量子計算

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”。量子計算利用諸如疊加和糾纏等量子現象進行計算，它是一種革命性計算技術。這些量子現象遵循量子力學規律通過調控量子信息單元實現，主要以量子比特為基本單位，通過量子態的受控演化實現并行計算，在某些計算困難問題上提供指數級加速。

原理特性：以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉等原理實現并行計算，在某些計算困難問題上可能提供指數級加速。

發展定位：為計算困難問題提供高效解決方案，實現突破經典計算極限的算力飛躍。量子計算與經典計算長期并存，相輔相成。

前景：基于含噪聲中等規模量子處理器(NISQ) 和云平臺探索具備實用化價值的應用算例。長期前景是大規?？删幊倘蒎e量子計算機及其應用。

量子計算機基于量子力學原理構建，用于處理和計算量子信息，運行量子算法。量子計算機與經典計算機在基本單位、運算模式和計算能力上存在明顯區別。

(1)基本單位：經典計算機信息的基本單元是比特，比特是一種有兩個狀態的物理系統，用0與1表示。在量子計算機中，基本信息單位是量子比特(qubit)，用兩個量子態│0>；和│1>；代替經典比特狀態0和1，每個量子比特的狀態是0或1的線性組合(通常稱為疊加態)。

(2)運算模式：經典計算機的運算模式為逐步計算，一次運算只能處理一次計算任務。量子計算為并行計算，因此量子計算機可以同時對2^n個數進行數學運算，相當于經典計算機重復實施2^n次操作。

(3)計算能力：在經典計算中，計算能力與晶體管數量成正比例線性關系；量子計算機中算力將以量子比特的指數級規模拓展和爆發式增長。

賽迪智庫《2019年量子計算發展白皮書》顯示，量子計算的基本單位是量子比特，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、容錯型通用量子計算。

量子計算機的計算過程一般分為分為數據輸入、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。

根據賽迪智庫《2019年量子計算發展白皮書》，量子計算的特點有

(1)并行計算能力更強。一般地，描述n個量子比特的量子計算機需要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。

(2)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小( 數納米)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。

根據賽迪報《2021量子計算技術創新與趨勢展望》，量子計算發展至今，共經歷五個時期，分別是1982-1993理論概念構想期、1994-2006實踐成果初探期、2007-2013研究開發活躍期、2014-2019商業價值孵化期、2020-以后技術應用躍升期

1982-1993理論概念構想期

1982年，Richard Feynman提出利用量子體系實現通用計算的想法，即量子計算的早期概念構想。1985年，David Deutsch提出了量子圖靈機模型，使得通用量子計算機的構建更加清晰。1992年，Deutsch Jozsa提出了D-J量子算法，這是量子并行計算理論的基石。

1994-2006實踐成果初探期

1994年，Peter Shor提出Shor算法，對RSA等在內的加密算法和系統造成了威脅，成為量子計算的核心突破。1995年，Benjamin Schumacher第一次提出了量子比特信息學上的概念，并創造了“量子比特”(qubit)的說法。1996年，Lov Grover提出了Grove量子搜索算法，該算法被公認為繼shor算法后的第二大算法。1998年，Bernhard Omer提出量子計算編程語言，拉開了量子計算機可編程的序章。

2007-2013研究開發活躍期

2007年，D-wave Systems實現了歷史上第一臺商用量子計算機。宣布研制成功16量子比特的量子計算機——“獵戶座”(Orion)。2009年，Harrow、Hassidim、Lloyd提出HHL量子算法。該算法在特定條件下實現了相較于經典算法的指數加速效果，將在機器學習、數值計算等場景有優勢體現。

2014-2019商業價值孵化期

2014年，Google建設“Google量子人工智能實驗室”，自此專營量子計算的創業公司開始出現。2016年8月16號，墨子號量子科學實驗衛星成功發射升空。2019年1月，IBM公司發布世界上首個商用集成量子計算系統：IBM Q System One，這一新系統對于在實驗室外擴展量子計算至關重要。2019年，谷歌發布論文稱已經利用一臺53量子比特的量子計算機，證實了量子計算機性能超越經典計算機，成為量子計算領域發展的標志性事件，刺激了全球科技巨頭和初創企業的進一步投入與競爭。

2020-以后技術應用躍升期

未來，隨著量子物理比特數量和質量的提升，預計到2030年，基于百位量級量子物理比特，在含有噪聲，即未實現量子糾錯的條件下，探索開發相關應用和解決特定計算困難問題。到2050年，有望實現通用量子計算機，提高量子比特的操縱精度使之達到能超越量子計算苛刻的容錯閾值(>；99.999%)，并進一步面向更廣泛的應用場景。

量子計算依賴量子比特，根據實現量子比特的制備操控方案的不同，當前量子計算其存在超導、離子阱、硅基半導體和光量子多種技術路線，目前尚未出現壓倒性的技術，處于多技術并行狀態。

