸多挑戰。另一方面，隨著 信息化社會的飛速發展，人類對信息處理能力的要求越來越高，低延 時、低能耗、高性能的計算需求應運而生。多種學科的融合創新發展 與復雜的人類活動催生了諸多新興計算場景， 亟待利用新的計算技術 與模式進行分析與評估。例如，人工智能技術的導入，帶來海量、非 結構化數據存儲與處理需求，同時對計算技術的解釋性、推理能力以 及舉一反三能力等方面均具有較高需求。因此，傳統計算領

12、域供給不 足與需求攀升之間的矛盾愈發突出， 這成為了驅動量子計算技術發展 的重要因素之一。 2 2、量子量子計算計算技術技術突破突破隨著科技巨頭介入隨著科技巨頭介入而而提速提速 基于量子力學的量子信息科學是上世紀最為重要的科學發現之 一，自問世以來先后孕育出原子彈、激光、核磁共振等新技術。近年 來，隨著人類對微觀粒子系統觀測和調控能力的提升，利用量子力學 中的疊加態和糾纏態等獨特物理特性進行信息的采集、 處理和傳輸已 經成為可能。人類對微觀粒子系統的探索從“探測時代”向“調控時 代”邁進，量子信息科學因此迎來新一輪快速發展。在這一輪發展浪 潮中，量子信息技術的突破點集中在量子計算、量子通信和量

13、子測量 等領域。其中，量子通信的技術難度相對較小，產業化進程也最快， 6 目前人類已在積極探索基于衛星或光纖網絡的長距離傳輸和廣域組 網應用。相比之下，量子計算尚未取得關鍵技術突破。然而，伴隨著 近年來國內外科技巨頭的大力布局，量子計算的技術突破大大加速。 例如，近十年內，在 IBM、谷歌等的推動下，量子比特數量的增加速 度明顯加快。尤其在近五年內，由 9 位迅速提升至 72 位，實現了 8 倍提升。此外，圍繞量子計算的產業生態也初具雛形，形成了科研機 構、科技巨頭、初創企業協力研發，各垂直領域企業紛紛布局的發展 態勢。 3 3、量子計算量子計算正正處于技術驗證和原理樣機研制階段處于技術驗證和

14、原理樣機研制階段 迄今為止，量子計算的發展可分為三個階段。一是 20 世紀 90 年 代以前的理論探索時期。量子計算理論萌生于上世紀 70 年代，80 年 代處于基礎理論探索階段。1982 年，Benioff 提出量子計算機概念， Feynman 也提出利用量子系統進行信息處理的設想。 1985 年， Deutsch 算法首次驗證了量子計算并行性。 二是 20 世紀 90 年代的編碼算法研 究時期。1994 和 1996 年，Shor 算法和 Grover 算法分別提出。前者 是一種針對整數分解問題的量子算法，后者是一種數據庫搜索算法。 這兩種量子算法在特定問題上展現出優于經典算法的巨大優勢，

15、 引起 了科學界對量子計算的真正重視。三是 21 世紀以來，隨著科技企業 積極布局， 量子計算進入了技術驗證和原理樣機研制的階段。 2000年， DiVincenzo 提出建造量子計算機的判據。此后，加拿大 D-Wave 公司 率先推動量子計算機商業化，IBM、谷歌、微軟等科技巨頭也陸續開 始布局量子計算。2018 年，谷歌發布了 72 量子位超導量子計算處理 器芯片。2019 年，IBM 發布最新 IBM Q System One 量子計算機，提 出衡量量子計算進展的專用性能指標量子體積，并據此提出了 “量子摩爾定律” ，即量子計算機的量子體積每年增加一倍。若該規 律成立，則人類有望在 10

