量子計算：算力飛躍帶來科技革命

□文/ 錢 野 杭州市科技信息研究院

量子計算是一種由量子力學規律調控，基于量子信息單元完成計算的新型計算模式。它顯著區別于傳統計算模式，從計算的效率上看，由于量子力學疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統的經典計算。

近年來，量子計算技術與產業呈現加速發展態勢，已得到美國、歐洲、加拿大、澳大利亞等國家和地區的普遍關注與重視，“量子優越性”(Quantum Supremacy，也譯作“量子霸權”)等熱點話題已成為科技界和商業界熱議的焦點。在此背景下，各大科技巨頭、初創公司、科研機構等紛紛開展量子計算相關的研究與應用布局，產業生態得到不斷培育和發展。

量子計算基本原理及與傳統計算的區別

量子計算是一種新型計算方式，以微觀粒子構成的量子比特為基本處理和存儲單元，不同于傳統計算中比特位非“0”即“1”的確定特性，量子計算可表征出更多狀態，其計算和存儲能力可隨量子比特數量的增加而呈指數級規模擴展。

量子計算在理論上具有攻克傳統計算無解難題的巨大潛力，以破解RSA 加密體為例，RSA 加密體系的安全性依賴于大數分解復雜度，使用傳統計算機分解300 位大數約需10 萬年以上，而使用同樣規模的量子計算機分解300位大數僅需幾秒。

另外，傳統計算機的運行速度受到溫度、濕度等外界因素制約，散熱不佳將極大地降低運算速度，而計算過程中的不可逆操作將帶來極大的能耗，造成發熱。反觀量子計算，可以進行可逆操作，功耗能夠顯著降低，解決了傳統計算機的發熱問題。

國內外量子計算主要研究進展

國內重要進展

在《國家中長期科學和技術發展規劃（2006-2020）》中，我國已將“量子調控研究”列為四個重大科學研究計劃之一，在國家層面提供持續性支持。

中國科技大學的郭光燦院士實現了2 個量子比特邏輯門電路，在操控比特數量和量子相干時間等方面達到國際先進水平。

中國科技大學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，首次在國際上使用光晶格技術生成并觀測了約600 對呈現糾纏狀態的超冷量子比特。

2017 年5 月，我國成功研發出世界上第一臺光量子計算機，標志著我國在量子計算機領域進入世界一流水平。該光量子計算機由中國科技大學、中國科學院-阿里巴巴量子計算實驗室、浙江大學、中科院物理所等共同參與研發。經初步實驗，該原型機的取樣速度比國際同行類似實驗快約24000 倍，比人類歷史上第一臺電子管計算機和第一臺晶體管計算機運行速度快10—100倍。

2020 年12 月4 日，潘建偉院士等人成功構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，求解數學算法高斯玻色取樣只需200 秒。這一突破使我國成為全球第二個（第一個為美國谷歌的Sycamore）實現“量子優越性”的國家。

但是，目前我國量子計算的研究主要處于原理驗證和演示層面，尚未深入進行脫離實驗室環境的量子計算模擬和深層次計算，尚未研發出可以商業化使用的量子計算芯片。此外，我國從事量子計算領域的單位較少。由于基礎設施的缺乏，量子計算領域入門門檻較高，目前僅有中科大、阿里巴巴達摩院、中科院、清華等單位開展了量子計算方面的研發，這也導致了我國在量子計算實用化方面進程緩慢。

國外重要進展

歐美較為重視基礎學科的發展，量子領域技術水平走在世界前列。

在國家戰略布局層面，歐美布局要高于我國。歐盟于2018 年啟動總額10 億歐元的量子技術項目。同年，美國發布《量子信息科學國家戰略概述》，將量子霸權提升到國家戰略。英國政府投入約2.5 億美元在牛津大學等高校建立量子研究中心，培養該領域的頂尖人才。