(1)超導量子芯片：超導量子計算是基于超導電路的量子計算方案，其核心器件是超導約瑟夫森結。超導量子電路在設計、制備和測量等方面，與現有的集成電路技術具有較高的兼容性，對量子比特的能級與耦合可以實現非常靈活的設計與控制，極具規?；臐摿?。由于近年來的迅速發展，超導量子計算已成為目前有希望實現通用量子計算的候選方案之一。超導量子計算實驗點致力于構建一個多比特超導量子計算架構平臺，解決超導量子計算規?；慨a中遇到的難題。

(2)核自旋量子計算：1997年，斯坦福大學的Chuang等人提出利用核磁共振來進行量子計算的實驗，之后，基于核自旋的量子計算迅速發展，Grover搜索算法和七比特Shor算法相繼在核自旋上實現。迄今為止，它的單比特和兩比特保真度可以分別達到99.97%和99.5%。這種方法一般是利用液體中分子的核自旋進行實驗，由于分子內部電子間復雜的排斥作用，不同的核自旋具有不同的共振頻率，因而可以被單獨操控；不同的核自旋通過電子間接發生相互作用，可以進行兩比特操作。下圖是一種用于核磁共振實驗的分子，里面的兩個C原子用13C標記，加上外面5個F原子，它們7個構成實驗用的7個比特，表中是比特頻率、相干時間和相互作用能。

(3)離子阱量子計算：離子阱量子計算在影響范圍方面僅次于超導量子計算。早在2003年，基于離子阱就可以演示兩比特量子算法。離子阱編碼量子比特主要是利用真空腔中的電場囚禁少數離子，并通過激光冷卻這些囚禁的離子。離子阱的讀出和初始化效率可以接近100%，這是它超過前兩種比特形式的優勢。單比特的操控可以通過加入滿足比特兩個能級差的頻率的激光實現，兩比特操控可以通過調節離子之間的庫倫相互作用實現。

(4)半導體量子芯片：由于經典計算機主要基于半導體技術，基于半導體開發量子計算也是物理學家研究的重點領域。相比超導量子計算微米級別的比特大小，量子點量子比特所占的空間是納米級別，類似于大規模集成電路一樣，更有希望實現大規模的量子芯片?，F在的主要方法是在硅或者砷化鎵等半導體材料上制備門控量子點來編碼量子比特。編碼量子比特的方案多種多樣，在半導體系統中主要是通過對電子的電荷或者自旋量子態的控制實現。

(5)原子量子計算：除了利用離子，較早的方法還包括直接利用原子來進行量子計算。不同于離子，原子不帶電，原子之間沒有庫倫相互作用，因此可以非常緊密地連在一起而不相互影響。

(6)拓撲量子計算：拓撲量子計算是一種被認為對噪聲有極大免疫的量子計算形式，它利用的是一種叫做非阿貝爾任意子的準粒子。為了實現量子計算，首先要在某種系統中創造出一系列任意子-反任意子，然后將這些任意子的兩種熔接(fusion)結果作為量子比特的兩個能級，再利用編織(braiding)進行量子比特的操控，最后通過測量任意子的熔接結果得到比特的末態。這一系列操作對噪聲和退相干都有極大地免疫，因為唯一改變量子態的機制就是隨機產生的任意子-反任意子對干擾了比特的編織過程，但這種情況在低溫下是非常罕見的，噪聲和其他量子比特系統常見的電荷等相比，影響是非常小的。

根據中國信通院信息技術行業《2020年量子信息技術發展與應用研究報告(2020年)》量子計算軟件大致可分為底座型基礎運行類軟件、中臺型計算開發類軟件和門戶型應用服務類軟件等三種不同類型。

(1)基礎運行類軟件基于硬件設計實現基礎軟件功能，包括量子邏輯門、量子電路、量子模擬加速組件、量子編譯器和量子測控器等，是量子計算軟件技術發展核心，也是上層軟件開發和應用功能的實現基礎。技術門檻高，專業人才匱乏，目前僅少數高端測控或精密儀器類型企業布局參與，軟件類型較為稀缺，處于發展初期。

(2)計算開發類軟件通過封裝基礎組件實現開發功能，包括量子編程語言、量子算法庫、量子計算GUI和量子計算SDK等，定位于提供量子計算軟件技術應用開發平臺。編程框架及開發庫主要以開源項目方式呈現，軟件體量大，應用生態建立逐步開展。目前，科技巨頭利用產業生態位優勢，聯合.上下游企業與用戶，積極開展相關布局和開源社區建設，正在快速迭代，產業參與度高發展活躍。

(3)應用服務類軟件通過上層編程開發，探索面向不同應用領域的業務與服務軟件，包括分子化學、網絡搜索、智能識別、量化金融、材料設計和機器學習軟件等。應用服務類軟件定位于匹配行業應用需求，開展計算困難問題建模，體現量子計算的算力優勢，是量子計算階段開展實用化探索的關鍵。應用軟件研發多以量子計算和行業應用企業合作的方式開展，目前處于開放探索階段。

2006/02國務院《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》重點研究量子通信的載體和調控原理及方法，量子計算，電荷-自旋-相位-軌道等關聯規律以及新的量子調控方法，受限小量子體系的新量子效應，人工帶隙材料的宏觀量子效應。