16、 年內實現量子霸權。 7 圖 5 IBM 量子計算系統開發路線圖（量子摩爾定律） 數據來源：IBM，2019年3月 （三）量子計算的應用展望（三）量子計算的應用展望 當前， 量子計算的產業化仍處于最初階段。 因此， 在未來 5-10 年 內，倘若量子計算技術未能取得跨越式突破，則其市場規模將較為有 限。據 BCC Research 預測，全球量子計算市場規模有望于 2022 年超 過 1.5 億美元，2027 年有望達到 13 億美元。此外，據波士頓咨詢報 告， 預計到 2035 年， 全球市場規模將達到 20 億美元。 從中遠期來看， 若量子計算技術迭代速度超出預期， 則 2035 年的市場

17、規?？赏黄?600 億美元，2050 年則有望接近 3000 億美元。相比之下，當前全球計算 市場的總規模約為 8000 億美元。 量子計算具有經典計算技術難以企及的并行計算能力和信息攜 帶量，有望成為滿足未來計算需求、加速科技創新的新引擎。在可預 期的未來，量子計算機不會完全取代經典計算機，但會依托其在并行 8 計算、量子行為模擬等方面的獨特優勢，在算力需求極高的特定場景 中發揮作用。 例如， 量子計算有望用于基礎科研、 化工、 能源、 材料、 人工智能、 信息安全、 加密通信、 太空探索等領域， 對各國科技創新、 產業發展乃至經濟社會的各個方面帶來顛覆性影響。 從中短期來看，量子計算主要可

18、在量子模擬、量子優化和量子增 強人工智能等方面發揮作用。 量子模擬。在傳統計算中，由于難以精確求解方程，當前的計算 化學方法嚴重依賴近似值。相比之下，量子計算所依賴的量子力學是 自然界最基本的物理原理，因此量子計算天然適于模擬各類物理、化 學過程，能夠在更長時間范圍內準確模擬分子行為，因此能夠大幅提 升建模精度， 在生物藥物、 能源材料、 化工材料等領域提升研發效率、 縮短產品開發周期。例如，在生物醫藥領域，藥物研發的前、中、后 期都需要大量數據計算，尤其在中期環節，需要極高的計算能力以支 撐分子性質模擬和藥品功能設計。 量子優化。優化問題需要從諸多解決方案中找到最優解，對傳統 計算而言，在大

19、規模物流網絡等復雜系統中，設計滿足各種需求的最 優路線的計算量很大。例如，對僅有數百個集散地的物流網絡而言， 而窮盡所有可能性，傳統計算機需要數十億年時間。量子計算則能大 幅提升計算效率，從而在物流運輸、航空旅行、交通管制、金融資產 管理、網絡基礎設施等領域中提升運營效率、減少碳排放等。 量子增強人工智能。 人工智能對算力需求的一大特征即海量異構 數據的并行計算，這也是傳統 CPU 芯片難以勝任，從而導致 GPU、 FPGA、ASIC 等芯片在人工智能領域大受歡迎的原因。如上文所述， 量子計算的超強算力源自量子并行性， 因而其十分適于進行人工智能 所需的并行計算。當前，量子計算已經開始用于提升

20、機器學習在數據 聚類等領域的能力。 9 二、量子計算二、量子計算技術與發展路線圖技術與發展路線圖 量子芯片以及量子算法是研發量子計算機的兩個關鍵技術環節。 量子芯片即為量子計算機的物理實現與硬件系統， 量子算法則是將量 子計算機計算效率最大化的軟件系統。 （一）量子計算（一）量子計算關鍵技術關鍵技術 1 1、量子芯片量子芯片 表 1 量子芯片技術體系對比 技術體系技術體系 品質因數品質因數 超導超導 半導體量半導體量 子點子點 離子阱離子阱 光學光學 量子拓撲量子拓撲 比特操作方式 全電 全電 全光 全光 NA 量子比特數 20 2 20 10 從 0 到 1 的 過程中 相干時間 50us

21、100us 1000s 10us 受拓撲保 護，理論上 可以無限長 兩比特門保真 度 99.4% 92% 99.9% 97% 理論上可以 到 100% 兩比特門操作 時間 50ns 100ns 10us NA NA 可實現門數 103 103 108 NA NA 主頻 20Mhz 10Mhz 100Khz NA NA 業界支持 谷歌、 IBM、英 特爾、耶 魯、ETH 普林斯 頓、代爾 夫特、中 科大 IonQ、 NIST、桑 迪亞國家 實驗室、 中科大 中科 大、 MIT 微軟、代爾 夫特、清 華、北大、 物理所 數據來源：華為公司，2019年7月 將量子力學理論與計算機技術相結合的概念由美

