量子力學(xué)和量子計(jì)算——賦能第四次工業(yè)革命

量子信息是量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的新興交叉領(lǐng)域，具體應(yīng)用主要包括量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量三方面。目前，量子計(jì)算領(lǐng)域正在實(shí)現(xiàn)專用量子模擬機(jī)并最終實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)的道路上快速前行，與之相關(guān)的供應(yīng)鏈?zhǔn)袌?chǎng)、整機(jī)銷售市場(chǎng)以及相關(guān)應(yīng)用市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)也因此加速發(fā)展；同時(shí)，因量子計(jì)算超強(qiáng)算力對(duì)經(jīng)典密碼體系的威脅日益嚴(yán)峻，可以對(duì)抗量子計(jì)算威脅的信息安全技術(shù)，特別是量子保密通信技術(shù)，也越來(lái)越顯著地在新一代信息系統(tǒng)中得到重視并發(fā)揮作用?？椕芰孔颖Ｃ?a href="http://ttokpm.com/tongxin/" target="_blank">通信網(wǎng)絡(luò)、筑牢新型信息基礎(chǔ)設(shè)施安全基石，被提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。量子測(cè)量可以利用量子狀態(tài)對(duì)環(huán)境的高度敏感，提升對(duì)時(shí)間、位置、加速度、電磁場(chǎng)等物理量的測(cè)量精度。

量子計(jì)算是一種基于量子效應(yīng)的新型計(jì)算方式，它是以量子比特作為信息編碼和存儲(chǔ)的基本單元，通過(guò)大量量子比特的受控演化來(lái)完成計(jì)算任務(wù)。以量子計(jì)算為基礎(chǔ)的信息處理技術(shù)的發(fā)展有望引發(fā)新的技術(shù)革命，為大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、化學(xué)反應(yīng)計(jì)算、材料設(shè)計(jì)、藥物合成等許多領(lǐng)域的研究，提供前所未有的強(qiáng)力手段，對(duì)未來(lái)社會(huì)的科技、經(jīng)濟(jì)、金融，以及國(guó)防安全等產(chǎn)生革命性的影響。

量子力學(xué)與量子計(jì)算的發(fā)展歷程

1900年前的科學(xué)牛頓力學(xué)已經(jīng)建立起來(lái)了，牛頓力學(xué)、電池學(xué)、熱力學(xué)用來(lái)描述整個(gè)太陽(yáng)系已經(jīng)非常精準(zhǔn)，這就是經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)還有電動(dòng)力學(xué)，這就是現(xiàn)代宏觀科學(xué)的基礎(chǔ)。

在1900年到1930年建立起來(lái)的量子力學(xué)則是針對(duì)微觀科學(xué)，到目前為止行業(yè)主要討論的宇宙有14種基本粒子，有四種基本作用力。

量子力學(xué)最開始發(fā)展起來(lái)，是用微觀結(jié)構(gòu)描述我們的材料，也就是半導(dǎo)體起源研究。原子單個(gè)的原子有特別性質(zhì)，但是要把幾個(gè)原子結(jié)合起來(lái)，變成分子，他有不同的性質(zhì)；如果原子結(jié)構(gòu)變成晶體，它的結(jié)構(gòu)更加不同，所以可以分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體以及金屬。有了對(duì)原子結(jié)構(gòu)的了解，原子核能的發(fā)展可以提供比如說(shuō)核電站、原子彈、激光等能級(jí)可控材料，激光就是把原子放到一個(gè)固定的能級(jí)上的能量釋放下來(lái)，是典型的量子力學(xué)。然后是晶體管、電子計(jì)算機(jī)以及核磁成像等量子能級(jí)躍遷與湮滅，都采用第一次量子力學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

第二次量子力學(xué)發(fā)展有三大因素，第一個(gè)是愛因斯坦和玻爾的爭(zhēng)論，原子和糾纏態(tài)到底存不存在，量子力學(xué)是不是完備的科學(xué)，長(zhǎng)達(dá)很多年的爭(zhēng)論，一直到2022年，諾獎(jiǎng)驗(yàn)證了就是講到了糾纏，量子之間糾纏是真正存在的，糾纏是量子計(jì)算當(dāng)中非常需要，非常重要的一步，當(dāng)然他們的研究工作在幾十年前都已經(jīng)做好了。

還有一個(gè)原因就是算力的擴(kuò)產(chǎn)。經(jīng)典的量子力學(xué)算力，是以單個(gè)原子為單位控制，我們的算力增速逐漸趨于平穩(wěn)，在面臨很大的數(shù)據(jù)量要處理的時(shí)候，同一時(shí)間能控制的量子運(yùn)算每單個(gè)并行任務(wù)里只能控制一個(gè)開關(guān)狀態(tài)。

比如對(duì)太空的探索還有基因測(cè)序，以及人工智能等等很多方面，需要大數(shù)據(jù)處理，需要更高的算力，這個(gè)是為什么量子計(jì)算被提出來(lái)。

第三個(gè)是一些其他的條件就是的極端條件，低溫、高磁場(chǎng)以及微納加工能力，以及對(duì)極弱信號(hào)的探測(cè)，這些材料技術(shù)相關(guān)的能力滿足了能夠?qū)崿F(xiàn)控制量子不同狀態(tài)來(lái)進(jìn)行量子計(jì)算的時(shí)候，進(jìn)入到了原子態(tài)微觀科學(xué)實(shí)用應(yīng)用技術(shù)階段。

量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算的主要區(qū)別是，經(jīng)典計(jì)算的時(shí)候就是量子比特，就是0和1，對(duì)于量子來(lái)說(shuō)，每一個(gè)量子態(tài)就是0和1的疊加，加一個(gè)電壓就能變成0和1，就進(jìn)行了一次計(jì)算，兩個(gè)分量就是在0和1上面的分量進(jìn)行變化。

量子計(jì)算就是增加比特，并讓比特進(jìn)入到糾纏狀態(tài)。比如簡(jiǎn)單再進(jìn)行一個(gè)變化就是兩個(gè)比特，如果讓兩個(gè)比特糾纏，最經(jīng)典的還是做一次計(jì)算，對(duì)量子來(lái)說(shuō)是2的2次方，因?yàn)閮蓚€(gè)比特是糾纏的，這樣4個(gè)量的變化。如果從兩個(gè)糾纏比特，增加到100個(gè)糾纏比特，這樣加一次電壓，做一次開關(guān)，對(duì)于經(jīng)典來(lái)說(shuō)還是做一次計(jì)算，對(duì)于量子計(jì)算來(lái)說(shuō)就是2的100次方計(jì)算，是指數(shù)級(jí)的擴(kuò)展。所以量子計(jì)算的綜合參數(shù)對(duì)比就是比特?cái)?shù)量，要實(shí)現(xiàn)更多的更大的糾纏的量子態(tài)，進(jìn)行計(jì)算。

由于量子計(jì)算是在經(jīng)典計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行指數(shù)級(jí)的算量提升，可以在同一時(shí)間完成指數(shù)級(jí)的并行處理能力，對(duì)于大數(shù)據(jù)的處理就變得十分簡(jiǎn)單，原來(lái)需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的經(jīng)典計(jì)算的工作量，量子計(jì)算可以以指數(shù)級(jí)的并行處理速度在超短時(shí)間內(nèi)完成。

最明顯的就是對(duì)于原子級(jí)的材料（如基因）、環(huán)境數(shù)據(jù)（如密碼），都能瞬間完成拆解，形成最基本的量子要素給開放其所有的能級(jí)狀態(tài)，從而真正認(rèn)識(shí)事物（如基因序列），破解事物之間的關(guān)系（如密碼排列）。

量子計(jì)算除了傳統(tǒng)的經(jīng)典計(jì)算部分外，其核心的量子計(jì)算部分是一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)鏈，有量子芯片，有量子硬件，量子云平臺(tái)，量子控制操作軟件以及工業(yè)應(yīng)用等等。

目前有一些國(guó)際商的企業(yè)，中間量子已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在某些特定的領(lǐng)域比如說(shuō)像實(shí)現(xiàn)了這種取數(shù)里面能夠比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快很多很多倍，他在幾分鐘，幾十分鐘能夠完成的最厲害的計(jì)算機(jī)里面也要幾十或者幾百年才能完成。IBM最新進(jìn)展就是可以實(shí)現(xiàn)基本上接近100的量子比特的量子計(jì)算機(jī)。

實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算方式很多，大家叫量子態(tài)，量子態(tài)表述都是一個(gè)電子或者元子或者缺陷等等方式，只要通過(guò)各種材料控制手段能夠?qū)崿F(xiàn)就可以，如使用超導(dǎo)或其它的很多種方式，目前每一種方式都有它的好處也有壞處，行業(yè)暫未能確定哪一種方式真的能夠勝出，行業(yè)還在不斷的探索，布局到每一個(gè)方向。

量子計(jì)算最主要的部分就是想辦法拓展，最重要的部分是要糾錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)了邏輯門與算法。當(dāng)然也可能混和經(jīng)典計(jì)算機(jī)制，把最簡(jiǎn)單、相容控制的2個(gè)或4個(gè)比特芯片作互聯(lián)，一起進(jìn)行分布式量子計(jì)算，在產(chǎn)業(yè)初期更具有實(shí)際的應(yīng)用意義。

量子計(jì)算是在經(jīng)典計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行指數(shù)級(jí)的并行處理，對(duì)以傳統(tǒng)以經(jīng)典計(jì)算為基礎(chǔ)的第三次工業(yè)革命，進(jìn)行了徹底的生產(chǎn)力重新解構(gòu)，它幾乎可以完全解開所有經(jīng)典計(jì)算的宏觀世界關(guān)系，所有的事物關(guān)聯(lián)性，類似的密碼規(guī)則它幾乎都能破解，世界不再有任何宏觀上的秘密存在，生產(chǎn)力要素不再是以宏觀世界為主，而是以量子態(tài)微觀世界為主。

量子力學(xué)和量子計(jì)算的意義

我們將物理世界分成兩類：凡是遵從經(jīng)典物理學(xué)的物理客體所構(gòu)成的物理世界，稱為經(jīng)典世界；而遵從量子力學(xué)的物理客體所構(gòu)成的物理世界，稱為量子世界。這兩個(gè)物理世界有著絕然不同的特性，經(jīng)典世界中物理客體每個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)和物理量都是確定的，而量子世界的物理客體的狀態(tài)和物理量都是不確定的。概率性是量子世界區(qū)別于經(jīng)典世界的本質(zhì)特征。量子力學(xué)的成功不僅體現(xiàn)在迄今量子世界中尚未觀察到任何違背量子力學(xué)的現(xiàn)象，事實(shí)上， 正是量子力學(xué)催生了現(xiàn)代的信息技術(shù)，造就人類社會(huì)的繁榮昌盛。信息領(lǐng)域的核心技術(shù)是電腦和互聯(lián)網(wǎng)。

量子力學(xué)的能帶理論是晶體管運(yùn)行的物理基礎(chǔ)，晶體管是各種各樣芯片的基本單元。光的量子輻射理論是激光誕生的基本原理，而正是該技術(shù)的發(fā)展才產(chǎn)生當(dāng)下無(wú)處不在的互聯(lián)網(wǎng)。然而，晶體管和激光器卻是經(jīng)典器件，因?yàn)樗鼈冏駨慕?jīng)典物理的運(yùn)行規(guī)律。因此，現(xiàn)在的信息技術(shù)本質(zhì)上是源于量子力學(xué)的經(jīng)典技術(shù)。

20世紀(jì)80年代，科學(xué)家將量子力學(xué)應(yīng)用到信息領(lǐng)域，從而誕生了量子信息技術(shù)，諸如量子計(jì)算機(jī)、量子密碼、量子傳感等。這些技術(shù)的運(yùn)行規(guī)律遵從量子力學(xué)，因此不僅其原理是量子力學(xué)，器件本身也遵從量子力學(xué)，這些器件應(yīng)用了量子世界的特性，如疊加性、糾纏、非局域性、不可克隆性等，因而其信息功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)的經(jīng)典技術(shù)。量子信息技術(shù)突破了經(jīng)典技術(shù)的物理極限，開辟了信息技術(shù)發(fā)展的新方向。一旦量子技術(shù)獲得廣泛的實(shí)際應(yīng)用，人類社會(huì)生產(chǎn)力將邁進(jìn)到新階段。因此，我們將量子信息的誕生稱為第二次量子革命，而基于量子力學(xué)研制出的經(jīng)典技術(shù)，稱之為第一次量子革命。量子信息技術(shù)就是未來(lái)人類社會(huì)的新一代技術(shù)。

量子網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算機(jī)

量子網(wǎng)絡(luò)

量子信息技術(shù)最終的發(fā)展目標(biāo)就是研制成功量子網(wǎng)絡(luò)。量子網(wǎng)絡(luò)基本要素包括量子節(jié)點(diǎn)和量子信道。所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)量子糾纏相互連接，遠(yuǎn)程信道需要量子中繼。量子網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸和處理融合在一起，量子節(jié)點(diǎn)用于存儲(chǔ)和處理量子信息，量子信道用于各節(jié)點(diǎn)之間的量子信息傳送。與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)相比，量子網(wǎng)絡(luò)中信息的存儲(chǔ)和傳輸過(guò)程更加安全，信息的處理更加高效，有著更加強(qiáng)大的信息功能。量子節(jié)點(diǎn)包括通用量子計(jì)算機(jī)、專用量子計(jì)算機(jī)、量子傳感器和量子密鑰裝置等。應(yīng)用不同量子節(jié)點(diǎn)將構(gòu)成不同功能的量子網(wǎng)絡(luò)。

