量子計算政策發展與應用研究綜述

【關鍵詞】量子計算? 國家級政策? 國家安全? 商用價值

【中圖分類號】G323? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標識碼】A

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

引言

20世紀初，科學家利用、控制宏觀量子行為，開啟了“第一次量子革命”，以半導體、激光、超導等為代表的重要信息技術相繼問世，促使材料、醫學、化工等領域取得跨越式進展，人類社會生產力水平進入新層次。21世紀以來，操控量子行為已進入微觀物理體系（電子、光子等），結合計算機科學原理，實現信息獲取、處理和傳輸的量子信息技術開啟了“第二次量子革命”的大門。

在量子信息技術領域，量子計算以其并行計算能力和天然模擬原子、分子演進等特性，存儲數據能力強、執行運算速度快等核心優勢（一稱“量子霸權”），成為突破經典計算極限的重要技術。量子計算技術及其應用的極高戰略價值已得到權威機構和行業專家的認可：結合人工智能、大數據分析、區塊鏈等高新技術，量子計算有望為當前智能制造、金融分析、新材料研發、生物醫療、物聯網等領域的商業格局帶來革命性轉變。

為全面分析發展量子計算的必要性與重要性，本文集合近年來世界范圍內發布的重要量子計算國家戰略政策，并簡要說明政策推動下的各主要國家量子計算企業發展概況。在此基礎上，以目前的應用案例，探討量子計算產業化對人類社會技術突破與行業進步的意義。這對我國量子計算支持政策制定及相關舉措落地有一定借鑒意義，從而能對我國量子計算產業及其應用的未來發展產生一定積極影響。

量子計算的基本原理與商用價值

當今大眾普遍使用的經典計算基本單位為比特，比特以二進制的數字電子方式進行運算，而二進制總是處于0或1的確定狀態。量子計算則完全不同，其基本計算單位為量子比特，具有獨特的疊加性（superposition），包含0和1同時存在的疊加態。因此，相同數量的n個比特與n個量子比特，相比于前者的n級算力，后者可實現算力2n級指數提升。當前，用于制備和操控量子比特從而實現量子計算的國際主流技術路線，即物理體系，共有5種，分別為：半導體、超導、離子阱、拓撲、光量子。5種量子物理體系為不同國家的各類量子計算企業所采用，難分高下，但研究各物理體系的共同目標均為不斷提高可操控量子比特數量，并在解決各類計算問題中保持穩定高效。

雖然量子計算技術仍處于基礎研發階段，已問世的量子退火機與含噪聲中型量子計算機也專用于解決特定問題，但從研制容錯通用量子計算機的核心目標延展，量子芯片、量子控制系統與操作系統、量子算法、量子云平臺、量子應用等全棧開發產品已逐步發展成熟，并形成完整體系。國際權威咨詢機構對全球量子計算市場規模的預測也呈現較樂觀并看好其未來潛力的態勢。2019年1月，世界四大會計事務所之一的德勤會計事務所發布研究報告稱，未來十年，含噪聲中型量子計算機市場的年均價值體量為數億美元;未來二十年，通用量子計算機市場的年均價值體量為500億美元。[1]美國戰略管理咨詢領域先驅企業——波士頓咨詢作出與前述數據體量相類似的同時期預測：到2035年，保守與樂觀估計的量子計算機市場規模分別為20億美元和600億美元。[2]

綜上，可以對量子計算商用發展階段作出如下簡要預計：2021～2030年，量子計算商用化起步，量子計算機面向特定用戶銷售;2030年后，量子計算進入全面商用化時期，結合大數據、機器學習、人工智能等高科技，在各類數據處理及分子研究相關應用領域產生實際價值。