2011/07科技部《國家“十二五“科學和技術發展規劃》突破光子信息處理、董子通信、量子計算、太赫茲通信、新型計算系統體系、網構軟件、量數據處理、智能感知與交互等重點技術，攻克普適服務、人機物交互等核心關健技術。

2015/05國務院《中國制造2025》全面突破第五代移動通信(5G)技術、核心路由交換技術、超高速大客量智能光傳輸技術、“未來網絡”核心技術和體系架構，積極推動量子計算、神經網絡等發展。

2016/03全國人大《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》

將量子通信和量子計算機列為科技創新2030——重大科技項目之一。

2016/05國務院《國家創新驅動發展戰略綱要》前瞻布局新興產業前沿技術研發，力爭實現“彎道超車”。開發移動互聯技術、量子信息技術、空天技術，推動增材制造裝備、智能機器人、無人駕駛汽車等發展。

2017/05科技部、教育部、中科院、國家自然科學基金委員會《“十三五”國家基礎研究專項規劃》量子計算機研究解決大尺度量子系統的效率問題，研發量子系統、量子芯片材料、結構與工藝、量子計算機整體構架以及操作和應用系統，實現量子信息的調制、存儲、傳輸和計算，最終實現可實用化的量子計算機原型機。

2017/08科技部、軍委科技委《“十三五”科技軍民融合發展專項規劃》積極推動天地一體化信息網絡、量子通信與量子計算機、腦科學與類腦研究等新一輪軍民融合重大科技項目論證與實施。

2018/01國務院《國務院關于全面加強基礎科學研究的若干意見》優化國家科技計劃基礎研究支持體系，拓展實施國家重大科技項目，加快實施量子通信與量子計算機、腦科學與類腦研究等“科技創新2030-重大項目”。

2018/07中央辦公廳、國務院辦公廳《金融和重要領域密碼應用與創新發展工作規劃(2018-2022年)》大力推動密碼科技創新，加強密碼基礎理論、關健技術和應用研究，促進密碼與量子技術、云計算、大數據、物聯同、人工智能、區塊鏈等新興技術融合創新。

2020/10中央政治局第二十四次集體學習量子科技發展具有重大科學意義和戰略價值，是一項對傳統技術體系產生沖擊、進行重構的重大顛覆性技術創新，將引領新一輪科技革命和產業變革方向。

根據光子盒《2022全球量子計算產業發展報告》，從行業上來說，量子計算的潛在應用領域繁多，主要包括供應鏈、金融、交通、物流、制藥、化工、汽車、航空、能源、氣象等領域。

制藥、化工、新材料:量子計算可模擬分子特性，有望通過計算機數字形式直接幫助研究人員獲得大型分子性狀，縮短理論驗證時間，極大地推動制藥行業藥品研發和開發新型材料。

金融:量子計算非常適合復雜的金融建模，在投資組合定價、衍生品定價等方面具有潛在優勢。據不完全統計，全球已有超過25家國際大型銀行及金融機構與量子計算企業開展合作研究。

交通、物流、供應鏈:這三個領域均涉及量子計算優化，利用量子計算優化供應鏈、交通(包括飛機、火車、汽車等)線路和物流，從而降低成本。

航空:量子計算有助于解決航空行業面臨的一些最嚴峻的挑戰，從基礎材料科學研究、機器學習優化到復雜的系統優化，而且有可能改變飛機的制造和飛行方式。

能源:量子計算有可能應用于模擬碳氫化合物井中各種類型粘土的化學成分和累積，這是高效碳氫化合物生產的關鍵因素；分析和管理風電場的流體動力學；優化自主機器人設施檢查；并幫助創造前所未有的機會，提供世界想要和需要的清潔能源。2021 年2月，英國BP公司與IBM Quantum展開合作，探索提高能源利用效率和減少碳排放。

汽車:近年來各大汽車廠商加快推進電動化戰略。推進電動化戰略過程中，量子計算將發揮其在化學模擬的優勢，多家汽車廠商正致力于利用量子計算技術來研發性能更好的電池。

氣象:量子計算可以有效和快速處理包含多個變量的大量數據，而且，并行計算和不斷優化的算法，可促進對氣象條件的跟蹤和預測，有助于提高天氣預報的準確性。此外，量子計算機還可通過機器學習來識別和理解不同的天氣模式。

參考資料：

賽迪智庫：2019年量子計算發展白皮書(40頁).pdf

量子通信與量子計算量子應用新領域低成本算力無極限（36頁）.pdf

賽迪報告：2021量子計算技術創新與趨勢展望（18頁）.pdf

國信通院信息技術行業：2020年量子信息技術發展與應用研究報告（2020年）（71頁）.pdf

光子盒：2022全球量子計算產業發展報告（158頁）.pdf

騰訊研究院：量子計算應用、布局與未來發展分析報告2020（22頁）.pdf

CB-Insights：五大科技巨頭的量子計算展望（英文版）（72頁）.pdf