典型的有：

1、由通用量子計(jì)算機(jī)作為量子節(jié)點(diǎn)，將構(gòu)成量子云計(jì)算平臺(tái)，其運(yùn)算能力將強(qiáng)大無(wú)比；

2、使用專用量子計(jì)算機(jī)作為量子節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)成分布式量子計(jì)算，其信息功能等同于通用量子計(jì)算機(jī)。亦即應(yīng)用這種方法可以從若干比特?cái)?shù)較少的量子節(jié)點(diǎn)采用糾纏通道連接起來(lái)，可以構(gòu)成等效的通用量子計(jì)算機(jī)；

3、量子節(jié)點(diǎn)是量子傳感器，所構(gòu)成的量子網(wǎng)絡(luò)便是高精度的量子傳感網(wǎng)絡(luò)，也可以是量子同步時(shí)鐘；

4、量子節(jié)點(diǎn)是量子密鑰裝置，所構(gòu)成的量子網(wǎng)絡(luò)便是量子密鑰分配(QKD)網(wǎng)絡(luò)，可以用于安全的量子保密通信。

當(dāng)然，單個(gè)量子節(jié)點(diǎn)本身就是量子器件，也會(huì)有許多應(yīng)用場(chǎng)景，量子網(wǎng)絡(luò)就是這些量子器件的集成，其信息功能將得到巨大提升，應(yīng)用更廣泛。

上述的量子網(wǎng)絡(luò)是量子信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的遠(yuǎn)景，當(dāng)前距離這個(gè)遠(yuǎn)景的實(shí)現(xiàn)還相當(dāng)遙遠(yuǎn)。不僅尚無(wú)哪種類型量子網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)演示成功，即使是單個(gè)量子節(jié)點(diǎn)的量子器件也仍處于研制階段，距離實(shí)際的應(yīng)用仍有著很長(zhǎng)的路要走。即便是單個(gè)量子節(jié)點(diǎn)研制成功，要將若干量子節(jié)點(diǎn)通過(guò)糾纏信道構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)也極其困難——通常采用光纖作為量子信息傳輸?shù)耐ǖ?，量子?jié)點(diǎn)的量子信息必須能強(qiáng)耦合到光纖通信波長(zhǎng)的光子上，該光子到達(dá)下個(gè)量子節(jié)點(diǎn)處再?gòu)?qiáng)耦合到該節(jié)點(diǎn)工作波長(zhǎng)的量子比特上，任何節(jié)點(diǎn)之間最終均可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合、高保真度的相干操控，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的信息功能。目前，連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)的量子界面仍然處于基礎(chǔ)研究階段。

至于遠(yuǎn)程的量子通道，必須有量子中繼才能實(shí)現(xiàn)，而量子中繼的研制又依賴于高速確定性糾纏光源和可實(shí)用性量子存儲(chǔ)器的研究，所有這些核心器件仍然處于基礎(chǔ)研究階段，離實(shí)際應(yīng)用還很遠(yuǎn)。因此整個(gè)量子信息技術(shù)領(lǐng)域仍然處于初期研究階段，實(shí)際應(yīng)用還有待時(shí)日。

那么，量子信息技術(shù)時(shí)代何時(shí)到來(lái)？量子計(jì)算機(jī)是量子信息技術(shù)中最有標(biāo)志性的顛覆性技術(shù)，只有當(dāng)通用量子計(jì)算機(jī)獲得廣泛實(shí)際應(yīng)用之時(shí)，我們才可斷言人類社會(huì)已進(jìn)入量子技術(shù)新時(shí)代。
量子計(jì)算機(jī)

經(jīng)典計(jì)算機(jī)按照摩爾定律迅速發(fā)展，每18個(gè)月，其運(yùn)算速度翻一番

20世紀(jì)80年代，物理學(xué)家卻提出“摩爾定律是否會(huì)終結(jié)”這個(gè)不受人歡迎的命題，并著手開展研究。最后竟然得出結(jié)論：摩爾定律必定會(huì)終結(jié)。理由是，摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)是不斷提高電子芯片的集成度——即單位芯片面積的晶體管數(shù)目。但這個(gè)技術(shù)基礎(chǔ)受到兩個(gè)主要物理限制：一是由于非可逆門操作會(huì)丟失大量比特，并轉(zhuǎn)化為熱量，最終會(huì)燒穿電子芯片，這也是當(dāng)下大型超算中心遇到的巨大能耗困難所在；二是終極的運(yùn)算單元是單電子晶體管，而單電子的量子效應(yīng)將影響芯片的正常工作，使計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度無(wú)法如預(yù)料的提高。

物理學(xué)家的研究結(jié)果并不影響當(dāng)時(shí)摩爾定律的運(yùn)行，多數(shù)學(xué)者甚至認(rèn)為物理學(xué)家是杞人憂天。然而物理學(xué)家并未停止腳步，著手研究第2個(gè)問題：摩爾定律失效后，如何進(jìn)一步提高信息處理的速度——即后摩爾時(shí)代提高運(yùn)算速度的途徑是什么？研究結(jié)果誕生了“量子計(jì)算”的概念。

1982年美國(guó)物理學(xué)家Feynman指出，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬量子力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行存在著本質(zhì)性困難，但如果可以構(gòu)造一種用量子體系為框架的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)量子模擬就容易得多。隨后英國(guó)物理學(xué)家Deutsch提出“量子圖靈機(jī)”概念，“量子圖靈機(jī)”可等效為量子電路模型。從此，“量子計(jì)算機(jī)”的研究便在學(xué)術(shù)界逐漸引起人們的關(guān)注。

1994年Shor提出了量子并行算法，證明量子計(jì)算可以求解“大數(shù)因子分解”難題，從而攻破廣泛使用的RSA公鑰體系，量子計(jì)算機(jī)才引起廣泛重視。Shor并行算法是量子計(jì)算領(lǐng)域的里程碑工作。進(jìn)入21世紀(jì)，學(xué)術(shù)界逐漸取得共識(shí)：摩爾定律必定會(huì)終結(jié)，因此，后摩爾時(shí)代的新技術(shù)便成為熱門研究課題，量子計(jì)算無(wú)疑是最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

量子計(jì)算應(yīng)用了量子世界的特性，如疊加性、非局域性和不可克隆性等，因此天然地具有并行計(jì)算的能力，可以將某些在電子計(jì)算機(jī)上指數(shù)增長(zhǎng)復(fù)雜度的問題變?yōu)槎囗?xiàng)式增長(zhǎng)復(fù)雜度，亦即電子計(jì)算機(jī)上某些難解的問題在量子計(jì)算機(jī)上變成易解問題。量子計(jì)算機(jī)為人類社會(huì)提供運(yùn)算能力強(qiáng)大無(wú)比的新的信息處理工具，因此稱之為未來(lái)的顛覆性技術(shù)。量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力同電子計(jì)算機(jī)相比，等同于電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力同算盤相比?？梢娨坏┝孔佑?jì)算得到廣泛應(yīng)用，人類社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域都將會(huì)發(fā)生翻天覆地的變化。

量子計(jì)算的運(yùn)算單元稱為量子比特，它是0和1兩個(gè)狀態(tài)的疊加。量子疊加態(tài)是量子世界獨(dú)有的，因此，量子信息的制備、處理和探測(cè)等都必須遵從量子力學(xué)的運(yùn)行規(guī)律。

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

量子計(jì)算機(jī)與電子計(jì)算機(jī)一樣，用于解決某種數(shù)學(xué)問題，因此它的輸入數(shù)據(jù)和結(jié)果輸出都是普通的數(shù)據(jù)。區(qū)別在于處理數(shù)據(jù)的方法本質(zhì)上不同。量子計(jì)算機(jī)將經(jīng)典數(shù)據(jù)制備在量子計(jì)算機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的初始量子態(tài)上，經(jīng)由幺正操作變成量子計(jì)算系統(tǒng)的末態(tài)，對(duì)末態(tài)實(shí)施量子測(cè)量，便輸出運(yùn)算結(jié)果。虛框內(nèi)都是按照量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的。圖中的幺正操作(U操作)是信息處理的核心，如何確定U操作呢？首先選擇適合于待求解問題的量子算法，然后將該算法按照量子編程的原則轉(zhuǎn)換為控制量子芯片中量子比特的指令程序，從而實(shí)現(xiàn)了U操作的功能。

量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際操作過(guò)程

給定問題及相關(guān)數(shù)據(jù)，科學(xué)家設(shè)計(jì)相應(yīng)的量子算法，進(jìn)而開發(fā)量子軟件實(shí)現(xiàn)量子算法，然后進(jìn)行量子編程將算法思想轉(zhuǎn)化為量子計(jì)算機(jī)硬件能識(shí)別的一條條指令，這些指令隨后發(fā)送至量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)施對(duì)量子芯片系統(tǒng)的操控，操控結(jié)束后，量子測(cè)量的數(shù)據(jù)再反饋給量子控制系統(tǒng)，最終傳送到工作人員的電腦。

單雙量子比特門

量子邏輯電路是用于實(shí)現(xiàn)U變換的操作，任何復(fù)雜的U操作都可以拆解為單量子比特門Ui和雙量子比特門Ujk的某種組合(即可拆解定理)，Ui和Ujk是最簡(jiǎn)單的普適邏輯門集。

基于量子圖靈機(jī)(量子邏輯電路)的量子計(jì)算稱為標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算，現(xiàn)在還在研究的其他量子計(jì)算模型還有：?jiǎn)蜗蛄孔佑?jì)算、拓?fù)淞孔佑?jì)算和絕熱量子計(jì)算(量子退火算法)等。

量子計(jì)算機(jī)是宏觀尺度的量子器件，環(huán)境不可避免會(huì)導(dǎo)致量子相干性的消失(即消相干)，這是量子計(jì)算機(jī)研究的主要障礙?！傲孔泳幋a”用于克服環(huán)境的消相干，它增加信息的冗余度，用若干物理量子比特來(lái)編碼一個(gè)邏輯比特(信息處理的單元)。業(yè)已證明，采用起碼5個(gè)量子比特編碼、1個(gè)邏輯比特，可以糾正消相干引起的所有錯(cuò)誤。量子計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用存在另一類嚴(yán)重的錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤來(lái)源于非理想的量子操作，包括門操作和編碼的操作。科學(xué)家提出容錯(cuò)編碼原理來(lái)糾正這類錯(cuò)誤，該原理指出，在所有量子操作都可能出錯(cuò)的情況下，仍然能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)糾正回理想的狀態(tài)。這涉及到“容錯(cuò)閾值定理”，即只有量子操作的出錯(cuò)率低于某個(gè)閾值，才能實(shí)現(xiàn)量子容錯(cuò)。容錯(cuò)閾值與量子計(jì)算的實(shí)際構(gòu)型有關(guān)，在一維或準(zhǔn)一維的模型中，容錯(cuò)的閾值為105，在二維情況(采用表面碼來(lái)編碼比特)，閾值為102。經(jīng)過(guò)科學(xué)家十多年的努力，現(xiàn)在離子阱和超導(dǎo)系統(tǒng)的單雙比特操作精度已經(jīng)達(dá)到這個(gè)閾值。這個(gè)進(jìn)展極大地刺激了人們對(duì)量子計(jì)算機(jī)研制的熱情，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)不再是遙不可及的。量子計(jì)算機(jī)的研制逐步走出實(shí)驗(yàn)室，成為國(guó)際上各大企業(yè)追逐的目標(biāo)。

量子計(jì)算的理論依據(jù)

疊加態(tài)Superposition疊加態(tài)原理，是量子力學(xué)中的一個(gè)基本原理，它廣泛應(yīng)用于量子力學(xué)各個(gè)方面，“薛定諤的貓”就是用來(lái)描述疊加態(tài)的經(jīng)典比喻。在經(jīng)典物理中，粒子任何時(shí)刻的狀態(tài)都是空間中一個(gè)固定的點(diǎn)。在量子力學(xué)中，粒子可以不處于一個(gè)固定的狀態(tài)（上或下），而是同時(shí)處于兩種狀態(tài)的疊加（上和下）。

量子糾纏

QuantumEntanglement

量子糾纏，它描述了粒子量子態(tài)之間的高度關(guān)聯(lián)，這樣的“關(guān)聯(lián)”可以是多種形式，比如自旋態(tài)總是相反，或總是相同，或者是既可能相反也可能相同，但相反的可能性比相同大。只要兩個(gè)粒子相互關(guān)聯(lián)構(gòu)成疊加態(tài)，它們就會(huì)“互相糾纏”在一起，即使在兩個(gè)粒子分開到很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)距離的情況下，它們能瞬間互相影響的“糾纏”照樣存在。這種關(guān)聯(lián)是經(jīng)典粒子對(duì)沒有的，是僅發(fā)生于量子系統(tǒng)中的獨(dú)特現(xiàn)象。

量子測(cè)量

Measurement

量子測(cè)量是觀察量子態(tài)的行為，這種觀察將產(chǎn)生一些經(jīng)典信息，該測(cè)量過(guò)程將改變量子態(tài)。例如狀態(tài)處于疊加狀態(tài)，則測(cè)量會(huì)將其“折疊”為經(jīng)典狀態(tài)（0或1），坍縮過(guò)程是隨機(jī)發(fā)生的。在進(jìn)行測(cè)量之前，無(wú)法知道結(jié)果如何，但是可以計(jì)算每個(gè)結(jié)果的概率，這個(gè)概率是對(duì)量子狀態(tài)的一種預(yù)測(cè)，可以通過(guò)多次準(zhǔn)備狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量然后計(jì)算每個(gè)結(jié)果的概率來(lái)測(cè)試該預(yù)測(cè)。