各國量子計算支持政策

雖然量子計算仍在突破重要技術關卡，全面商用化也尚待時日，但全球科技領先強國及組織早已將量子計算列入科技進步重點清單，其產業化布局業已展開，可追溯至21世紀初。其中，代表國家為美國。2002年，美國《量子信息科學與技術規劃》叩響了量子技術科學大門。[3]2016年9月，美國聯邦政府對量子信息科學的年度研發投入額就已高達2億美元左右。[4]2018年12月，美國《國家量子計劃法案》頒布，該計劃為期10年，其中2019年至2023年，投入經費將從2億美元一路飆升至12.75億美元，并由國家量子協調辦公室統籌全國研發力量，形成產學研協同創新機制。[5]

美國政府對量子計算技術的巨額投入也促使其科技巨頭公司在量子計算業務板塊持續推進應用深度。目前，谷歌代表了全球量子計算技術最前沿水平，IBM與微軟則通過構建、拓展量子計算產業聯盟，將量子計算商用程度提升至新高度，其聯盟成員目前已覆蓋來自電子、金融、保險、生物制藥、建工、化工、醫療、航空零件、軍工等行業的百余個公司。

2016年3月，在大西洋另一側，《量子宣言（草案）》作為歐盟800億歐元科技創新研發計劃“地平線2020”的組成部分，被歐盟委員會成員呼吁盡早實施，以建立歐洲量子產業，增強歐洲量子研究科學實力與跨領域應用能力，樹立歐洲全球量子技術領導者地位。2018年11月，宣言中的“量子技術旗艦計劃”正式啟動，為期10年，總額10億歐元。該計劃同時與建議預算達941億歐元的“地平線歐洲計劃”及92億歐元的科研資助計劃——“數字歐洲計劃”相互協調補充。可見，“量子技術旗艦計劃”開展過程中的研發經費保障充足。

歐盟積極的戰略計劃也為其各主要成員國制定符合本國技術水平及前景的政策定下了良好基調。英國于2014～2019年間投資2.7億英鎊，實施國家量子技術計劃（NQTP）第一階段。2020年實施NQTP計劃的第二階段，預計總投資達10億英鎊。德國的步調則與歐盟基本同步，該國政府于2016年發布了名為QUTEGA的國家量子計劃，在2018年正式啟動該計劃，投資總額約6.5億歐元。弗勞恩霍夫協會——德國及歐洲最大的應用科學研究機構以及尤利希超算中心是推動德國量子計算技術發展的兩大核心機構。2019年10月，荷蘭發布了名為Quantum Delta NL（簡稱QΔNL）的量子計劃書。根據QΔNL中的資金投入計劃，2020～2030年，荷蘭每年將投入1.02億歐元用于產學研機制共同作用下的量子計算技術與產品研發，投資總額約10億歐元。除歐盟國家外，俄羅斯在2019年年末宣布其《國家量子行動計劃》，目前計劃有效期為2020～2025年，國家投資總額約7.9億美元。[6]

歐洲比較具有代表性，在量子計算研究領域深耕多年的大型公司為諾基亞（Nokia）與源訊（Atos）。前者是貝爾實驗室的母公司，實驗室開發的量子算法先進性與IBM、谷歌和微軟在同一梯隊;后者則開發了被譽為“世界性能最高的商用量子模擬器”的Atos量子學習機，使用客戶跨美國、丹麥、印度、德國、荷蘭、英國等國家。

在亞太地區，澳大利亞聯邦政府已于2017年發布《2030戰略規劃》，將發展量子計算技術作為2030年中長期創新戰略規劃的重要方向之一。我國鄰國日本與韓國對量子計算的關注亦由來已久。“光量子技術”成為日本政府的國家級科學技術基本計劃可追溯至2016年;到2019年12月，日本政府又與美國正式簽署《東京量子合作聲明》。[7]2019年2月，韓國政府宣布啟動投資額達445億韓元的《量子計算技術五年發展計劃》，并已于當年投入60億韓元用于軟硬件產品研發。[8]

亞太地區典型的量子計算技術巨頭企業為日本富士通與日立公司。前者自主研發的量子計算芯片已具備量產條件，且致力于實現高達1000個量子比特的超導量子計算機;后者早在2015年即宣稱成功研制專用量子退火機，2019年9月，日立在國際專利檢索系統上公開的量子計算專利為76件，處于亞太地區領先地位。