22、國物理學家 Feynman 于 1982 年首次提出。3 年后，英國牛津大學的 Deutsch 團隊 10 對量子計算機的概念進行了進一步闡述， 并提出研究如何由量子邏輯 門構成邏輯網絡是實現通用量子計算機的核心。目前，量子計算的各 類物理體系雖都取得了較大進展， 但未來哪種物理實現系統最終可研 制成通用量子計算機尚無定論。 （1）超導量子計算超導量子計算 超導量子計算利用超低溫“凍結”粒子的運動進而實現粒子狀態 的控制，量子比特有超導相位、超導磁通和超導電荷三種形式。超導 量子計算的核心單元是約瑟夫森結，約瑟夫森結是一種“超導體絕 緣體超導體”的三層結構。利用超導約瑟夫森結來觀測宏觀量子現

23、象最早由 Leggett 于 1985 年提出， 隨后研究人員在超導約瑟夫森結器 件中陸續觀測并實現了能級量子化、量子隧穿、量子態疊加、量子相 干振蕩等現象。 超導量子計算是目前進展最快最好的一種固體量子計算實現方 法。由于超導量子電路的能級結構可通過外加電磁信號進行調控，電 路的設計定制的可控性強。同時，得益于基于現有的成熟集成電路工 藝，超導量子電路具有多數量子物理體系難以比擬的可擴展性。但是 在實現超導量子比特體系過程中，由于量子體系的不可封閉性，環境 噪聲、磁通型偏置噪聲等大量不易操控的自由度導致耗散和退相干。 此外，超導量子系統工作對物理環境要求極為苛刻（超低溫）均是超 導量子計算實

24、現過程中不可避免的問題。 目前谷歌、IBM、英特爾等企業均在積極開展超導量子比特實驗 研究。2018 年 3 月 3 日，谷歌量子人工智能實驗室發布狐尾松 （Bristlecone） 量子處理器。 該處理器可實現 72 個量子比特長度上的 單比特門操縱，單量子比特門最佳保真度 99.9%，雙量子比特門的最 佳保真度 99.4%。 11 圖 6 谷歌狐尾松（Bristlecone）量子處理器 數據來源：TechSpot，2019年7月 （2）半導體量子點半導體量子點 半導體量子點也是基于現有半導體工藝的一種量子計算物理實 現方法。在平面半導體電子器件上制備出的單電子晶體管，其電子服 從量子力學運

25、動規律， 電子自旋的向上和向下組成的系統可作為一個 量子比特。 根據電子的泡利不相容原理， 通過自旋和電荷之間的關聯， 可以通過普通的電子開關（門）對電子自旋進行控制，完成包括單量 子比特操作、 兩量子比特操作及結果的讀出等在內的對電子自旋編碼 的量子比特的各種操作。 半導體量子點體系具有良好的可擴展性， 量子點的原子性質可以 通過納米加工技術和晶體生長技術來人為調控， 比一般的量子體系更 容易集成。此外，半導體量子點的制備可與現有半導體芯片工藝完全 兼容， 因而成熟的傳統半導體工藝可為半導體量子點的技術實現與后 續部署帶來極大便利。 但是半導體量子點體系受周圍核自旋影響嚴重， 面臨退相干以及

26、保真度不足兩大挑戰。 陳瑞亭， 量子計算物理實現體系 ， 電腦知識與技術 ，2015 年 12 月，第 139140 頁。 12 技術進展方面，荷蘭代爾夫特大學的 Kouwenhoven 團隊于 2004 年在半導體器件上首次實現了自旋量子比特的制備。3 年后，代爾夫 特大學的 Vanderspyen 團隊在同一塊半導體量子點器件上實現了量子 比特制備、量子邏輯門操作、量子相干與測量等自旋量子計算的全部 基本要素。2014 年新南威爾士大學獲得了退相干時間 120 微秒、保 真度 99.6%的自旋量子比特。 2017 年， 日本理化研究所在硅鍺系統上 獲得了退相干時間達到 20 微秒、 保真度