量子隧穿

QuantumTunneling

量子隧穿是一種量子力學(xué)效應(yīng)，指的是像電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢(shì)壘的量子行為，盡管位勢(shì)壘的高度大于粒子的總能量。在經(jīng)典力學(xué)里，這是不可能發(fā)生的，但使用量子力學(xué)理論卻可以給出合理解釋。在量子力學(xué)中，波函數(shù)表示粒子在特定位置的概率，這表明粒子存在位于障礙物另一側(cè)的概率。

貝爾不等式

Bell’sInequality最初的貝爾不等式是由愛爾蘭物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾發(fā)現(xiàn)的，其他不等式現(xiàn)象后來(lái)被其他研究人員發(fā)現(xiàn)，貝爾的所有不等式加在一起便構(gòu)成了貝爾定理。

貝爾證明了該術(shù)語(yǔ)的經(jīng)典定義中的世界不符合當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)實(shí)主義?！氨镜亍币馕吨鴮?duì)象只能受到其周圍環(huán)境的影響。從物理學(xué)的意義上講，“現(xiàn)實(shí)主義”是指物體的性質(zhì)在某人測(cè)量（甚至被測(cè)量）之前和之后都存在于人的思想之外。

經(jīng)典力學(xué)說(shuō)，在測(cè)量之前和之后，粒子具有真實(shí)的（確定的）值，取兩個(gè)相撞并相距很遠(yuǎn)的粒子，一個(gè)人對(duì)另一個(gè)人的任何影響都必須立即通過(guò)“場(chǎng)”傳達(dá)出來(lái)（但絕不能比光速快）。

貝爾不等式是涉及光子自旋的理論實(shí)驗(yàn)中的一系列測(cè)量，通過(guò)方向不同的檢測(cè)器進(jìn)行測(cè)量。不平等是指這樣一個(gè)事實(shí)，即如果世界表現(xiàn)出局部真實(shí)性，則一組光子測(cè)量結(jié)果將大于另一組。然而事實(shí)并非如此，這意味著物理世界受量子力學(xué)理論支配，量子糾纏的啟示僅證實(shí)了這一觀點(diǎn)。

不可克隆性

No-CloningTheorem

由于量子力學(xué)的態(tài)疊加原理和系統(tǒng)態(tài)的演化遵從幺正變換，使得任何量子體系的任意未知量子態(tài)無(wú)法被完全復(fù)制。即無(wú)法在不破壞原來(lái)未知態(tài)的情況下對(duì)之

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)

Bose-EinsteinCondensate

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)是超冷原子云，華盛頓州立大學(xué)的研究員彼得·恩格斯（PeterEngels）解釋說(shuō)：“這一大原子團(tuán)的行為不像桶中的一堆球。它的行為就像一個(gè)大的超級(jí)原子。因此，它放大了量子力學(xué)的作用。”從理論上講，玻色-愛因斯坦凝聚物（BEC）可以充當(dāng)穩(wěn)定的量子比特。

布洛赫球

BlochSphere

在量子力學(xué)中，布洛赫球是二級(jí)量子力學(xué)系統(tǒng)（量子比特）的純態(tài)空間的幾何表示，以物理學(xué)家FelixBloch命名。布洛赫球是一個(gè)單位球，其對(duì)映點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一對(duì)相互正交的狀態(tài)向量。布洛赫球提供了以下解釋：極點(diǎn)代表經(jīng)典位，我們使用符號(hào)|0?和|1?。然而，盡管這些是經(jīng)典位表示的唯一可能狀態(tài)，但量子比特覆蓋了整個(gè)球體。因此，量子比特中包含了更多的信息，布洛赫球?qū)Υ诉M(jìn)行了描述。當(dāng)量子比特被測(cè)量時(shí)，它坍塌到兩個(gè)極點(diǎn)之一。這兩個(gè)極點(diǎn)中的哪一個(gè)取決于布洛赫表示中的箭頭指向哪個(gè)方向：如果箭頭更靠近北極，則更有可能塌陷到北極；南極也一樣。應(yīng)當(dāng)注意，這將概率的概念引入了布洛赫球體：箭頭與垂直軸的角度θ對(duì)應(yīng)于該概率。如果箭頭指向赤道，則任一極都可能塌陷50-50。

馬約拉納費(fèi)米子

MajoranaFermions形成物質(zhì)的基本粒子（“費(fèi)米子”）由保羅·狄拉克（PaulDirac）于1928年提出的方程式Dirac方程來(lái)描述，這意味著宇宙中的每個(gè)基本粒子都有一個(gè)反粒子，其質(zhì)量相同但電荷相反。1932年發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)反粒子，與電子結(jié)合的正電子。電子和其他基本粒子具有不同的反粒子，它們通過(guò)希格斯機(jī)制獲得質(zhì)量，在物理學(xué)中，它們被稱為“狄拉克費(fèi)米子”。

1937年，意大利物理學(xué)家埃托爾·馬若拉納（EttoreMajorana）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更通用的方程式（MajoranaEquation），該方程式預(yù)測(cè)了中性費(fèi)米子的存在（不帶電荷）是它們自己的反粒子。Majorana費(fèi)米子是特殊的粒子，因?yàn)樗鼈儾皇峭ㄟ^(guò)希格斯機(jī)制獲得質(zhì)量而是與其自身相互作用而獲得質(zhì)量，因此它們是自己的反粒子。

自旋

Spin自旋有時(shí)稱為“核自旋”或“本征自旋”，這是基本粒子、復(fù)合粒子（強(qiáng)子）和原子核所攜帶的角動(dòng)量的量子形式。旋轉(zhuǎn)與實(shí)際旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，物理學(xué)家使用“自旋”或“內(nèi)在自旋”一詞來(lái)區(qū)分粒子“有點(diǎn)”具有的角動(dòng)量和物理旋轉(zhuǎn)物體的規(guī)則角動(dòng)量。

量子計(jì)算機(jī)的分類

當(dāng)前，量子計(jì)算機(jī)可大致分為三類：量子退火、嘈雜中型量子（NISQ）計(jì)算、容錯(cuò)型通用量子計(jì)算。

量子退火QuantumAnnealing

絕熱量子計(jì)算機(jī)中用于解決優(yōu)化和采樣問題的算法。它通過(guò)允許量子系統(tǒng)找到其最低能量狀態(tài)而起作用。在數(shù)據(jù)波動(dòng)的情況下，量子比特位于最低的能量峰值上。這些都將量子比特控制和降低到零，最終得到了解決方案。

NISQ

NISQ是“NoisyIntermediate-ScaleQuantum”的縮寫，它是指“嘈雜中等規(guī)模量子“。“中等規(guī)?！敝傅氖乾F(xiàn)在可以獲得的量子計(jì)算機(jī)的尺寸大小———可能大到足以執(zhí)行某些高度專業(yè)化的任務(wù)(如新藥和新材料的設(shè)計(jì)等)，超出了當(dāng)今超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力范圍?！班须s”則強(qiáng)調(diào)對(duì)量子比特的控制還不是非常完美，這將導(dǎo)致小誤差隨時(shí)間不斷積累，如果計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)，就得不到正確答案。

容錯(cuò)量子計(jì)算Fault-tolerantQuantumComputing量子糾錯(cuò)碼可以用來(lái)解決退相干等硬件的不完美導(dǎo)致的計(jì)算錯(cuò)誤問題。在錯(cuò)誤的分布滿足某些條件的情況下，我們可以把最終計(jì)算結(jié)果出錯(cuò)的概率降得任意低，這被稱作容錯(cuò)量子計(jì)算。量子糾錯(cuò)是有代價(jià)的，為了降低最終出錯(cuò)率，需要使用很多的量子比特來(lái)進(jìn)行編碼。進(jìn)行容錯(cuò)量子計(jì)算的首要條件，也就是錯(cuò)誤率低于容錯(cuò)閾值(亞閾值)的初始化、量子門以及讀取等操作已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)中被演示。

量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)成

量子比特

Qubit在常規(guī)計(jì)算機(jī)中，信息單元用二進(jìn)制的1個(gè)位來(lái)表示，它不是處于“0”態(tài)就是處于“1”態(tài)。在二進(jìn)制量子計(jì)算機(jī)中，信息單元稱為量子比特(qubit)，它除了處于“0”態(tài)或“1”態(tài)外，還可處于疊加態(tài)(superposedstate)。疊加態(tài)是“0”態(tài)和“1”態(tài)的任意線性疊加，它既可以是“0”態(tài)又可以是“1”態(tài)，“0”態(tài)和“1”態(tài)各以一定的概率同時(shí)存在。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子比特就是一個(gè)具有兩個(gè)量子態(tài)的物理系統(tǒng)，如光子的兩個(gè)偏振態(tài)、電子的兩個(gè)自旋態(tài)、離子（原子）的兩個(gè)能級(jí)等都可構(gòu)成量子比特的兩個(gè)狀態(tài)。

Transmon

Transmon是一種超導(dǎo)環(huán)形量子比特，可以在極低的溫度下創(chuàng)建，目前最多可以將其中五個(gè)鏈接在一起。標(biāo)準(zhǔn)的transmon可以保持大約50微秒的相干性，可以在量子電路中使用。更重要的是，相干時(shí)間是長(zhǎng)度的兩倍，transmon數(shù)組包含10到20個(gè)循環(huán)。

Xmon

Xmon是由加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校的一個(gè)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的十字形量子比特。研究小組發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將五個(gè)Xmon放在同一行中，他們能夠創(chuàng)建穩(wěn)定有效的量子排列，從而提供最大的穩(wěn)定性和最少的誤差。像大多數(shù)其他量子比特一樣，必須在接近絕對(duì)零的溫度下創(chuàng)建Xmon。

拓?fù)淞孔颖忍?/p>

TopologicalQubit

量子比特非常挑剔，即便是最輕微的擾亂，它們也會(huì)“散開”，不再可用于計(jì)算。引入拓?fù)淞孔颖忍馗拍睿蛊涓臃€(wěn)定，且能提供更多固有的防錯(cuò)能力。根據(jù)定義，粒子的拓?fù)錉顟B(tài)就是粒子可被分解、并出現(xiàn)在系統(tǒng)不同地方的狀態(tài)。一旦粒子被分解，就很難被干擾，因?yàn)楸仨毟淖兯写鎯?chǔ)在不同地方的信息。

量子寄存器

QuantumRegister

n個(gè)量子位的有序集合稱為n位量子寄存器。它的態(tài)是n個(gè)量子位的態(tài)的張量積(tensorproduct)。n位量子寄存器可以存儲(chǔ)2n個(gè)n位數(shù)。

量子邏輯門

QuantumLogicalGates

對(duì)量子位的態(tài)進(jìn)行變換，可以實(shí)現(xiàn)某些邏輯功能。變換所起的作用相當(dāng)于邏輯門所起的作用，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)邏輯變換的量子裝置稱為量子邏輯門。與傳統(tǒng)邏輯門不同，量子邏輯門是可逆的。量子邏輯門是量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，可用下列方法實(shí)現(xiàn)：

(1)量子點(diǎn)系統(tǒng)；

(2)超導(dǎo)約瑟夫森（Josephson）結(jié)系統(tǒng)；

(3)核磁共振量子系統(tǒng)；

(4)離子阱系統(tǒng)；

(5)腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)等。

量子邏輯網(wǎng)

QuantumLogicalNets

量子邏輯網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)量子邏輯門組成，這些量子邏輯門的操作在時(shí)間上同步。

隨機(jī)基準(zhǔn)

RandomizedBenchmarking

一種用于確定一組量子門的平均錯(cuò)誤率的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，這涉及到應(yīng)用隨機(jī)電路，如果門無(wú)法正常工作，將產(chǎn)生零影響?；鶞?zhǔn)測(cè)試是評(píng)估多量子比特量子計(jì)算機(jī)性能的重要程序。

量子存儲(chǔ)狀態(tài)

QuantumMemoryState

量子存儲(chǔ)狀態(tài)是量子位在其中維持大量狀態(tài)以在量子計(jì)算中具有價(jià)值的狀態(tài)。迄今為止，這些狀態(tài)已被證明是非常脆弱的，因?yàn)樵诹孔蛹?jí)的最小干擾就可以破壞它們。因此，大多數(shù)使用量子比特的實(shí)驗(yàn)都要求將粒子冷卻到接近零的絕對(duì)值。

量子程序

QuantumPrograms

量子程序的邏輯體系一般由“經(jīng)典控制部分+量子數(shù)據(jù)部分”構(gòu)成。量子程序的計(jì)算操作一般由以下三部分組成：

（1）一個(gè)初化操作，包括量子變量數(shù)據(jù)的初化；（2）一系列的酉變換；

（3）一個(gè)最終的測(cè)量。

量子計(jì)算機(jī)的組織結(jié)構(gòu)

Theorganizationofaquantumcomputer

量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算過(guò)程由算法決定，不同的算法有不同的幺正變換。量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算過(guò)程可由常規(guī)計(jì)算機(jī)控制，由于量子計(jì)算的測(cè)量結(jié)果是概率性的，需要計(jì)算和測(cè)量多次，才能得到所需結(jié)果。量子并行是量子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)于串行計(jì)算及迭代運(yùn)算，量子計(jì)算機(jī)不具備優(yōu)勢(shì)。量子計(jì)算機(jī)適合于作為常規(guī)的通用計(jì)算機(jī)的高速協(xié)處理器或外圍專用處理機(jī)，或?qū)ｉT為實(shí)現(xiàn)某種量子算法或模擬某種量子系統(tǒng)的專用計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)的程序語(yǔ)言