與國際主流趨勢基本一致，我國的量子信息與量子計算國家級支持政策亦陸續出臺，形成國家–地方的完整體系。在《“十三五”國家科技創新規劃》（國發〔2016〕43號）與《“十三五”國家基礎研究專項規劃》（國科發基〔2017〕162號）中，“量子計算產業”與“量子計算機”均作為科技與產業重大發展方向被提及。[9]2019年12月出臺的《長江三角洲區域一體化發展規劃綱要》再次指出，要加快培育布局一批量子信息等重點領域未來產業。

地方上，北京市、上海市、廣東省、安徽省、山東省、浙江省等科技創新實力較強省市也先后將發展量子計算等量子信息技術寫入“科技創新‘十三五規劃”、“產業發展規劃”及“重大研發計劃”等重要指導性文件中。2019年9月，濟南市政府正式印發《濟南市加快建設量子信息大科學中心的若干政策措施》（濟政發〔2019〕15號）。作為我國首個地方級專項政策，該措施中用于人才支持的年度經費達600萬元，支持高端科技研發機構或分支機構成立運營的經費最高可達1億元。[10]在中部創新名城合肥市，安徽省科技創新“一號工程”——總投資達1000億的中國科學院量子信息與量子科技創新研究院正在建設中。

我國各級政府對量子計算產業發展的支持政策促使知名科技公司著手技術研究和商用開發等工作。目前，阿里巴巴、百度、騰訊、華為均已招募專業團隊，建立相關實驗室或研究所，投入巨額經費研發量子軟硬件產品。除上述企業外，我國量子計算初創企業尚未發展完全并形成規模優勢，目前僅有本源量子1家公司進行全棧式開發。

量子計算的跨領域應用案例

量子計算構建起的新一代計算體系，在處理海量數據并行運算，以及模擬原子、分子演進方面具有得天獨厚的優越性：前者可用于人工智能、金融建模、密碼解析等方面;后者可優化目前生物醫藥、材料化工、能源開發的計算模擬方式。下面，本文將展示量子計算結合國家安全、金融工程和化學的現實應用案例，從一定程度上說明量子計算具有廣闊且光明的發展前景。

量子計算+國家安全。2018年8月，美國保守派智庫哈德遜研究所發布題為《Quantum Computing： How to Address the National Security Risk》的研究報告。報告指出，一旦通用型量子計算機成功問世，或專用量子計算機達到300個量子比特可控的計算力，攻破現今通用的公鑰加密系統是轉瞬之間的易事。[11]如此一來，國家級機密信息、各類公司的商業機密以及公民的隱私信息等加密數據將毫無秘密可言，重要的軍事、民生基礎設施及金融系統等國家政治、國防、經濟命脈也將不堪一擊。因此，量子計算機對國家安全，既可成為造成嚴重威脅的“矛”，亦可轉變為重構加密體系的“盾”。

以國防軍事為代表，美國國家安全領域的專用量子計算技術布局早，發展迅速，主要體現在巨額研發資金支持及創新產學研協同機制上。據公開報道稱，2010年，美國國家標準與技術局花費1030萬美元組建高級量子科學實驗室，用于支持美國國家安全局、國防高級研究計劃局、情報高級研究計劃局的工作;2014年，美國國家安全局又投入7970萬美元用于量子計算機研發。目前，IBM、谷歌等公司的專用量子計算技術研發，也得到了美國陸軍研究辦公室等國防機構的經費支持。除直接的資金投入外，美國國防機構亦廣泛開展與專業技術研究部門的深層次協同合作：美國國家安全局會同馬里蘭大學建立了聯合量子研究院，美國海軍水面作戰中心達爾格倫分部也與華盛頓大學進行了量子干涉效應的軍事應用等一系列獨立應用研究項目合作。另外，美國著名軍工企業洛克希德·馬丁（Lockheed Martin）與霍尼韋爾（Honeywell）業已培養專業量子計算應用研發團隊。前者不僅是谷歌與D-Wave Systems（加拿大量子計算公司）量子應用、專用量子計算機業務線上的千萬美元級客戶，還與南加州大學共建量子計算研究中心，研究專用于先進武器裝備建模與模擬、軍用飛機設計改進、軍事物資運輸線路優化及高維度戰場大數據的實時處理與態勢分析的軍用量子算法與軟件。

