量子計(jì)算是基于量子力學(xué)的新型計(jì)算方式，利用量子疊加和糾纏等物理特性，以微觀粒子構(gòu)成的量子比特為基本單元，通過(guò)量子態(tài)的受控演化實(shí)現(xiàn)計(jì)算處理，理論上具有經(jīng)典計(jì)算無(wú)法比擬的巨大信息攜帶和超強(qiáng)并行處理能力。近年來(lái)，量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用探索呈現(xiàn)加速趨勢(shì)，全球各國(guó)普遍關(guān)注和重視，“量子霸權(quán)或量子優(yōu)勢(shì)性”等熱點(diǎn)話題不斷將其推向公眾視野。
物理平臺(tái)探索發(fā)展迅速
技術(shù)路線仍未收斂
量子計(jì)算研究始于上世紀(jì)八十年代，目前已進(jìn)入工程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和原理樣機(jī)攻關(guān)階段。量子計(jì)算包含量子處理器、量子編碼、量子算法、量子軟件等關(guān)鍵技術(shù)，量子處理器的物理實(shí)現(xiàn)是當(dāng)前階段的核心瓶頸，包含超導(dǎo)、離子阱、硅量子點(diǎn)、中性原子、光量子、金剛石色心和拓?fù)涞榷喾N技術(shù)路線，近期均取得一定進(jìn)展。超導(dǎo)路線方面，Google在2018年推出72位量子比特處理器，Rigetti正在構(gòu)建更強(qiáng)大的128量子比特處理器。我國(guó)中科大在2019年已實(shí)現(xiàn)24位超導(dǎo)量子比特處理器，并進(jìn)行多體量子系統(tǒng)模擬；同時(shí)，清華大學(xué)利用單量子比特實(shí)現(xiàn)了精度為98.8%的量子生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)，未來(lái)可應(yīng)用于圖像生成等領(lǐng)域。離子阱路線方面，IonQ已實(shí)現(xiàn)79位處理量子比特和160位存儲(chǔ)量子比特。光量子路線方面，中科大已實(shí)現(xiàn)18位光量子的糾纏操控，處于國(guó)際領(lǐng)先地位。硅量子點(diǎn)路線方面，新南威爾士大學(xué)報(bào)道了保真度為99.96%的單比特邏輯門，以及保真度為98%的雙比特邏輯門。目前，量子計(jì)算物理平臺(tái)中的超導(dǎo)和離子阱路線相對(duì)領(lǐng)先，但尚無(wú)任何一種路線能夠完全滿足量子計(jì)算技術(shù)實(shí)用化條件實(shí)現(xiàn)技術(shù)收斂。為充分利用每種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)也可能是多種路線并存的混合體系。
“量子優(yōu)越性”突破里程碑
實(shí)用化尚有距離
量子優(yōu)越性(Quantum Supremacy)的概念由MIT的John Preskill教授首先提出，指量子計(jì)算在某一個(gè)計(jì)算問題上，相比于經(jīng)典計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)指數(shù)量級(jí)運(yùn)算能力的加速，從而真正體現(xiàn)量子計(jì)算技術(shù)的原理性優(yōu)勢(shì)。2019年10月，Google公司在《自然》雜志報(bào)道了實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的研究成果，基于53位量子比特的超導(dǎo)處理器，在解決隨機(jī)量子線路采樣特定計(jì)算問題時(shí)，具有遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有超級(jí)計(jì)算機(jī)的處理能力。Google的此項(xiàng)研究成果是證明量子計(jì)算原理優(yōu)勢(shì)和技術(shù)潛力的首個(gè)實(shí)際案例，具有重要的的里程碑意義，這一熱點(diǎn)事件所引發(fā)的震動(dòng)和關(guān)注，將進(jìn)一步推動(dòng)全球各國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的研發(fā)投入、工程實(shí)踐和應(yīng)用探索，為加快量子計(jì)算機(jī)的研制和實(shí)用化注入新動(dòng)力。
現(xiàn)階段量子計(jì)算的發(fā)展水平距離實(shí)用化仍有較大距離。量子計(jì)算系統(tǒng)非常脆弱，極易受到材料雜質(zhì)、環(huán)境溫度和噪聲等外界因素影響而引發(fā)退相干效應(yīng)，使計(jì)算準(zhǔn)確性受到影響，甚至計(jì)算能力遭到破壞。同時(shí)，可編程通用量子計(jì)算機(jī)需要大量滿足容錯(cuò)閾值的物理量子比特進(jìn)行糾錯(cuò)處理，克服退相干效應(yīng)影響，獲得可用的邏輯量子比特。現(xiàn)有研究報(bào)道中的物理量子比特?cái)?shù)量和容錯(cuò)能力與實(shí)際需求尚有很大差距，邏輯量子比特仍未實(shí)現(xiàn)。通用量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用化，業(yè)界普遍預(yù)計(jì)將需十年以上時(shí)間。
生態(tài)鏈不斷壯大
應(yīng)用探索全面展開