Theprogramminglanguageofaquantumcomputer

與經(jīng)典計(jì)算機(jī)類似，為便于控制并通用量子計(jì)算機(jī)，必須通過(guò)量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)描述待解決問題，因此量子計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言將作為未來(lái)通用量子計(jì)算機(jī)上的一種重要系統(tǒng)軟件?，F(xiàn)有量子算法一般固化于專用量子計(jì)算設(shè)備中，如果需要改變量子算法就必須重新設(shè)計(jì)量子計(jì)算設(shè)備，實(shí)際上，這就相當(dāng)于一臺(tái)求解特定具體問題（不是一類特定問題）的專用計(jì)算設(shè)備。

量子模擬器

QuantumSimulator

量子模擬在很大程度上起源于理查德·費(fèi)曼（RichardFeynman）的1982年的提議，現(xiàn)已發(fā)展成為科學(xué)家使用可控量子系統(tǒng)研究在實(shí)驗(yàn)上不太可行的量子現(xiàn)象的領(lǐng)域。簡(jiǎn)而言之，現(xiàn)在尚不存在完整的量子計(jì)算機(jī)，并且經(jīng)典計(jì)算機(jī)通常無(wú)法解決量子問題，因此“量子模擬器”提供了一種吸引人的替代方法，可以深入了解例如復(fù)雜的材料特性。

通用量子計(jì)算機(jī)

UniversalQuantumComputer量子圖靈機(jī)（QTM），也是一種通用量子計(jì)算機(jī)，是用于量子計(jì)算機(jī)的效果進(jìn)行建模抽象機(jī)。它提供了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的模型，可以捕獲量子計(jì)算的所有功能。任何量子算法都可以形式上表示為特定的量子圖靈機(jī)。牛津大學(xué)物理學(xué)家戴維·德意志（DavidDeutsch）在1985年的一篇文章中首次提出了這樣的圖靈機(jī)，該論文提出量子門的功能可以與傳統(tǒng)的數(shù)字計(jì)算二進(jìn)制邏輯門類似。量子圖靈機(jī)并不總是用于分析量子計(jì)算。量子電路是更常見的模型，這些模型在計(jì)算上是等效的。

量子計(jì)算機(jī)仍在早期快速發(fā)展階段
回顧2022年，無(wú)論是各硬件技術(shù)路線還是軟件開發(fā)與平臺(tái)的擴(kuò)充，總體上量子計(jì)算行業(yè)仍處在早期快速發(fā)展的階段。

與硬件各路線百花齊放所不同的是，量子軟件開源成為當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要特征之一。目前由于開源軟件的開放性和基于社區(qū)的共享性使得源碼中經(jīng)常包含很多漏洞，導(dǎo)致缺陷處理的成本大幅增加，阻礙了開源軟件的應(yīng)用推廣。因此，當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一是如何有效、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)軟件缺陷，并快速修復(fù)軟件缺陷。

產(chǎn)業(yè)鏈逐漸清晰與完善

隨著量子計(jì)算機(jī)各個(gè)路線研發(fā)工作的逐步推進(jìn)，整機(jī)所需的上游硬件設(shè)備與器件選型逐漸清晰，同時(shí)，量子計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)也在不斷跟進(jìn)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上下游各環(huán)節(jié)的構(gòu)成逐漸清晰與完善，各環(huán)節(jié)的參與者也在逐漸增多。

圖表 1-1量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

積極探索下游應(yīng)用

量子計(jì)算基于量子力學(xué)的全新計(jì)算模式，具有原理上遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算的強(qiáng)大并行計(jì)算能力，為人工智能、密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、資源勘探、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供了解決方案，并可揭示量子相變、高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜物理機(jī)制。這是量子計(jì)算機(jī)為我們展現(xiàn)的強(qiáng)大力量，目前受限于真實(shí)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)進(jìn)度，尚無(wú)法提供量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大算力來(lái)實(shí)現(xiàn)完整的量子應(yīng)用，但目前完全可以開發(fā)各類垂直行業(yè)應(yīng)用的量子算法，利用數(shù)字計(jì)算機(jī)的算力來(lái)驗(yàn)證，從而為未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用做好積累和鋪墊。

商業(yè)拓展初步探索

2022年，全球范圍內(nèi)的量子計(jì)算整機(jī)仍然以原型機(jī)為主，我們?nèi)蕴幱贜ISQ時(shí)代的早期階段，量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際應(yīng)用和解決實(shí)際問題方面仍然沒有太多進(jìn)展。雖然一項(xiàng)新技術(shù)的出現(xiàn)勢(shì)必引來(lái)資本和社會(huì)的追捧，泡沫的產(chǎn)生存在一定的合理性，但I(xiàn)CV還是要明確地告訴各方，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)仍處于早期階段，離實(shí)用化還很遠(yuǎn)，全球范圍內(nèi)可以驗(yàn)證的應(yīng)用幾乎都是在量子計(jì)算模擬器上進(jìn)行的。

ICV預(yù)計(jì)在2030年之前，人類最有可能實(shí)現(xiàn)專用量子計(jì)算機(jī)，即相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特，應(yīng)用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問題，指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)、藥物開發(fā)等。

目前全球量子計(jì)算機(jī)公司包括科研院所在積極探索自己的盈利模式，主要如下：

量子計(jì)算機(jī)行業(yè)動(dòng)態(tài)

2022年，量子計(jì)算的發(fā)展成果呈現(xiàn)多元化特征，量子比特?cái)?shù)量、門保真度、量子體積、相干時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)均突破原有記錄，糾錯(cuò)、控制等方面也取得較大進(jìn)展；ICV對(duì)超導(dǎo)、離子阱、光量子、中性原子、硅自旋、拓?fù)涞戎饕N技術(shù)路線的發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行總結(jié)和分析。

目前硬件層面的主要發(fā)展方向還是著重于增加量子比特?cái)?shù)量、密度和連通性，提高量子比特的質(zhì)量，包括更好的相干時(shí)間和門保真度；以及設(shè)計(jì)和實(shí)施新的架構(gòu)，包括3D設(shè)置和新的組裝技術(shù)；還有開發(fā)可組裝和集成大型量子處理器的工業(yè)規(guī)模制造設(shè)施；演示不同量子計(jì)算機(jī)之間的互聯(lián)和信息交換等。目前量子計(jì)算的多種技術(shù)路線邊并駕齊驅(qū)，各自展示著自己的優(yōu)勢(shì)，每條路線都有機(jī)會(huì)大放異彩。

圖表 2-1 量子計(jì)算硬件路線圖

圖表 2-2 量子計(jì)算發(fā)展階段

1）超導(dǎo)量子計(jì)算

IBM遙遙領(lǐng)先

當(dāng)前IBM公司引領(lǐng)著全球超導(dǎo)量子計(jì)算的技術(shù)發(fā)展，從當(dāng)前的發(fā)展態(tài)勢(shì)來(lái)看，包括Google在內(nèi)的其他超導(dǎo)量子計(jì)算公司短時(shí)間內(nèi)很難超越，IBM也代表了美國(guó)在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的國(guó)際地位。

IBM宣布推出的433量子比特Osprey，除量子比特?cái)?shù)量的領(lǐng)先外，其多級(jí)布線，為信號(hào)路由和設(shè)備布局提供了靈活性。這種將讀出和控制所需的導(dǎo)線和其他組件分離到各自層上的布線有助于保護(hù)脆弱的量子比特免受破壞，幫助處理器納入更多的量子比特。與芯片Eagle相比，Osprey擁有兩個(gè)更主要優(yōu)勢(shì)：

一個(gè)是用柔性帶狀電纜取代了IBM以前的量子處理器所使用的同軸電纜，同時(shí)還加入了集成濾波功能，以減少噪聲和提高穩(wěn)定性。該柔性帶狀電纜適用于低溫環(huán)境，電阻和熱阻是量身定做的，以幫助微波信號(hào)傳輸，同時(shí)不傳導(dǎo)可能干擾量子比特的太多熱量。這使得芯片的連接數(shù)量增加了77%，幾乎是之前線纜的兩倍，更有助于擴(kuò)大其量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模。
另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是新一代的測(cè)控系統(tǒng)，該裝置用于發(fā)送和接收進(jìn)出量子處理器的微波信號(hào)，較之前一代更為專業(yè)，也更適合量子設(shè)備，可以產(chǎn)生計(jì)算需要的確切信號(hào)以及頻率。

未來(lái)，IBM將專注于以下兩個(gè)以硬件為中心的大型項(xiàng)目。一個(gè)是涉及量子處理器之間的各種類型的通信：實(shí)時(shí)經(jīng)典、芯片到芯片量子門（量子多芯片模塊）和遠(yuǎn)程量子通信——以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)的基本組成部分；另一個(gè)是引入低溫 CMOS 測(cè)控。

以糾錯(cuò)為核心

2019年，Google首次實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性所使用的“懸鈴木”量子處理器是53個(gè)量子比特，2022年已經(jīng)擴(kuò)展至72量子比特。與IBM不同，盡管Google量子比特?cái)?shù)遠(yuǎn)不如IBM，但他們更關(guān)注量子比特的質(zhì)量，在量子糾錯(cuò)方面已取得持續(xù)進(jìn)展。

Google采用5碼距的表面碼在擁有72個(gè)transmon量子比特和121個(gè)可調(diào)諧耦合器的“懸鈴木”設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了糾錯(cuò)。更為重要的是，以往的糾錯(cuò)研究隨著比特?cái)?shù)的增加，錯(cuò)誤率會(huì)提高，都是“越糾越錯(cuò)”，而這次Google首次實(shí)現(xiàn)了“越糾越對(duì)”。也就是說(shuō)，突破了量子糾錯(cuò)的盈虧平衡點(diǎn)，這是量子計(jì)算“萬(wàn)里長(zhǎng)征”中的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算所需的邏輯錯(cuò)誤率指出了全新途徑。

IBM目前的重六邊形二維量子比特陣列，每個(gè)量子比特都以某種重復(fù)模式連接到芯片表面上的其他附近的量子比特。同時(shí)IBM已經(jīng)開始研究在芯片上的遠(yuǎn)距離量子比特之間建立連接，以及在這些連接之間進(jìn)行交叉，這可能為以后實(shí)現(xiàn)高效容錯(cuò)代碼的機(jī)器鋪平道路。

總的來(lái)說(shuō)，2022年超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)路線的成果主要集中于門速度、門保真度、信號(hào)的讀取、相干時(shí)間以及量子比特?cái)?shù)量方面?？梢灶A(yù)見，超導(dǎo)路線在IBM的帶領(lǐng)下，在未來(lái)3年仍將持續(xù)領(lǐng)跑其他技術(shù)路線。但同時(shí)，該技術(shù)路線仍有很多困難要克服，更遠(yuǎn)的將來(lái)是否會(huì)繼續(xù)保持領(lǐng)先地位仍未可知。

2）離子阱量子計(jì)算

向容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)邁進(jìn)

離子阱的一大優(yōu)勢(shì)就是天然離子具有全同性，所以它們的相干時(shí)間特別長(zhǎng)，并且門保真度也非常高。在此基礎(chǔ)上，2022年，離子阱量子計(jì)算技術(shù)路線的主要成果之一為繼續(xù)提高狀態(tài)制備和測(cè)量（SPAM）保真度。主要成果來(lái)源于Quantinuum和IonQ兩家量子企業(yè)。兩家公司將SPAM保真度，分別提高到了99.9904%、99.96%，處于行業(yè)的領(lǐng)先水平，這也得益于離子阱相較于其他技術(shù)路線在保真度上的天然優(yōu)勢(shì)。

更重要的是，霍尼韋爾旗下量子計(jì)算公司Quantinuum通過(guò)實(shí)驗(yàn)首次演示了在兩個(gè)邏輯量子比特之間的糾纏門，并以完全容錯(cuò)的方式完成實(shí)時(shí)糾錯(cuò)；首次演示了比相應(yīng)物理電路具有更高保真度的邏輯電路；這一里程碑式的成就標(biāo)志著邏輯量子比特性能優(yōu)于物理量子比特——這是邁向容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵一步。

探索擴(kuò)展量子比特的方式

提升離子阱互聯(lián)能力、擴(kuò)展系統(tǒng)比特?cái)?shù)目，是離子阱企業(yè)殊途同歸的發(fā)展方向。

2022年初，IonQ宣布將在新系統(tǒng)中使用鋇離子，取代此前的鐿離子，因?yàn)樗m合光子－離子糾纏。該公司于3月發(fā)布其最新一代的量子系統(tǒng)IonQ Forte，包含32個(gè)量子比特，擁有能夠處理多達(dá)40個(gè)單獨(dú)離子量子比特的AOD系統(tǒng)。離子阱體系本身存在擴(kuò)展難的問題，但隨著IonQ提出了多核架構(gòu)，未來(lái)1—2年離子阱量子計(jì)算機(jī)也將突破100量子比特。2023年1月，Entangled Networks團(tuán)隊(duì)加入IonQ，主要從事下一代網(wǎng)絡(luò)量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)和全棧式量子編譯器的研究。這項(xiàng)收購(gòu)支持IonQ通過(guò)在多個(gè)分布式量子處理器上實(shí)現(xiàn)計(jì)算來(lái)構(gòu)建大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的努力。

除了量子比特?cái)?shù)可以衡量量子計(jì)算機(jī)的性能外，其他參數(shù)，包括相干時(shí)間、計(jì)算速度、線路深度、錯(cuò)誤率、連通性等同樣可以很好地表示量子計(jì)算機(jī)性能的好壞。

離子阱的最大優(yōu)勢(shì)可以在QV這個(gè)指數(shù)上體現(xiàn)出來(lái)（離子阱路線目前最大量子體積（QV）達(dá)到了8192，也是所有量子計(jì)算機(jī)路線中最大的）。首先是它的量子比特間的全連接度，其次是它的退相干時(shí)間長(zhǎng)；這兩個(gè)優(yōu)勢(shì)目前彌補(bǔ)了量子比特?cái)?shù)目少的缺陷。