量子計算+金融工程。隨著手機銀行、各類支付平臺、理財、網貸等數字化金融服務普及，基于安全可靠性的差異化金融服務對計算能力提出了更高要求。量子計算在此領域的多項業務中，已表現出非凡的商用潛能。

資產和風險管理：管理金融投資組合需要基于技術大數據，精確分析從而擬定各種投資策略，其中的計算規模和大數據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：此業務的核心需求為快速分析大量數據并執行交易策略的能力。在速度上，量子算法要比常規算法快得多。

欺詐檢測：通過特定的量子人工智能算法模型與應用，以機器學習算法訓練神經網絡的學習速度和理解力水平，可有力打擊目前日益猖獗、手段多樣的欺詐活動并減少數據泄露。

在國際范圍內，量子計算與銀行金融業的合作案例目前在北美洲、歐洲及亞太地區均有體現，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銀行、西班牙金融服務公司CaixaBank及澳大利亞聯邦銀行。2019年9月，摩根大通被標準普爾評為美國最大銀行，[12]以2.73萬億美元的總資產額度，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于金融計算能力提升的需求十分迫切，這促使其于2017年加入IBM量子計算產業聯盟Q Network，與IBM的量子計算研究團隊合作開發新型算法。據悉，兩家公司正在開發的一種量子算法，將可能實現一種計算要求極高的金融工具——派生定價的二次加速，即經典計算機經10，000次模擬才能實現的定價，在量子計算機上僅需要進行100次量子運算。[13]根據摩根大通的預計，此算法的成功研發將降低總計算成本，并幫助公司實時管理財務風險。

2019年8月，加拿大蒙特利爾銀行和豐業銀行發布了與澳洲量子計算和人工智能創業公司Xanadu的合作成果——應用于金融領域的量子蒙特卡洛算法，這種算法有助于提升金融交易產品的計算效率。據Xanadu公司公開發布的消息，量子蒙特卡洛算法在其自有的量子模擬器上的測試仿真結果表明，當此算法在商用量子計算機上運行時，與經典計算力相比，衍生品定價及實時定價等金融行為的處理效率可顯著提升，并大幅降低計算所需的電力消耗。

2019年9月，西班牙金融服務公司CaixaBank成功完成量子計算模擬項目——一個抵押貸款投資組合和一個國庫券投資組合的風險分析，效果可觀。2019年11月，澳大利亞聯邦銀行數據科學家披露該銀行正在與美國量子計算創業公司Rigetti Computing合作，基于聯合構建的專用量子模擬器軟件系統，進行量子優化投資組合再平衡策略實驗，推動各類用戶開發財務運營應用程序的進程，包括但不限于風險管理與分析、交易、投資組合優化及安全性提升等金融領域各項業務。

量子計算+化學。化學在現代社會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，都離不開不斷進步的化學技術。量子計算因其天然模擬原子、分子演進的特性，與化學基礎自然融合。目前，有關量子化學應用的研究已在國內外廣泛開展，并取得一定成果。

首先，量子計算可用于農業領域中的氨肥制造工藝改進。氨肥是現今世界范圍內使用的農用化肥，但氨肥不是自然產物，而是氮、氫人工合成氨。20世紀“哈布二氏法”的發明極大提高了氨肥生產效率，但同時，其高溫高壓合成過程無法避免極高能耗的缺陷。目前，國際科研團隊將進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菌的催化過程之上。固氮細菌中有效的固氮酶分子不需高溫高壓條件，即可通過復雜的催化過程，將氮氣轉化為氨，極大降低了能量成本，但固氮酶的轉氨催化組合數量之大令超算機難以駕馭。