27、超過 99.9%的量子比特。 2018 年中國科技大學郭光燦院士團隊制備了半導體六量子點芯片， 并實現 了三量子比特的 Toffoli 門操控，成為國際上首個在半導體量子點體 系中實現的三量子比特邏輯門。 （3）離子阱量子計算離子阱量子計算 離子阱的技術原理是利用電荷與電磁場間的交互作用力牽制帶 電粒子體運動， 并利用受限離子的基態和激發態組成的兩個能級作為 量子比特。盡管離子阱技術本身的發展可以追溯到 1980 年，但是利 用離子阱技術實現量子計算由奧地利奧地利因斯布魯克大學 （Innsbruck） Blatt 實驗室的 Circa 和 Zoller 于 1995 年首次提出。 2003 年

28、，該實驗室實現利用失諧激光束照射和激光冷卻控制非門，同年該 實驗室第一次成功地利用離子阱技術實現了 Deutsch-Jozsa 算法。 離子阱量子計算具有量子比特品質高， 相干時間較長以及量子比 特的制備和讀出效率較高三大特點。然而，離子阱技術目前仍面臨四 大難點：一是離子阱暫時難以儲存多條離子鏈；二是由于外加激光強 度、 頻率及相位的不穩定， 且離子對電場噪聲敏感導致的消相干問題； 三是可擴展性差；四是體積龐大，小型化尚需時日。 目前開展離子阱量子計算技術研究的有 IonQ、NIST、Sandia National Lab、ETH。IonQ 于 2018 年 12 月 11 日公布了兩個新型

29、離子 陳瑞亭， 量子計算物理實現體系 ， 電腦知識與技術 ，2015 年 12 月，第 139140 頁。 13 阱量子計算機，具有 160 個存儲量子比特，可實現 79 個量子比特長 度上的單比特門操縱，11 比特長度上雙比特操縱。保真度方面，單比 特平均保真度 99%，雙比特平均保真度 98%。 圖 7 IonQ 芯片照片 數據來源：ciencemag，2019年7月 （4）光學量子計算光學量子計算 光學量子計算（OQC）是基于測量的量子計算方案，利用光子的 偏振或其他自由度作為量子比特， 光子是一種十分理想的量子比特的 載體，以常用的量子光學手段即可實現量子操作。光學量子計算根據 其物理

30、架構分為兩種： KLM 光學量子計算以及團簇態光學量子計算。 KLM 光學量子計算僅使用單光子、線性光學和測量，允許通過和可 擴展光學量子計算，目前已經實現了光子-光子之間的兩量子位的邏 輯操作。 團簇態光學量子計算由一個高度糾纏的成為團簇態的多粒子 態組成，與單量子測量和前饋相結合，實現可擴展的通用量子計算， 具有降低整體復雜性和放寬測量過程的物理需求， 以及物理資源的更 有效利用等技術優勢。 由于光子與環境相互作用很小，光學量子計算具有相干時間長、 操控手段簡單、與光纖和集成光學技術的相容性，以及簡單的資源可 14 擴展性等優點。但也正是由于光子之間相互作用微乎其微，導致兩量 子比特之間的

31、邏輯門操作難以實現。 技術進展方面， 目前中國研究團隊已經在實驗室產生了同時具備 高系統效率（33%） 、高純度（97%）和高全同性（90%）的高品質單 光子源和基于參量下轉換的 10 光子糾纏。在此基礎上，光學量子計 算的基本操作 （如概率性的控制邏輯門） 和各種算法 （大數分解算法、 數據庫搜索、線性方程組求解算法、機器學習、波色取樣）的簡單演 示驗證也已經實現。 在光學量子計算可集成研究方面， 麻省理工學院、 牛津大學、布里斯托大學、維也納大學、昆士蘭大學等小組基于硅光 子學、鈮酸鋰波導、二氧化硅波導等平臺，通過刻蝕或激光直寫等方 式產生 10 個通道左右的量子線路用于少數光子數的原理性