探索多樣的技術(shù)路線

3）光量子計(jì)算

各項(xiàng)指標(biāo)均有所突破

在量子計(jì)算優(yōu)越性展示方面，2022年6月，光量子計(jì)算的代表企業(yè)Xanadu，通過(guò)使用最新的可編程光量子計(jì)算機(jī)Borealis，完成高斯玻色采樣實(shí)驗(yàn)，展示了量子計(jì)算優(yōu)越性。該公司的下一個(gè)目標(biāo)是建立一個(gè)能夠擴(kuò)展至100萬(wàn)量子比特的容錯(cuò)和糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)。同樣有此目標(biāo)、且累計(jì)融資達(dá)6.65億美元的PsiQuantum公司，2022年在糾錯(cuò)量子計(jì)算架構(gòu)方面取得一定突破，但并未推出任何產(chǎn)品或樣機(jī)。

在光量子處理器方面，荷蘭光量子計(jì)算公司QuiX Quantum于2022年3月推出新的20量子模式（qumode）處理器。這是一種基于連續(xù)變量（CV）的 光量子處理器，不同于PsiQuantum的路線，后者是采用離散的光子量子比特。

在糾纏光子的數(shù)量方面，8月美國(guó)馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所（MPQ）成功地以明確的方式有效地糾纏了14個(gè)光子，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

高維光量子計(jì)算顯露優(yōu)勢(shì)

2022年3月，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了高維（quantum dit，qudit）量子計(jì)算芯片，在大規(guī)模集成硅基光量子芯片上實(shí)現(xiàn)了高維量子位初始化、操作和測(cè)量器件的單片集成，通過(guò)編程重構(gòu)該量子處理器，運(yùn)行了上百萬(wàn)次高保真度量子操作，執(zhí)行了多種重要的高維量子傅里葉變換類算法，進(jìn)而證明了高維量子計(jì)算具有比二進(jìn)制量子比特（quantum bit）編碼的量子計(jì)算更大的計(jì)算容量、更高的計(jì)算精度和更快的計(jì)算速度等顯著優(yōu)勢(shì)，有望加速構(gòu)建大尺度光量子計(jì)算機(jī)。

利用光量子的高維量子態(tài)做計(jì)算總的來(lái)說(shuō)并不是一項(xiàng)非常新的技術(shù)。早在2019年8月，奧地利科學(xué)院和維也納大學(xué)的團(tuán)隊(duì)（Anton Zeilinger）就首次成功地傳送了三維量子態(tài)，即高維量子系統(tǒng)可以傳輸比量子比特更多的信息，這將有助于將量子計(jì)算機(jī)與量子比特以外的信息容量連接起來(lái)。
光量子的高維量子態(tài)主要是用光的路徑來(lái)進(jìn)行編碼，如編碼在4條路徑上來(lái)形成4維量子態(tài)；區(qū)別于多自由度，比如兩個(gè)光子同時(shí)對(duì)其角動(dòng)量、偏振、路徑等同時(shí)進(jìn)行編碼。光量子做高維量子計(jì)算主要有三方面的優(yōu)勢(shì)：

1. 可以減少損耗。在減小或保持損耗的情況下，能夠把希爾伯特空間做大；
2. 簡(jiǎn)化量子門的構(gòu)建與編譯。在量子計(jì)算中，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)二維的不可逆門，比如與或非這樣經(jīng)典操作的門，可以把它擴(kuò)展到三維的量子位，用多余的量子位去存儲(chǔ)在計(jì)算過(guò)程中冗余的信息，讓門變成可逆，就可以更好地實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)操作；
3. 一次可以輸入更高維度的信息。即在相位估計(jì)中，用迭代相位估計(jì)的方法，迭代一次可以得出4位，相當(dāng)于芯片跑一次就可以得出4位的結(jié)果。這不僅是在計(jì)算過(guò)程中將體系變大了，而且每次得到的結(jié)果與能輸入的結(jié)果也都變多了。此外跟經(jīng)典結(jié)合的時(shí)候，高維量子計(jì)算也會(huì)有一些優(yōu)勢(shì)。
3）中性原子量子計(jì)算
該技術(shù)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是可以將多種類型的光鑷（其中一些可以快速移動(dòng)）與它們攜帶的原子結(jié)合起來(lái)。該路線目前已經(jīng)利用光鑷技術(shù)建立了由200多個(gè)中性原子組成的陣列，并且正在迅速結(jié)合新的和現(xiàn)有的技術(shù)，將這些原子變成完全工作的量子計(jì)算機(jī)。這種光鑷使得該技術(shù)比其他平臺(tái)（如超導(dǎo)體）更加靈活，可以與更大范圍的原子互動(dòng)，而在超導(dǎo)體中，每個(gè)量子比特只能與芯片上的直接鄰居互動(dòng)。

2022年“中性原子元年”

2022年，各個(gè)路線量子計(jì)算機(jī)均有一些頗為亮眼的表現(xiàn)，但中性原子路線的量子計(jì)算機(jī)可以說(shuō)是2022年度不折不扣的年度黑馬，主要成果包括原子比特?cái)?shù)的刷新、相干時(shí)間和最快雙量子比特門速度、大規(guī)模原子量子處理器的發(fā)布等，無(wú)論是在技術(shù)還是商業(yè)成熟度上，都呈現(xiàn)出跨越式的發(fā)展。
2022年年末實(shí)現(xiàn)了一些商業(yè)化進(jìn)展：QuEra在AWS上推出256量子比特模擬量子處理器，QuEra的QPU是亞馬遜Braket上第一個(gè)能夠進(jìn)行“模擬哈密頓量模擬（AHS）”量子計(jì)算范式的設(shè)備；M Squared公布了英國(guó)第一臺(tái)商用中性原子量子計(jì)算機(jī)的原型機(jī)——Maxwell系統(tǒng)。

在專用量子模擬機(jī)上優(yōu)勢(shì)明顯

中性原子路線在過(guò)去的一年取得了如此令人驕傲的進(jìn)展絕非偶然。究其根本原因，主要是量子計(jì)算機(jī)在其量子比特?cái)?shù)量、容錯(cuò)能力、相干時(shí)間等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)尚不具備實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算之前，專用量子計(jì)算機(jī)或?qū)⒊蔀榱孔佑?jì)算領(lǐng)域近期的主要發(fā)展目標(biāo)。超導(dǎo)等路線作為通用的量子計(jì)算路線，可以與中性原子一樣去做量子模擬。但中性原子路線比超導(dǎo)路線做量子模擬機(jī)的優(yōu)勢(shì)就在于原子的天然哈密頓量之間的相互作用。對(duì)于同樣的問題，處理得到同樣的結(jié)果，中性原子路線并不需要龐大且昂貴的稀釋制冷機(jī)來(lái)為芯片提供超低溫環(huán)境，當(dāng)然光量子計(jì)算也有同樣的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)原理多領(lǐng)域通用

中性原子技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景也是多樣的，其細(xì)分路線中的里德堡原子可以在量子通信中做原子天線、在量子計(jì)算領(lǐng)域做芯片，以及在量子精密測(cè)量領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。除此之外，另一條冷原子路線還可以用來(lái)做量子中繼以及量子存儲(chǔ)器。
綜上所述，中性原子以其廣泛的應(yīng)用前景也間接地帶動(dòng)了關(guān)于其科研以及商業(yè)化的進(jìn)程，促進(jìn)了該路線的高速跨越式發(fā)展。

4）半導(dǎo)體量子計(jì)算

保真度實(shí)現(xiàn)突破

目前硅基量子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于利用了類似小芯片中集成數(shù)十億個(gè)晶體管的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，因此可以利用當(dāng)前成熟的半導(dǎo)體技術(shù)：得益于硅基自旋量子比特與成熟的納米加工技術(shù)的兼容性，半導(dǎo)體量子計(jì)算在過(guò)去的一年，容錯(cuò)上進(jìn)展明顯。

走向可擴(kuò)展性

當(dāng)前半導(dǎo)體量子芯片的擴(kuò)展性一直是該路線研究的難點(diǎn)之一。2022年，半導(dǎo)體路線解決了諸多難題，在傳輸方式、工作溫區(qū)以及量子比特?cái)?shù)量上都取得了很大的階段性進(jìn)展。

目前硅基技術(shù)的主要挑戰(zhàn)是每個(gè)量子比特的質(zhì)量不一樣，這也是科學(xué)家致力于解決的主要困難?；诋?dāng)前已實(shí)現(xiàn)的技術(shù)狀況來(lái)看，下一步硅半導(dǎo)體量子計(jì)算的核心研究任務(wù)依舊是如何采用現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)產(chǎn)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)多量子比特耦合和普適量子邏輯門操控，從而構(gòu)建大規(guī)?？蓴U(kuò)展的硅量子芯片，實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)的量子計(jì)算原型機(jī)。

2022年對(duì)量子計(jì)算來(lái)說(shuō)是一個(gè)積極和充滿希望的結(jié)束。研究電子輸運(yùn)，開發(fā)容錯(cuò)的自旋量子比特系統(tǒng)，以及通過(guò)使用傳統(tǒng)電子技術(shù)模擬量子結(jié)構(gòu)，可能成為規(guī)避量子力學(xué)定律所帶來(lái)的限制、將量子計(jì)算機(jī)帶出實(shí)驗(yàn)室、進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界和解決現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜問題的關(guān)鍵。

5）拓?fù)淞孔佑?jì)算

拓?fù)淞孔佑?jì)算作為當(dāng)下炙手可熱的一個(gè)技術(shù)路線，其優(yōu)勢(shì)是硬件層面的糾錯(cuò)。原理比較復(fù)雜，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子比特是一個(gè)單獨(dú)的個(gè)體，與其他量子比特相互作用，是很容易出錯(cuò)的，而且量子比特?cái)?shù)越多，越容易出錯(cuò)，出錯(cuò)了信息就可能丟失。但拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)是將幾個(gè)量子比特組成起來(lái)形成一個(gè)固定結(jié)構(gòu)，無(wú)論受到外界何種干擾，不會(huì)造成信息丟失。

對(duì)于拓?fù)淞孔颖忍貋?lái)說(shuō)，目前研究最多的馬約拉納費(fèi)米子只是一種預(yù)言的費(fèi)米子，它的反粒子就是它本身。但馬約拉納費(fèi)米子仍未在自然界中找到，因此科學(xué)家們希望制造一種叫做馬約拉納零能模的任意子。與自然存在于真空中的電子或光子等基本粒子不同，馬約拉納任意子需要在混合材料中產(chǎn)生。

持續(xù)探索新材料

目前構(gòu)成拓?fù)淞孔佑?jì)算可能的系統(tǒng)有三大類：分?jǐn)?shù)量子霍爾、拓?fù)涑瑢?dǎo)體以及拓?fù)浣^緣體。目前科學(xué)家所實(shí)驗(yàn)出來(lái)的代表材料分別為GaAs/AlGaAs、Pb上的Fe原子鏈以及非阿貝爾Jackiw中的Rebbi（-like）模式（僅提案）。

總的來(lái)說(shuō)，拓?fù)淞孔佑?jì)算的研究目前還停留在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，很難甚至不能斷定研究的哪個(gè)系統(tǒng)，以及該方向是否值得研究。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的角度上來(lái)看，具有容錯(cuò)特性的拓?fù)淞孔佑?jì)算的研究，應(yīng)該得到更多鼓勵(lì)。

技術(shù)原理取得突破

拓?fù)湎嗟奶卣魇腔鶓B(tài)的長(zhǎng)程糾纏，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探針不容易獲得。2022年3月，微軟Azure Quantum團(tuán)隊(duì)提出的“拓?fù)溟g隙協(xié)議”（TGP）解決了這個(gè)困難，作為通過(guò)量子輸運(yùn)測(cè)量確定拓?fù)湎嗟臉?biāo)準(zhǔn)。如果能夠通過(guò)該協(xié)議，就證明存在拓?fù)溟g隙。為此，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種設(shè)備：拓?fù)涑瑢?dǎo)線的末端有馬約拉納零能模。線的兩端都有一個(gè)實(shí)數(shù)費(fèi)米子算符。最終，微軟團(tuán)隊(duì)在這個(gè)設(shè)備上測(cè)量到了超過(guò)30μeV的拓?fù)溟g隙，消除了產(chǎn)生拓?fù)淞孔颖忍氐淖畲笳系K。

這些里程碑式的技術(shù)進(jìn)步，都是未來(lái)制造拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的關(guān)鍵原理步驟。拓?fù)淞孔佑?jì)算非常依賴于任意子的融合和編織（拓?fù)錅?zhǔn)粒子的兩種原始操作），而拓?fù)溟g隙控制著物質(zhì)的基本狀態(tài)為這些操作提供的容錯(cuò)能力。因此不論是微軟通過(guò)馬約拉納零能模和可測(cè)量的拓?fù)溟g隙創(chuàng)建和維持量子相位的能力，消除了產(chǎn)生拓?fù)淞孔颖忍氐淖畲笳系K，還是普林斯頓大學(xué)所研究的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。基于拓?fù)淞孔颖忍氐牧孔佑?jì)算機(jī)都將比其他已知量子比特構(gòu)建的機(jī)器表現(xiàn)更為穩(wěn)定。

核心設(shè)備與器件

硬件系統(tǒng)中，mK級(jí)稀釋制冷機(jī)（包含GM脈管預(yù)制冷設(shè)備）以及微波控制電路系統(tǒng)（包含一體化量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)、射頻微波線纜、低溫電子器件、射頻微波儀器儀表等）是超導(dǎo)或半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)的核心設(shè)備。射頻微波線纜（同軸電纜、柔性電纜等）是連接處于低溫的量子芯片和處于室溫的測(cè)控系統(tǒng)之間的橋梁，低溫電子器件則又包含低溫耦合器、低溫低通濾波器、低溫隔離器、紅外濾波器、低溫放大器等細(xì)分部件。