2019年，谷歌使用量子計算糾錯設備模擬了固氮酶活性中心——鐵鉬輔基（FeMoco）的催化過程。這次實驗使用了一百萬個以上的量子比特執行相關計算，邁出了改良“哈布二氏法”工藝，提高能源密集型化肥工業效率的關鍵一步。這不僅是一項商業突破，從長遠意義層面上看，量子計算所提升的農用化肥生產工藝亦有助于滿足地球75億人口的食物量需求并應對氣候變化影響。

其次，量子計算目前也已用于電動汽車高性能電池的研發工作，特別是電化學材料模擬。早在2018年，大眾汽車在德國慕尼黑成立專業研發中心，利用谷歌及D-Wave Systems的量子計算機資源，改進電動汽車電池開發流程和系統算法，具體包括：縮短開發周期，減輕電池重量并提高其能量密度，以及實現電池模塊的高效組裝等。目前已公開的報道稱，大眾汽車已成功利用量子計算機模擬了氫化鋰（LiH）和碳鏈等關鍵分子，正向更復雜的化合物模擬的方向邁進。[14]另外，2020年1月，IBM公開表示，其量子應用團隊正與戴姆勒公司（奔馳母公司）開展新一代電動汽車鋰硫（Li-S）電池建模的聯合研究工作，相比于目前通用的鋰離子電動汽車電池，新一代鋰硫電池具備更高能效、續航時間更長、造價更低廉等優勢。IBM披露的最新工作進展為借助21個量子比特與7個量子比特的計算機，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，這是公開報道的第一次成功在量子計算系統上實現分子偶極矩模擬計算。

最后，量子計算的分子模擬功能還可以應用在制藥行業，例如：優化有效分子組合，節省藥物研發成本，縮短研發時間;改進差異化基因分析排序，從而為個人定制藥物及醫療保健方式、精確預測常用藥的各類不良反應等開辟道路;模擬各類蛋白質折疊復雜序列，發現正確狀態，為蛋白質-藥物組合解釋各種可能性。目前，專注于量子計算技術結合醫學化學測試的加拿大生物制藥公司ProteinQure、荷蘭公司Qu&Co與英國公司Riverlane，正在運用量子算法的優化計算，研發基于蛋白質組合模型的抗體類、多肽類藥物。在國內，華為自主研發的量子化學應用云服務已成功模擬乙烯（C2H4）、氨氣（NH3）、甲硅烷（SiH4）等分子基態能量，本源量子的化學應用軟件ChemiQ已成功模擬氫氣（H2）在不同長度化學鍵下的能量。

結語

未來十年將是量子計算技術進步、商用水平提升、產業合作格局進一步完善的重要階段。我國應重點把握時代機遇，培育量子計算茁壯成長的良好政策土壤，推進量子賦能、商業合作新模式的探索，增強科技創新硬實力。

注釋

[1]詳見《德勤全球發布〈2019科技、傳媒和電信行業預測〉報告》，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全球量子計算領域研發概況》，http：//www.sohu.com/a/259426143_655347，2019年12月31日引用。

[4]中華人民共和國科學技術部：《美國發布量子信息科學政策報告》，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“登月計劃”》，《科技日報》，2018年12月27日，第2版。

[6]劉霞：《俄加入全球量子計算戰局》，《科技日報》，2019年12月20日，第2版。

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

[8]詳見《韓國啟動量子計算技術五年發展計劃》，http：//www.chinastor.com/quantum/0210402Z2019.html，2020年1月7日引用。

[9]中華人民共和國中央人民政府：《國務院關于印發“十三五”國家科技創新規劃的通知》，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 濟南發力量子信息大科學中心建設》，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算機模擬出對動力電池研發非常重要的分子結構》，https：//cloud.tencent.com/developer/news/239179，2020年1月17日引用。

責 編/王亞敏（見習）

郭國平，中國科學技術大學微電子學院副院長、中國科學院量子信息重點實驗室副主任、教授、博導。研究方向為半導體量子芯片。主要著作有《量子計算與編程入門》（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。