32、研究。單 光子探測方面，美國國家技術標準局、荷蘭代爾夫特大學等機構以及 可以生產同時具備高探測效率（93%） ，高重復頻率（150MHz）的超 導納米線單光子探測器。 （5）量子拓撲計算量子拓撲計算 拓撲量子計算建立在全新的計算思路之上， 應用任意子的交換相 位，交換過程的“編辮”程序實現量子計算的信息處理。拓撲學研 究幾何形象在幾何元素的連續變形下保持變的性質。 如果構成量子比 特的元素是拓撲不變的， 基于這些量子比特的運算結果也具有拓撲不 變性。由此構造的量子計算對環境干擾、噪音、雜質有很大的抵抗能 力。但拓撲量子計算尚停留在理論層面，實際上還未把這些理論付諸 成器件化的現實。 2 2、量

33、子算法量子算法 與傳統計算機同理，為便于控制并使用通用量子計算機，可利用 量子計算機程序設計語言作為人與量子計算機之間的傳遞信息的媒 方糧，劉汝霖，湯振森，隋兵才，池雅慶， 量子計算機:量子算法與物理實現 ， 計算機工程與科 學 ，2012 年第 34 卷第 8 期，第 3243 頁。 15 介?，F有量子算法一般固化于專用量子計算設備中，如果需要改變量 子算法就必須重新設計量子計算設備。因此，量子計算機程序設計語 言將成為未來通用量子計算機算法實現過程中必不可少的系統軟件。 （1）舒爾算法舒爾算法 1994 年， 美國麻省理工貝爾實驗室數學家彼得 舒爾 （Peter Shor） 提出了一個針對

34、整數分解問題的量子算法，即舒爾算法（Shors Algorithm） 。舒爾算法包含兩個部分：一是將因子分解問題轉化成周 期問題，該部分可以用傳統方式實現；二是使用量子手段來搜尋這個 周期，這一部分是舒爾算法中體現量子加速的主要部分。 大整數分解問題是數論中的經典困難問題， 在舒爾算法提出之前， 沒有已知算法可以在多項式時間內分解大整數分解問題。 著名的公鑰 密碼體制 RSA 正是基于大整數分解問題的困難性來進行加密的。據 微軟研究院的人士估計， 破解 2048 比特強度的 RSA 密鑰可能需要當 今最快的經典計算機耗費 10 億年以上的時間，而運行舒爾算法的量 子計算機只需要不到 100 秒

35、就可以完成。 舒爾算法的提出，不僅對 RSA 密碼體制構成了威脅，更讓人們 認識到，量子計算具有非常強大的計算與應用潛力。從而促使量子計 算機的研究邁上一個新的臺階。 （2）格羅弗算法格羅弗算法 1996 年，同在麻省理工貝爾實驗室的格羅弗提出了格羅弗搜索 算法 （Grovers Algorithm） ， 格羅弗算法的實現基于概率幅放大。 與其 他的量子算法相同，格羅弗算法亦是概率性的。該算法為數據庫搜索 算法，數據庫相當于是一張存有未知函數的所有輸出值的表，以對應 的輸入值為索引。 量子計算的格羅弗搜索算法遠超出了經典計算機的數據搜索速 度， 但不像其他的量子算法可能會比相應的經典算法有指數

36、級的加快， 16 格羅弗算法對許多計算問題的傳統算法呈現平方加速。即便如此，加 速程度也相當可觀， 格羅弗算法可以在大約 264 次迭代內窮舉破解一 個 128 比特的對稱密鑰，在大約 2128 次迭代內窮舉破解一個 256 比 特的密鑰。 （二二）量子計算的發展路線圖）量子計算的發展路線圖 雖然國際上量子計算各種物理實現的原理性驗證發展迅速， 都取 得了較大進展，并且有加速現象，但國際上公認短期內無法實現量子 通用計算機，量子計算發的發展預計將分為近期、中期與遠期三個階 段。 圖 8 量子計算發展路線圖 數據來源：智庫，2019年7月 1 1、近期：量子霸權近期：量子霸權 量子霸權是指量子計