對(duì)于量子比特控制與測(cè)量，根據(jù)其技術(shù)路線不同，量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)主要分為兩大類型：一類是光學(xué)系統(tǒng)，包括光子源、單光子探測(cè)器、激光機(jī)等部分。主要負(fù)責(zé)光量子、離子阱以及中性原子等路線量子計(jì)算的測(cè)控；另一類是微波控制電路系統(tǒng)，主要包含任意波形發(fā)生器、鎖相放大器等一系列微波器件。該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)超導(dǎo)以及半導(dǎo)體量子計(jì)算的測(cè)控（也負(fù)責(zé)如離子阱、中性原子、金剛石NV色心等路線的控制）。

1）稀釋制冷機(jī)

目前，能達(dá)到mK極端低溫的技術(shù)包括在空間科學(xué)衛(wèi)星上應(yīng)用比較廣泛的絕熱消磁制冷器，以及在地面實(shí)驗(yàn)研究和空間科學(xué)衛(wèi)星上也已經(jīng)成熟的吸附式制冷機(jī)。在這些極端低溫技術(shù)中，吸附式冷卻器可以滿足250mk以上溫度區(qū)的任務(wù)要求，但絕熱消磁制冷器結(jié)合吸附式冷卻器或其他預(yù)冷方法可以滿足250mk以下溫度區(qū)的要求。

稀釋制冷機(jī)在不同低溫領(lǐng)域均有應(yīng)用，量子計(jì)算機(jī)則為其主要應(yīng)用領(lǐng)域。其中超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)以及拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)對(duì)稀釋制冷機(jī)有較高的低溫要求，且目前稀釋制冷機(jī)的主要工作溫度區(qū)間為5mk-4k之間。

目前唯一適合量子計(jì)算機(jī)的制冷技術(shù)

當(dāng)前其他類型的超低溫冷卻器可以達(dá)到幾乎與稀釋制冷機(jī)一樣低的溫度，但它們不適合用于量子計(jì)算，而是適用于預(yù)冷，如絕熱退磁冷卻器，它是一次性的低溫方法，不能提供持久的低溫環(huán)境，不適合直接用于支持量子計(jì)算和量子模擬。

通常情況下，對(duì)于拓?fù)淞孔佑?jì)算的研究大多是由稀釋制冷機(jī)來(lái)為其創(chuàng)造接近0K的溫度，而更低溫則是由絕熱核退磁制冷機(jī)經(jīng)過(guò)稀釋制冷機(jī)預(yù)冷，來(lái)達(dá)到凝聚態(tài)中的最低溫度，這也是將宏觀物體冷卻到微開爾文（μK）的唯一方法。

破除體積限制是當(dāng)前研發(fā)重點(diǎn)

2022年3月，美國(guó)丹佛初創(chuàng)公司Maybell Quantum推出了為下一代量子計(jì)算機(jī)提供動(dòng)力的低溫平臺(tái)——Icebox稀釋制冷機(jī)。該機(jī)器在十分之一的空間中支持的量子比特?cái)?shù)量是原來(lái)的三倍，且制冷機(jī)中有4500條超導(dǎo)柔性線。這是第一個(gè)帶門的系統(tǒng)，可以在不拆開它的情況下訪問量子比特。
IBM于2021年公布了他們的“黃金眼（Goldeneye）項(xiàng)目”，即為量子計(jì)算機(jī)造一臺(tái)前所未有的超大稀釋制冷機(jī)——包含1.7立方米的實(shí)驗(yàn)容積，可以將比三個(gè)家庭廚房冰箱更大的容積冷卻到比外太空更冷的溫度，而之前的制冷機(jī)在0.4-0.7立方米的范圍內(nèi)。后于2022年9月成功地將“黃金眼”冷卻到工作溫度（~25 mK），并在內(nèi)部連接了一個(gè)量子處理器。

12月，美國(guó)能源部費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員宣布他們正在建造Colossus，建成后它將成為迄今為止mK溫度下最大、最強(qiáng)的稀釋制冷機(jī)，黃金眼僅為Colossus容積的三分之一。這臺(tái)巨型制冷機(jī)將能夠容納數(shù)百到數(shù)千個(gè)高度相干的腔和量子比特，為標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)稀釋制冷機(jī)在該溫度下冷卻能力的10倍和體積的15倍。然而，由于其像一個(gè)倒置的婚禮蛋糕，最大直徑約為2米，包含七個(gè)直徑、每一直徑越來(lái)越小、溫度越來(lái)越低，且需要將這些盤子相互懸掛，形成Colossus的低溫結(jié)構(gòu)，這些成為目前Colossus的建造面臨的挑戰(zhàn)。

中國(guó)有望實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破

2023年，對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，10mK以下的稀釋制冷機(jī)的禁運(yùn)將迫使其加速自主研發(fā)的進(jìn)程。中國(guó)目前除中科院物理所的姬忠慶團(tuán)隊(duì)在無(wú)液氦稀釋制冷機(jī)上率先實(shí)現(xiàn)了8mk的溫度外；中電科十六所的稀釋制冷機(jī)有了階段性的突破，其連續(xù)循環(huán)工作溫度達(dá)到9.3mK；中船重工鵬力超低溫稀釋制冷機(jī)目前采用GM制冷機(jī)作為預(yù)冷冷源，最低溫度也達(dá)到了12mk（連續(xù)運(yùn)行）。

中國(guó)當(dāng)前稀釋制冷機(jī)自研道路上的難點(diǎn)主要包括研制稀釋制冷機(jī)所必需的同位素3He、預(yù)冷所需的脈沖管和冷頭等預(yù)制冷設(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口，以及一些低溫設(shè)備焊接工藝難題。此外還有需克服像冷漏、超漏問題、盤管熱交換器和銀粉熱交換器等一系列技術(shù)難題。在核心的稀釋制冷機(jī)磁共振冷頭技術(shù)方面，中國(guó)有中船重工鵬力、萬(wàn)瑞冷電和氫合科技這幾家企業(yè)可以做到4k的溫度，是否能有效工作不得而知。

2）測(cè)控系統(tǒng)

在實(shí)現(xiàn)實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)的道路上，最大的挑戰(zhàn)之一是實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)個(gè)量子比特。而這一實(shí)現(xiàn)過(guò)程，離不開量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)。無(wú)論量子計(jì)算機(jī)的體積和形態(tài)如何變化，測(cè)控系統(tǒng)或者說(shuō)這一功能組成都會(huì)存在。對(duì)量子比特實(shí)時(shí)控制、測(cè)量和讀取結(jié)果、反饋結(jié)果這一系列過(guò)程的設(shè)備簡(jiǎn)稱為量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)或量子測(cè)控系統(tǒng)。
超導(dǎo)量子比特的門操作和測(cè)量可以通過(guò)微波和射頻脈沖實(shí)現(xiàn)。這是超導(dǎo)量子比特與其他物理系統(tǒng)構(gòu)建量子比特（原子、離子和光子）的不同之處。

如何應(yīng)對(duì)更多量子比特的測(cè)控

隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，理論上，測(cè)控設(shè)備的測(cè)控線路數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加，因此，未來(lái)量子測(cè)控系統(tǒng)除了提升硬件原有性能之外，還需提升對(duì)擴(kuò)展性的需求。

應(yīng)對(duì)的措施除了對(duì)測(cè)控芯片的集成度增強(qiáng)以外，還有為對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)箱內(nèi)擴(kuò)展和機(jī)箱間擴(kuò)展以及提升系統(tǒng)的通道密度等。機(jī)箱內(nèi)擴(kuò)展是在機(jī)箱內(nèi)插入對(duì)應(yīng)模塊性測(cè)控板卡；機(jī)箱間擴(kuò)展則是連接多個(gè)硬件機(jī)箱來(lái)擴(kuò)展，以針對(duì)更多的測(cè)控需要。當(dāng)然，這是目前在幾百量子比特下的過(guò)渡方案，未來(lái)在超千比特?cái)?shù)下，機(jī)箱方案是絕對(duì)無(wú)法滿足要求的，這就要立即開展低溫CMOS的控制方案研究。

量子反饋延遲時(shí)間需要在100ns量級(jí)上

為了實(shí)現(xiàn)讀出和控制的快速反饋，包括減小測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的上傳與下載之間的延遲、板卡之間以及設(shè)備之間的控制延遲、AWG的輸出延遲等，整個(gè)量子態(tài)的讀出操作、讀出數(shù)據(jù)的分析以及生成反饋操作的過(guò)程，必須在量子比特退相干之前完成，就目前來(lái)看量子反饋延遲時(shí)間需要在100ns量級(jí)上。
目前，限制測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)對(duì)應(yīng)了DiVincenzo標(biāo)準(zhǔn)，如果未來(lái)的發(fā)展邏輯是按照可糾錯(cuò)量子計(jì)算來(lái)部署的，那么目前業(yè)內(nèi)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)邏輯比特個(gè)數(shù)、增加一個(gè)量子比特的花費(fèi)，以及是否能達(dá)到低的通道密度這些方面進(jìn)行考量。隨著時(shí)間的推移，下圖結(jié)合了量子比特個(gè)數(shù)和時(shí)間刻度的關(guān)系，蘇黎世儀器公司給出了里程碑預(yù)測(cè)。

圖表 3-2量子計(jì)算微波測(cè)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

在提高同步性、減少噪生和串?dāng)_方面仍有提升空間

量子測(cè)控面臨多通道之間、機(jī)箱之間以及控制讀取之間的高同步性的需求。高的同步性有利于減小通道間相對(duì)相位漂移引起的噪聲，減小實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)復(fù)雜度。減小噪聲無(wú)論是現(xiàn)在和未來(lái)都始終需要討論的焦點(diǎn)之一，因?yàn)榱孔訙y(cè)控系統(tǒng)的隨機(jī)不可控噪聲以及量子比特本身周圍環(huán)境的噪聲是引起退相干和測(cè)控操作保真度低下的主要原因。

1. 目前減少噪聲一般是從材料、工藝、制冷機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)等方面去提升的。例如新材料在transmon類型的量子比特可以將熱弛豫退相干時(shí)間增加到300us左右；添加Purcell濾波器可以降低Purcell效應(yīng)對(duì)熱弛豫退相干時(shí)間的影響；在稀釋制冷機(jī)內(nèi)部添加紅外濾波器等也可以一定程度上提高熱弛豫退相干時(shí)間。
2. 除了提升硬件系統(tǒng)的性能使得系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性、同步性和低延遲外，設(shè)計(jì)高效的信號(hào)波形算法也是量子測(cè)控系統(tǒng)關(guān)注的重點(diǎn)。例如目前可以通過(guò)優(yōu)化DAC波形的產(chǎn)生邏輯，來(lái)減小控制量子比特的延遲。
3. 改善信號(hào)的串?dāng)_也是重點(diǎn)工作。串?dāng)_的來(lái)源是因?yàn)榭刂菩盘?hào)在傳輸中，受到隔離不好的原因而產(chǎn)生了其他的微小信號(hào)。目前主要的避免方式還是通過(guò)真空和低溫冷卻環(huán)境來(lái)隔離量子比特與其周圍的環(huán)境。未來(lái)將關(guān)注不同的隔離方式來(lái)避免串?dāng)_對(duì)測(cè)控的影響。

低溫芯片化是未來(lái)

低溫環(huán)境能顯著降低溫度帶來(lái)的熱噪聲，能提供量子門操作的保真度。低溫化的趨勢(shì)和芯片化是難以分割的，因?yàn)楦鶕?jù)現(xiàn)有的量子比特控制方法，是需要大量地從室溫到10mK以下量子芯片處的控制線去連接量子測(cè)控系統(tǒng)的。

隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，現(xiàn)有的量子比特控制方法必然會(huì)帶來(lái)稀釋制冷機(jī)的功率與體積的問題，目前的量子計(jì)算機(jī)需要為每個(gè)量子比特配備對(duì)應(yīng)的控制和讀出設(shè)備，對(duì)一百個(gè)量子比特以內(nèi)尚可，但面對(duì)成千上萬(wàn)個(gè)量子比特（此等規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)才被認(rèn)為可實(shí)用化）則將無(wú)法以當(dāng)前方式實(shí)現(xiàn)。為了解決這些問題，低溫集成控制成為一種解決方案，以讀出多路復(fù)用的方法，減少稀釋制冷機(jī)內(nèi)部所需電子設(shè)備和連接線數(shù)量。

3）激光系統(tǒng)

為滿足量子計(jì)算機(jī)的特殊需求，所需激光器必須具有高穩(wěn)定性、高精度的調(diào)諧能力以及較低的漂移，以保證量子信息的精確性和可靠性。此外，在量子計(jì)算機(jī)中，激光器還需要能夠生成特定的光學(xué)信號(hào)，例如單光子脈沖或單模光，用于制造和操縱量子比特。

量子計(jì)算機(jī)所使用的激光器主要是以固體（晶體和玻璃）激光器或者半導(dǎo)體激光器陣列作為抽運(yùn)源，摻入金屬離子的晶體或玻璃基質(zhì)作為增益介質(zhì)的全固態(tài)激光器。從某種意義上來(lái)講，全固態(tài)激光器整合了半導(dǎo)體激光器和固體激光器兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、可靠性高、光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高等一系列優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景巨大。且它可通過(guò)變頻獲得寬波段可見、紅外、紫外甚至深紫外激光輸出，采用電激勵(lì)的方式也便于模塊化。