在量子計(jì)算領(lǐng)域，美國(guó)近年來(lái)持續(xù)大力投入，已形成政府、科研機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)和投資力量多方協(xié)同的良好局面，并建立了在技術(shù)研究、樣機(jī)研制和應(yīng)用探索等方面的全面領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。歐(含英國(guó))、日、澳等國(guó)緊密跟隨，且領(lǐng)先國(guó)家之間通過(guò)聯(lián)合攻關(guān)和成果共享，形成并不斷強(qiáng)化聯(lián)盟優(yōu)勢(shì)。我國(guó)近年來(lái)取得系列先進(jìn)成果，但與美歐仍有一定差距。此外，印度、韓國(guó)、俄羅斯、以色列等國(guó)也開始將量子計(jì)算技術(shù)列入國(guó)家技術(shù)計(jì)劃加大投入。
科技巨頭間的激烈競(jìng)爭(zhēng)，推動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)加速發(fā)展。Google、IBM、英特爾、微軟在量子計(jì)算領(lǐng)域布局多年，霍尼韋爾隨后加入，產(chǎn)業(yè)巨頭基于雄厚的資金投入、工程實(shí)現(xiàn)和軟件控制能力積極開發(fā)原型產(chǎn)品、展開激烈競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)量子計(jì)算成果轉(zhuǎn)化和加速發(fā)展助力明顯。Google在2018年實(shí)現(xiàn)72位超導(dǎo)量子比特，在2019年證明量子優(yōu)越性。IBM在2019年1月展示具有20位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，并在9月將量子比特?cái)?shù)量更新為53位。微軟在2019年推出量子計(jì)算云服務(wù)，可以與多種類型的硬件配合使用。霍尼韋爾的離子阱量子比特裝置已進(jìn)入測(cè)試階段。我國(guó)阿里巴巴、騰訊、百度和華為近年來(lái)通過(guò)與科研機(jī)構(gòu)合作或聘請(qǐng)具有國(guó)際知名度的科學(xué)家成立量子實(shí)驗(yàn)室，在量子計(jì)算云平臺(tái)、量子軟件及應(yīng)用開發(fā)等領(lǐng)域進(jìn)行布局。阿里與中科大聯(lián)合發(fā)布量子計(jì)算云平臺(tái)并在2018年推出量子模擬器“太章”。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)域展開研發(fā)。百度在2018年成立量子計(jì)算研究所，開展量子計(jì)算軟件和信息技術(shù)應(yīng)用等業(yè)務(wù)研究。華為在2018年發(fā)布HiQ量子云平臺(tái)，并在2019年推出昆侖量子計(jì)算模擬一體原型機(jī)。我國(guó)科技企業(yè)進(jìn)入量子計(jì)算領(lǐng)域相對(duì)較晚，在樣機(jī)研制及應(yīng)用推動(dòng)方面與美國(guó)存在差距。
初創(chuàng)企業(yè)是量子計(jì)算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一主要推動(dòng)力量。初創(chuàng)企業(yè)大多脫胎于科研機(jī)構(gòu)或科技公司，近年來(lái)，來(lái)自政府、產(chǎn)業(yè)巨頭和投資機(jī)構(gòu)的創(chuàng)業(yè)資本大幅增加，初創(chuàng)企業(yè)快速發(fā)展。目前，全球有超過(guò)百余家初創(chuàng)企業(yè)，涵蓋軟硬件、基礎(chǔ)配套及上層應(yīng)用各環(huán)節(jié)。
盡管量子計(jì)算目前仍處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期階段，但軍工、氣象、金融、石油化工、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、汽車交通、圖像識(shí)別和咨詢等眾多行業(yè)已注意到其巨大的發(fā)展?jié)摿Γ_始與科技公司合作探索潛在用途，生態(tài)鏈不斷壯大。Google聯(lián)合多家研究機(jī)構(gòu)將量子退火技術(shù)應(yīng)用于圖像處理、蛋白質(zhì)折疊、交通流量?jī)?yōu)化、空中交通管制、海嘯疏散等領(lǐng)域。JSR和三星嘗試使用量子計(jì)算研發(fā)新材料特性。埃森哲、Biogen和1Qbit聯(lián)合開發(fā)量子化分子比較應(yīng)用，改善分子設(shè)計(jì)加速藥物研究。德國(guó)HQS開發(fā)的算法可以在量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)上有效地模擬化學(xué)過(guò)程。摩根大通、巴克萊希望通過(guò)蒙特卡洛模擬加速來(lái)優(yōu)化投資組合。硅谷量子計(jì)算軟件開發(fā)商QCware編寫量子算法，以提高量化交易和基金管理策略的調(diào)整能力，優(yōu)化資產(chǎn)定價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖。在達(dá)到通用量子計(jì)算所需的量子比特?cái)?shù)量、量子容錯(cuò)能力和工程化條件等要求之前，專用量子計(jì)算機(jī)或量子模擬器將成為量子計(jì)算發(fā)展的下一個(gè)重要里程碑，在量子體系模擬、分子結(jié)構(gòu)解析、大數(shù)據(jù)集優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)算法加速等領(lǐng)域開發(fā)出能夠有效發(fā)揮量子計(jì)算處理優(yōu)勢(shì)的典型應(yīng)用，打開量子計(jì)算實(shí)用化之門。
（來(lái)源：中國(guó)信通院）