歐美量子技術研發取得一系列重大突破。在量子芯片方面，美國加州大學圣塔芭芭拉分校在國際上首次實現了9 量子比特的超導量子芯片，美國新南威爾士大學成功研發出2 量子比特的硅基半導體量子芯片，英國牛津大學則實現了5 量子比特的離子阱量子芯片。在量子計算方面，美國IBM 公司于2016年發布了5超導量子比特的量子計算機，并在2017 年將20 量子比特的計算機完成了商業化。2017 年11 月，IBM 宣布20 量子位的商用量子計算機研制成果，并于同年完成50 量子位的量子計算機原理樣機，幫助IBM 構建量子霸權。美國哈佛大學和麻省理工學院則在量子模擬方面取得較大進展，通過激光捕捉到超冷銣原子，并利用磁場將冷原子進行排序，最終研發出一種51 量子位的模擬器，可以實現特定的量子計算。

量子計算產業發展現狀

目前，全球已有上百家量子計算領域的初創企業，研究范疇覆蓋量子計算軟硬件、基礎配套和應用探索等多個方面，企業集聚度以北美和歐洲最高。盡管量子計算目前仍處于產業發展的早期階段，但軍工、金融、化工、材料、生物、航空航天、交通等眾多行業已開始關注到其巨大的應用發展潛力，空客、摩根大通、JSR 等紛紛開始通過投資或合作等方式探索相關應用，量子計算的產業生態鏈日漸壯大。在量子計算研究和應用發展的同時，其產業基礎配套設施也在不斷完善。 2019 年，英特爾與Bluefors 和Afore 合作推出量子低溫晶圓探針測試工具，加速硅量子比特測試過程。

我國科技公司阿里巴巴、騰訊、百度、華為相比于美國巨頭進入量子計算領域的時間相對較晚，近年來通過與科研院所合作或聘請知名科學家等方式成立相關實驗室，在量子計算云平臺、算法、軟件和應用等方面研究布局。華為發布了HiQ 量子計算云平臺，并推出昆侖量子計算模擬原型機；阿里巴巴與中國科學技術大學合作推出量子計算云平臺；騰訊在量子AI、藥物研發和科學計算平臺等應用領域開展相關研究；百度成立了量子計算研究所，積極開展量子計算軟件和信息技術應用等技術研究；中國本源量子創立本源量子計算產業聯盟，攜手中船重工鵬力(南京)超低溫計算有限公司共建量子計算低溫平臺。整體而言，我國科技公司在量子處理器研制和量子計算應用推廣方面與美國相比仍有較大差距。

量子計算應用前景及未來展望

量子計算技術所帶來的算力飛躍將為高溫超導等復雜度較高的物理化學科學研究、新型材料研發、醫藥研究、能源勘探與人工智能研究等領域開拓新局面，并有可能成為在未來改變游戲規則的計算革命，成為推動科學技術加速發展演進的“觸發器”和“催化劑”。

根據波士頓咨詢公司預測，截至2030 年，量子計算應用的市場規模將達到500 億美元，其發展前景被業界看好。當前階段，量子計算的主要應用目標是解決大規模數據優化處理和特定計算困難問題。在量子比特數量、容錯能力、相干時間等條件尚不具備實現通用量子計算機之前，專用量子計算機成為量子計算領域的短期發展目標。結合量子計算和量子模擬應用算法等方面的研究，在大數據分析、量子體系模擬、分子結構解析、人工智能等領域有望出現體現量子計算優勢的應用，以此打開量子計算技術的實用化之門。

量子計算潛在的應用場景主要有三類。一是量子組合優化。量子退火是實現量子組合優化的一種途徑，可以預見，量子退火計算在未來的制造業、商業、電信業和智慧交通與車聯網領域將會帶來更高效率、更多收益、更加安全靈活的優化方案。二是量子模擬。利用量子模擬技術對化學分子進行建模，能夠極大地推動制藥行業藥品研發、藥物審核以及材料行業新材料研發。生物領域的應用小到可以模擬分子的生物結構，大到可以模擬神經網絡，甚至在未來可能模擬人工生命。三是量子計算+人工智能。人工智能領域的應用是推動算法發展的一大要素，人工智能與量子計算兩大新興領域的交匯融合，有望催生出更有價值的應用。目前，針對人工智能產生的量子算法潛在應用包括量子神經網絡、自然語言處理、交通優化和圖像處理等。■

勘誤說明

因編校失誤，《杭州科技》2022 年第2 期紙質期刊封面及內文頁眉處標注的“2022 年 第54 卷 總第254 期”應更正為“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