在各類全固態(tài)激光器中（圓棒激光器、板條激光器），ICV比較感興趣的是光纖激光器，它是利用光纖作為激光介質(zhì)的激光器，主要用于光量子、中性原子以及離子阱量子計(jì)算中。

4）光子源及其他光學(xué)組件

在糾纏光子源方面，偏振糾纏的光子產(chǎn)生大都以自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程（Spontaneous Parametric Down Conversion，簡(jiǎn)稱 SPDC）為主。它是光與晶體的一類典型的非線性過(guò)程，這種過(guò)程可以簡(jiǎn)單描述為一束激光（在非線性光學(xué)中稱為泵浦光）入射到晶體上。當(dāng)滿足一定條件時(shí)，入射光子會(huì)轉(zhuǎn)化成兩個(gè)在頻率、偏振、傳播路徑和時(shí)間上都具有強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)的光子。

目前糾纏光子源面臨的兩個(gè)問題是退相干現(xiàn)象和亮度低。其中退相干現(xiàn)象指的是所產(chǎn)生光子的各個(gè)疊加部分的相對(duì)相位發(fā)生改變，從而使得各個(gè)部分的相干疊加性被破壞，影響糾纏作用。在實(shí)驗(yàn)中與退相干相關(guān)的一個(gè)指標(biāo)是對(duì)比度，對(duì)比度是衡量光子之間糾纏作用強(qiáng)弱的物理量，退相干越嚴(yán)重，對(duì)比度越低。

在單光子源方面，長(zhǎng)久以來(lái)，其純度問題一度困擾科學(xué)家們很長(zhǎng)的時(shí)間，基本的方案都是通過(guò)準(zhǔn)相干技術(shù)，例如雙光子產(chǎn)生（SPDC）、單晶材料生成單光子源等。通過(guò)這些技術(shù)，能夠生成具有較高純度的單光子源，從而滿足量子信息科學(xué)研究的需求。

2022年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)提出了目前最好的方案。課題組利用里德堡原子之間的相互作用實(shí)現(xiàn)了超級(jí)原子量子態(tài)的高精度激發(fā)與操控，并基于此制備了純度達(dá)99.95%和全同度達(dá)99.94%的高質(zhì)量單光子源。隨后將其應(yīng)用到基于KLM方案的光量子邏輯門實(shí)驗(yàn)中，并成功地將真值表保真度提高到了99.84%。利用該高保真度的光量子邏輯門，最后通過(guò)量子層析及貝爾不等式等方式進(jìn)行了量子糾纏測(cè)量，其糾纏門保真度達(dá)到了99.69%。
5）光子源及其他光學(xué)組件

在糾纏光子源方面，偏振糾纏的光子產(chǎn)生大都以自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程（Spontaneous Parametric Down Conversion，簡(jiǎn)稱 SPDC）為主。它是光與晶體的一類典型的非線性過(guò)程，這種過(guò)程可以簡(jiǎn)單描述為一束激光（在非線性光學(xué)中稱為泵浦光）入射到晶體上。當(dāng)滿足一定條件時(shí)，入射光子會(huì)轉(zhuǎn)化成兩個(gè)在頻率、偏振、傳播路徑和時(shí)間上都具有強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)的光子。

目前糾纏光子源面臨的兩個(gè)問題是退相干現(xiàn)象和亮度低。其中退相干現(xiàn)象指的是所產(chǎn)生光子的各個(gè)疊加部分的相對(duì)相位發(fā)生改變，從而使得各個(gè)部分的相干疊加性被破壞，影響糾纏作用。在實(shí)驗(yàn)中與退相干相關(guān)的一個(gè)指標(biāo)是對(duì)比度，對(duì)比度是衡量光子之間糾纏作用強(qiáng)弱的物理量，退相干越嚴(yán)重，對(duì)比度越低。

在單光子源方面，長(zhǎng)久以來(lái)，其純度問題一度困擾科學(xué)家們很長(zhǎng)的時(shí)間，基本的方案都是通過(guò)準(zhǔn)相干技術(shù)，例如雙光子產(chǎn)生（SPDC）、單晶材料生成單光子源等。通過(guò)這些技術(shù)，能夠生成具有較高純度的單光子源，從而滿足量子信息科學(xué)研究的需求。

2022年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)提出了目前最好的方案。課題組利用里德堡原子之間的相互作用實(shí)現(xiàn)了超級(jí)原子量子態(tài)的高精度激發(fā)與操控，并基于此制備了純度達(dá)99.95%和全同度達(dá)99.94%的高質(zhì)量單光子源。隨后將其應(yīng)用到基于KLM方案的光量子邏輯門實(shí)驗(yàn)中，并成功地將真值表保真度提高到了99.84%。利用該高保真度的光量子邏輯門，最后通過(guò)量子層析及貝爾不等式等方式進(jìn)行了量子糾纏測(cè)量，其糾纏門保真度達(dá)到了99.69%。

主要技術(shù)門檻

量子信息技術(shù)屬于高知識(shí)密集型領(lǐng)域，其操控處理的是單量子級(jí)別的微觀物理對(duì)象，具有跨學(xué)科、高精尖的技術(shù)特點(diǎn)，產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新要求企業(yè)具備較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力、配置豐富的技術(shù)研發(fā)資源，要求企業(yè)研發(fā)人員對(duì)量子信息理論深刻理解，并在光學(xué)、微電子學(xué)、軟件和集成技術(shù)等方面形成系統(tǒng)性支撐。

在量子保密通信領(lǐng)域，底層技術(shù)涉及到高效率的單光子探測(cè)、高精度的物理信號(hào)處理、高信噪比的信息調(diào)制、保持和提取、光學(xué)/光電集成、制冷集成、高速高精度專用集成電路等；在應(yīng)用推廣上，不同行業(yè)、不同領(lǐng)域的用戶對(duì)信息安全的技術(shù)需求也不盡相同，需要在了解量子通信技術(shù)的同時(shí)了解經(jīng)典信息通信系統(tǒng)和安全技術(shù)，才能夠研發(fā)出匹配用戶當(dāng)前真實(shí)需求、兼顧用戶安全需求發(fā)展空間的產(chǎn)品和應(yīng)用解決方案。此外，量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)環(huán)境也不相同，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案的經(jīng)濟(jì)性、項(xiàng)目的快速交付以及業(yè)務(wù)連續(xù)性也是技術(shù)難點(diǎn)。

在量子計(jì)算方面，從量子比特?cái)?shù)量到糾錯(cuò)、邏輯門保真度的提高，都是衡量量子計(jì)算能力的重要基準(zhǔn)，在量子芯片材料、結(jié)構(gòu)與工藝、量子計(jì)算機(jī)整體構(gòu)架以及操作和應(yīng)用系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)自主可控、國(guó)產(chǎn)化以及提高集成度等，都是難點(diǎn)所在。

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用上，通用量子計(jì)算機(jī)的落地還有很長(zhǎng)的一段時(shí)間，量子計(jì)算需要在NISQ（中等規(guī)模含噪聲）的量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的應(yīng)用探索，通過(guò)并行運(yùn)算以及不斷優(yōu)化算法，同時(shí)克服目前量子計(jì)算設(shè)備的局限性進(jìn)行輸出，方能滿足客戶的高標(biāo)準(zhǔn)和高需求。

量子計(jì)算機(jī)研制已從高校、研究所為主發(fā)展為以公司為主力，從實(shí)驗(yàn)室的研究邁進(jìn)到企業(yè)的實(shí)用器件研制，量子計(jì)算機(jī)將經(jīng)歷3個(gè)發(fā)展階段：

1、量子計(jì)算原型機(jī)

原型機(jī)的比特?cái)?shù)較少，信息功能不強(qiáng)，應(yīng)用有限，但“五臟俱全”，是地地道道地按照量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的量子處理器。IBM Q System One就是這類量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)。

2、量子霸權(quán)

量子比特?cái)?shù)在50-100左右，其運(yùn)算能力超過(guò)任何經(jīng)典的電子計(jì)算機(jī)。但未采用 “糾錯(cuò)容錯(cuò)” 技術(shù)來(lái)確保其量子相干性，因此只能處理在其相干時(shí)間內(nèi)能完成的那類問題，故又稱為專用量子計(jì)算機(jī)，這種機(jī)器實(shí)質(zhì)是中等規(guī)模帶噪聲量子計(jì)算機(jī) (noisy intermediate-scalequantum, NISQ)。應(yīng)當(dāng)指出，“量子霸權(quán)”實(shí)際上是指在某些特定的問題上量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力超越了任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)。這些特定問題的計(jì)算復(fù)雜度經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)論證，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上是指數(shù)增長(zhǎng)或超指數(shù)增長(zhǎng)，而 在量子計(jì)算機(jī)上是多項(xiàng)式增長(zhǎng)，因此體現(xiàn)了量子計(jì)算的優(yōu)越性。

3、通用量子計(jì)算機(jī)

這是量子計(jì)算機(jī)研制的終極目標(biāo)，用來(lái)解決任何可解的問題，可在各個(gè)領(lǐng)域 獲得廣泛應(yīng)用。通用量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)必須滿足兩個(gè)基本條件，一是量子比特?cái)?shù)要達(dá)到幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)量級(jí)，二是應(yīng)采用 “糾錯(cuò)容錯(cuò)” 技術(shù)。鑒于人類對(duì)量子世界操控能力還相當(dāng)不成熟，因此最終研制成功通用量子計(jì)算機(jī)還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。

產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

世界主要國(guó)家進(jìn)一步加大量子科技戰(zhàn)略部署，中國(guó)整體并跑、部分領(lǐng)跑

2022年諾貝爾獎(jiǎng)首次頒發(fā)給量子信息領(lǐng)域的學(xué)者，讓外界進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到發(fā)展量子科技具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值。近年來(lái)，各主要國(guó)家和地區(qū)紛紛制定了國(guó)家層面的戰(zhàn)略計(jì)劃，大力支持量子信息技術(shù)發(fā)展。2022年，美國(guó)進(jìn)一步以立法方式推動(dòng)量子信息發(fā)展，在8月出臺(tái)的《芯片和科學(xué)法案》中授權(quán)美國(guó)政府撥款約1,700億美元用于促進(jìn)美國(guó)未來(lái)5年在人工智能、量子計(jì)算等各領(lǐng)域的科研創(chuàng)新；在當(dāng)年12月簽署《量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)安全防范法案》中，鼓勵(lì)聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)采用不受量子計(jì)算影響的加密技術(shù)。2022年11月，歐盟發(fā)布《戰(zhàn)略研究和產(chǎn)業(yè)議程（SRIA）》報(bào)告，統(tǒng)籌目前歐洲正在進(jìn)行的量子技術(shù)工業(yè)和研發(fā)計(jì)劃，包括量子通信、量子計(jì)算、量子傳感等，全面推進(jìn)量子技術(shù)戰(zhàn)略。繼通過(guò)《量子技術(shù)：從基礎(chǔ)到市場(chǎng)的框架計(jì)劃》后，德國(guó)聯(lián)邦政府2022年推出了“量子系統(tǒng)研究計(jì)劃”，其任務(wù)是在未來(lái)十年將德國(guó)帶入歐洲量子計(jì)算和量子傳感器領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，并提高德國(guó)在量子系統(tǒng)方面的競(jìng)爭(zhēng)力。澳大利亞、日本、韓國(guó)、印度等也發(fā)布和實(shí)施了相關(guān)計(jì)劃。受益于黨和國(guó)家前瞻部署和戰(zhàn)略布局，目前我國(guó)在量子通信的研究和應(yīng)用方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位，在量子計(jì)算方面與發(fā)達(dá)國(guó)家整體處于同一水平，在量子精密測(cè)量方面發(fā)展迅速。

量子信息產(chǎn)業(yè)探索不斷，產(chǎn)業(yè)鏈漸漸形成

在國(guó)家戰(zhàn)略牽引和先行者的示范帶動(dòng)下，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外量子信息領(lǐng)域不斷有“新軍”加入，科技巨頭和風(fēng)投資本投入不斷增加，初創(chuàng)型中小型量子科技企業(yè)茁壯成長(zhǎng)。2022年，加拿大科技公司Xanadu獲得了1億美元的融資，并在光量子體系實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”；量子計(jì)算技術(shù)公司D-Wave和Rigetti通過(guò)SPAC等方式上市并獲得融資；美國(guó)量子AI軟件公司SandboxAQ正式從谷歌母公司Alphabet剝離及獲得融資。目前，全球范圍內(nèi)以量子信息技術(shù)為主營(yíng)業(yè)務(wù)的上市公司數(shù)量不多，說(shuō)明行業(yè)整體還在早期。日本東芝、韓國(guó)SKT（收購(gòu)瑞士IDQ）、中國(guó)電信、華為、中國(guó)電科集團(tuán)等通信及ICT巨頭都成立了相關(guān)量子保密通信研發(fā)團(tuán)隊(duì)；IBM、谷歌、亞馬遜、微軟、英特爾、霍尼韋爾等科技巨頭也在量子計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)行了重點(diǎn)布局。

目前量子保密通信產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)相對(duì)較為成熟，其上游主要是元器件和核心設(shè)備，包括電子學(xué)元器件、光學(xué)器件、結(jié)構(gòu)件等；中游主要是量子保密通信產(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)服務(wù)供應(yīng)商、量子保密通信網(wǎng)絡(luò)集成與運(yùn)營(yíng)商等；下游主要是安全應(yīng)用，通過(guò)和ICT/5G/物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的深度融合開發(fā)出高度適配、具備性價(jià)比的融合產(chǎn)品，觸達(dá)B/C端消費(fèi)群體，培養(yǎng)大批創(chuàng)新型中小生態(tài)鏈企業(yè)。近年來(lái)，量子保密通信上下游合作增強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范推進(jìn)，使得更多行業(yè)理解并掌握量子保密通信的相關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步投身到量子安全領(lǐng)域中。例如，上游的光芯片行業(yè)已經(jīng)開始加入到輕量化量子保密通信設(shè)備核心部件研制中，下游的安全應(yīng)用企業(yè)也開始出謀劃策，豐富落地場(chǎng)景。