37、算機擁有一項超越現有經典計算機的計算 能力，則可稱該量子計算機實現量子霸權。由于目前具體實現通用量 子計算機仍尚有時日， 但只需實現實用化的專屬目的的量子計算機即 可帶來巨大的學術以及工業價值。 隨著量子計算物理體系研究進展不 斷突破，量子霸權的實現正日益臨近，而稱霸標準也已成為量子計算 領域最為重要的問題之一，玻色采樣即為一種針對光子（玻色子）系 統的量子霸權測試案例。 但量子霸權僅為技術研發初期的的一種特有 概念形式，實現量子霸權離實現真正的量子計算機仍將有很大距離。 17 圖 9 波色采樣示意圖 數據來源：中國科學技術大學，2019年7月 2 2、中期：量子模擬機中期：量子模擬機 量子模

38、擬機利用可控的人造量子系統實現對復雜物理過程的高 效量子模擬。目前業界主流的模擬方案有兩類，一類是存儲量子狀態 的所有振幅，此類模擬方案，基本都在超級計算機上實現，因為存儲 45 比特的量子狀態需要 Petabyte 量級的內存，在存儲這么多數據的 同時對該量子態進行操作并進行計算， 需要不斷地在不同的計算節點 之間交換數據，這樣的通訊開銷對于普通云服務是難以承受的。另一 類對于任意振幅都可以迅速計算得到結果。 任務拆分后可以將子任務 十分均衡地分配到不同節點， 極少的通信開銷使得模擬器適配現在廣 泛提供服務的云計算平臺。 18 圖 10 量子計算模擬平臺架構 數據來源：華為公司，2019年7

39、月 3 3、遠期：通用量子計算機遠期：通用量子計算機 通用量子計算機通過把物理量子比特編碼成邏輯量子比特， 實現 通用的量子計算，最終在大數據處理、人工智能、密碼破譯等領域產 生顛覆性影響。盡管在量子計算的某些領域已經取得了進展，但對于 建造大型無計算錯誤的通用量子計算機，目前仍存在較多技術短板， 尚無法預測其具體的商用時間。 未來通用量子計算機并不會直接替代 經典計算機，甚至可能需要經典計算機來控制它們進行操作，并實現 量子誤差計算修正。因此，通用量子計算機將成為與經典處計算機互 補的特殊設備。 19 三、三、國際國際量子計算量子計算發展現狀發展現狀 （一）主要國家的戰略規劃（一）主要國家的

40、戰略規劃 當前，量子技術研究已成為世界科技研究的一大熱點，世界主要 國家高度關注量子信息技術發展，紛紛加大政策和資金支持，力爭搶 占新興信息技術制高點。 美國從上世紀 90 年代即開始將量子信息技術作為國家發展重點， 在量子相關學科建設、人才梯隊培養、產品研發及產業化方面進行大 量布局，聯邦政府機構對量子計算領域的支持在每年 2 億美元以上。 近兩年來，美國政府頻繁參與量子計算布局。2018 年，美國推出國 家量子計劃法案 ， 計劃撥付更多資金， 全力推動量子科學發展。 2019 年，美國政府發布未來工業發展計劃，將量子信息技術等四大關鍵技 術視為未來科技和產業發展的“基礎設施” ，認為發展量

41、子信息科學 能夠保持美國在全球產業變革中的主導地位。政策上的持續加碼，正 不斷提升量子計算在美國未來發展中的地位。 表 2 美國有關量子計算的政策計劃 年份年份 事項事項 2002 制定了“量子信息科學和技術發展規劃” 2004 制定了量子計算發展的主要戰略步驟和時間安排 2006 創設聯合量子研究所（JQI） ，加大科研力量的融合力度 2007 將量子科技列入戰略規劃，加大政策支持 2009 發布“量子信息科學跨學科研究計劃” 2009 出版量子信息科學的聯邦愿景 2014 創設量子信息和計算機科學聯合中心（QuICS） 20 年份年份 事項事項 2015 將量子信息科學列入戰略投資領域 2

42、015 提出 2015-2030 財年量子信息科學研發目標與基礎設施建設目標 2016 發布推進量子信息科學發展：美國的挑戰與機遇 2016 發布與基礎科學、量子信息科學和計算交匯的量子傳感器 2016 海陸空三軍量子科學與工程制造項目（QSEP） 2016 推進工程中通信量子信息研究（ACQUIRE）項目 2018 編制美國國家量子信息科學戰略概述 ，提出了美國量子信息 科學發展的四大目標、六大舉措 2018 簽署國家量子計劃法案 ，將制定量子信息長期發展戰略，未 來 5 年向量子相關研發領域投入 12 億美元資金 2019 發布未來工業發展規劃，將量子信息科學視為美國未來科技和 產業發展的

43、四大“基礎設施” 數據來源：智庫，2019年7月 歐盟在上世紀 90 年代即發現了量子計算的巨大潛力，開展相關 的合作研究。進入 21 世紀，歐盟從戰略層面推出相關的規劃及技術 標準，力圖率先在量子計算上取得突破，成為未來歐盟技術發展戰略 的基石。 英國、德國和荷蘭等國也出臺了針對量子計算、量子通信等量子 技術的支持計劃。英國已啟動“國家量子技術計劃” ，計劃投資超過 10 億英鎊建立量子通信、 傳感、 成像和計算四大研發中心， 推動產學 研合作；德國提出“量子技術從基礎到市場”框架計劃，希望推 動實現量子技術的產業化發展；荷蘭已制定了 10 年期量子計算發展 21 計劃。 表 3 歐洲有關量

44、子計算的政策計劃 年份年份 國別國別 事項事項 2013 英國 建立了量子計算研究院 2014 英國 制定 5 年量子技術計劃，每年投入 2.70 億英鎊支持量子技 術產學研發展 2015 英國 發布英國量子技術路線圖 ，將量子技術上升為影響未來 國家創新力和國際競爭力的重要戰略 2015 荷蘭 制定了 10 年期量子計算發展計劃 2016 歐盟 發布量子宣言（草案） ，明確了發展重點 2016 英國 制定量子技術勞動力培訓計劃，加強人才支撐 2016 德國 宣布 QUTEGA 計劃，將投資 6.5 億歐元 2017 英國 發布量子技術：時代機會 ，提出建立一個政府、產業、 學界之間的量子技術

45、共同體 2018 歐盟 啟動“量子技術旗艦計劃”，將為從基礎研究到工業化，為 整個歐洲量子價值鏈提供資助 數據來源：智庫，2019年7月 日本于 2001 年起開始量子技術的布局，將該技術作為重點開發 研究之一。 2013 年， 日本成立量子信息和通信研究促進會以及量子科 學技術研究開發機構，將在未來 10 年投入 400 億日元支持量子技術 研發。 2017 年 2 月， 日本量子科技委員會發表了名為 關于量子科學 技術的最新推動方向的中期報告，為未來日本在量子科學技術領域 22 的發展明確了方向。 韓國重點發展量子通信領域，于 2014 年發布量子信息通信中 長期推進戰略 ，目標為在 2020 年成為全球量子通信領先國家，在量 子通信領域的積累使得韓國在量子計算領域已具備部分發展基礎。 表 4 日本、韓國有關量子計算的政策計劃 年份年份 國別國別 事項事項 2001 日本 將量子通信技術列入國家級高技術研究開發計劃 2011 日本 下設“光量子束研發作業委員會” 2014 韓國 發布量子信息通信中長期推進戰略 2015 韓國 電信運營商 SKT 開始分階段建設境內量子通信網絡 2016 日本 將“光量子技術”列入第五期科學技術基本計劃 （2016-2020） 的核心基礎技術 2017 日本