在量子計(jì)算方面，國(guó)際上還在對(duì)各種有望實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的物理體系開展系統(tǒng)性研究，量子計(jì)算正在從理論概念初步發(fā)展為新興產(chǎn)業(yè)。歐洲計(jì)劃在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑并在量子芯片的性能、控制能力等技術(shù)上持續(xù)探索；中長(zhǎng)期則通過(guò)實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，提高操控性和可編程性，在量子計(jì)算和產(chǎn)業(yè)之間搭建起橋梁，開發(fā)更實(shí)用的應(yīng)用程序。

當(dāng)前，硬件是量子計(jì)算的主要投資領(lǐng)域，即量子計(jì)算原型機(jī)的供應(yīng)鏈方向，包括研發(fā)過(guò)程中所需的儀器設(shè)備、相關(guān)組件、微納加工所需工藝設(shè)備、量子計(jì)算原型機(jī)組建等。其次，由于量子計(jì)算輻射的可應(yīng)用領(lǐng)域較廣，Gartner預(yù)測(cè)2023年約20%的組織將為量子計(jì)算項(xiàng)目開展預(yù)算，進(jìn)行量子計(jì)算原型機(jī)適配的實(shí)驗(yàn)操控軟件、有應(yīng)用價(jià)值的量子加速算法等。

關(guān)鍵領(lǐng)域融合應(yīng)用增多，量子安全受重視

在量子保密通信和安全方面，美國(guó)一直是全球抗量子密碼（PQC）的主要推進(jìn)力量，但其與量子有關(guān)的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從未停止過(guò)QKD技術(shù)的研究和驗(yàn)證QKD網(wǎng)絡(luò)的可使用性。美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Qubitekk公司合作在實(shí)際的智能電網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)上開展了基于QKD的安全認(rèn)證(包含簽名與驗(yàn)證)研究和試驗(yàn)；在歐洲，2022年歐盟27個(gè)成員國(guó)全部承諾，同意與歐盟委員會(huì)和歐洲航天局合作建設(shè)EuroQCI——?dú)W洲量子通信基礎(chǔ)設(shè)施;歐洲2022年發(fā)布的路線圖顯示，將進(jìn)一步推進(jìn)部署多個(gè)城域量子密鑰分發(fā)（QKD）網(wǎng)絡(luò)和具有可信節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模QKD網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)基于歐洲供應(yīng)鏈的QKD制造、在電信公司銷售QKD服務(wù)等；中短期內(nèi)逐步實(shí)現(xiàn)區(qū)域、國(guó)家、歐洲范圍和基于衛(wèi)星的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)部署。在此框架下，歐盟計(jì)劃借助量子加密技術(shù)為成員國(guó)的經(jīng)濟(jì)、安全和國(guó)防等提供安全通信，總投資約60億歐元。英國(guó)計(jì)劃于2024年初啟動(dòng)量子通信衛(wèi)星的在軌演示任務(wù)。在德國(guó)，圖林根州已經(jīng)投資1,100萬(wàn)歐元開展量子通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

截至2022年末，我國(guó)建設(shè)完成的國(guó)家量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)覆蓋京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈等國(guó)家重要戰(zhàn)略區(qū)域，地面干線總里程超過(guò)10,000公里。整體上看，在量子保密通信領(lǐng)域，我國(guó)從科研到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先地位，量子保密通信網(wǎng)絡(luò)已成為國(guó)家信息安全基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，在大數(shù)據(jù)服務(wù)、政務(wù)信息保護(hù)、金融業(yè)務(wù)加密、電力安全保障、移動(dòng)通信等領(lǐng)域形成一系列示范應(yīng)用和試商用項(xiàng)目，中國(guó)電信、國(guó)家電網(wǎng)等央國(guó)企在量子安全融合應(yīng)用方面都推出了一系列的舉措。

量子計(jì)算方面，由于量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，有望通過(guò)特定算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面（如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等）相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速，具有極大的應(yīng)用前景。目前，量子計(jì)算距離通用化使用還具有較大距離，但是已經(jīng)有越來(lái)越多的科技企業(yè)和機(jī)構(gòu)在在小規(guī)模實(shí)際問題的量子算法上得到實(shí)驗(yàn)，比如基于量子計(jì)算的高并行性發(fā)展起來(lái)的量子機(jī)器學(xué)習(xí)（QML），對(duì)物理、生物學(xué)、流行病學(xué)和金融學(xué)中的現(xiàn)象隨機(jī)建模等。由于當(dāng)前量子計(jì)算原型機(jī)高昂的投資、較高的維護(hù)難度、極其嚴(yán)苛的運(yùn)行環(huán)境，決定了當(dāng)前量子計(jì)算的應(yīng)用還是主要通過(guò)云平臺(tái)等方式實(shí)現(xiàn)。谷歌、微軟、亞馬遜和IBM、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院以及公司都推出或即將推出量子計(jì)算云平臺(tái)的服務(wù)。空客、大眾汽車、葛蘭素史克、高盛、摩根大通、埃克森美孚、陶氏化學(xué)等知名企業(yè)也都在各自領(lǐng)域內(nèi)開展了量子計(jì)算應(yīng)用探索，發(fā)掘行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景與特定算法等。

面對(duì)量子計(jì)算應(yīng)用上的復(fù)雜系統(tǒng)問題，量子計(jì)算加超級(jí)計(jì)算的“超量融合計(jì)算”是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算應(yīng)用探索的重要方向。2022年發(fā)布的《歐洲量子計(jì)算和量子模擬基礎(chǔ)設(shè)施》白皮書顯示，歐洲高性能計(jì)算共同體初步計(jì)劃在2021-2022年間投入6,000萬(wàn)歐元來(lái)建設(shè)歐洲量子計(jì)算與模擬基礎(chǔ)設(shè)施。在2022-2023年，量子旗艦計(jì)劃進(jìn)入過(guò)渡階段，部署中等規(guī)模（50-200量子比特）量子計(jì)算原型機(jī)。目前，中國(guó)也具備了堅(jiān)實(shí)的量子計(jì)算基礎(chǔ)。

進(jìn)擊的中國(guó)量子計(jì)算

在我國(guó)，量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到政策的高度支持。其中，2015年5月，國(guó)務(wù)院頒布的《中國(guó)制造2025》中提到：積極推動(dòng)量子計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等發(fā)展，將量子通信納入新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)；2016年7月，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中，量子通信與量子計(jì)算機(jī)被選擇納入體現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略意圖的重大科技項(xiàng)目之一；2022年1月國(guó)務(wù)院發(fā)布的《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》提出要瞄準(zhǔn)傳感器、量子信息等前瞻性領(lǐng)域，提高數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)能力。在政策帶動(dòng)下，中國(guó)量子計(jì)算賽道也迎來(lái)快速發(fā)展。2020年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建出76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了 “高斯玻色取樣” 任務(wù)的快速求解?！熬耪隆?處理高斯玻色取樣的速度，比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍，比谷歌超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī) “懸鈴木” 快一百億倍。舉例來(lái)說(shuō)就是，在室溫下運(yùn)行并計(jì)算玻色采樣問題，同樣處理 100 億個(gè)樣本，“九章” 需要 10 小時(shí)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要 1200 億年。此后，中科大潘建偉教授與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究院等多方進(jìn)行合作，成功打造出量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”?！熬耪露?hào)” 高斯玻色取樣任務(wù)快速求解速度再次刷新了國(guó)際光量子操縱的技術(shù)水平。

圖：“九章”量子計(jì)算機(jī)原型圖源：中國(guó)科學(xué)院官網(wǎng)

除九章和九章二號(hào)之外，2021年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所合作，構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“量子隨機(jī)線路取樣”任務(wù)的快速求解?！白鏇_之二號(hào)”的求解速度比全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快1000萬(wàn)倍以上，計(jì)算復(fù)雜度比谷歌的“懸鈴木”提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)。企業(yè)方面，兩家在量子計(jì)算專利數(shù)量上位列全球前十的企業(yè)——百度和本源量子所取得的成果也令人矚目。今年8月，百度發(fā)布超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“乾始”和首個(gè)全平臺(tái)量子軟硬一體解決方案“量羲”，集量子硬件、量子軟件、量子應(yīng)用于一體，提供移動(dòng)端、PC端、云端等在內(nèi)的全平臺(tái)使用方式。本源量子在2021年9月10日發(fā)布的未來(lái)五年量子計(jì)算技術(shù)規(guī)劃路線圖顯示，到2025年，本源量子將突破1000位量子比特，達(dá)到1024位量子比特。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化體系逐步建設(shè)，國(guó)內(nèi)外均在布局

標(biāo)準(zhǔn)化工作一直是新興技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應(yīng)用中重要的一環(huán)。2021年，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展綱要》，提出“加強(qiáng)人工智能、量子信息、生物技術(shù)等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化研究”“支持國(guó)內(nèi)的行業(yè)協(xié)會(huì)、企事業(yè)單位等深度參與國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)法規(guī)的制定”等。2022年，中國(guó)人民銀行會(huì)同市場(chǎng)監(jiān)管總局、銀保監(jiān)會(huì)、證監(jiān)會(huì)聯(lián)合印發(fā)《金融標(biāo)準(zhǔn)化“十四五”發(fā)展規(guī)劃》，在健全金融信息基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)方面，提出“探索量子通信、零信任網(wǎng)絡(luò)、無(wú)損網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)”。

量子保密通信技術(shù)服務(wù)信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)符合我國(guó)安全和信息化發(fā)展的趨勢(shì)與要求。我國(guó)正大力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全和個(gè)人信息保護(hù)。近年來(lái)，隨著我國(guó)《密碼法》《關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施安全保護(hù)條例》等系列規(guī)章制度出臺(tái)，促進(jìn)了密碼科學(xué)進(jìn)步和創(chuàng)新，密碼事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。在國(guó)內(nèi)，第三方測(cè)評(píng)是決定信息安全產(chǎn)品商業(yè)準(zhǔn)入的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，近年來(lái)信息安全、信息通信和金融、電力等領(lǐng)域的專業(yè)機(jī)構(gòu)加大了對(duì)量子保密通信的關(guān)注和參與，通過(guò)測(cè)評(píng)、標(biāo)準(zhǔn)、融合應(yīng)用等工作深度參與了量子保密通信技術(shù)、產(chǎn)品、應(yīng)用的研究和規(guī)劃，逐步形成了階段性的共識(shí)和認(rèn)可。2022年，國(guó)家工信部發(fā)布通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《基于BB84協(xié)議的量子密鑰分發(fā)（QKD）用關(guān)鍵器件和模塊第1部分：光源》和《基于BB84協(xié)議的量子密鑰分發(fā)（QKD）用關(guān)鍵器件和模塊第2部分：?jiǎn)喂庾犹綔y(cè)器》，目前還有大量標(biāo)準(zhǔn)有待研究發(fā)布；在商用密碼領(lǐng)域，與傳統(tǒng)產(chǎn)品原理接近的部分設(shè)備已率先獲得商密認(rèn)證，公司的QKD和量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器等量子保密通信核心設(shè)備也陸續(xù)通過(guò)商密檢測(cè)。在更高安全要求的特種行業(yè)領(lǐng)域，相關(guān)測(cè)評(píng)工作也在持續(xù)推進(jìn)中。

量子計(jì)算與測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)化工作持續(xù)推進(jìn)。2022年，量子計(jì)算領(lǐng)域首個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《量子計(jì)算術(shù)語(yǔ)和定義》完成報(bào)批稿，量子測(cè)量領(lǐng)域國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《基于氮—空位色心的微弱靜磁場(chǎng)成像測(cè)量方法》獲批立項(xiàng)。

在國(guó)際上，ITU、IEEE、ISO/IEC等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織近年來(lái)紛紛啟動(dòng)量子信息領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作，包括公司在內(nèi)的中國(guó)主體在其中發(fā)揮著重要作用。例如，公司與中國(guó)信息安全測(cè)評(píng)中心聯(lián)合牽頭制定的ISO/IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《量子密鑰分發(fā)的安全要求、測(cè)試和評(píng)估方法》進(jìn)入發(fā)布階段；2022年，我國(guó)牽頭立項(xiàng)的ISO/IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《信息技術(shù)—量子計(jì)算術(shù)語(yǔ)和詞匯》進(jìn)入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案（DIS）階段。

行業(yè)發(fā)展特點(diǎn)

結(jié)合以上對(duì)行業(yè)發(fā)展階段的分析，可以看到量子信息行業(yè)呈現(xiàn)出國(guó)家戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)、技術(shù)發(fā)展迅速、關(guān)鍵行業(yè)先行試用、應(yīng)用前景廣闊等特點(diǎn)。

其中，量子保密通信技術(shù)具有抗計(jì)算破譯的長(zhǎng)期安全性，無(wú)論攻擊者具有怎樣的計(jì)算分析能力（包括量子計(jì)算），用量子密鑰加密的信息都是安全的。作為新型信息安全產(chǎn)品和服務(wù)，量子保密通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟度最高，與ICT及信息安全行業(yè)天然具有可結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，相關(guān)安全驗(yàn)證問題也已經(jīng)在相關(guān)部門指導(dǎo)、測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)參與、產(chǎn)學(xué)研聯(lián)手的長(zhǎng)期攻關(guān)下到了收官階段。日本東芝曾預(yù)測(cè)，隨著量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，全球量子保密通信（QKD）市場(chǎng)有望將從2020年的約2,100億日元（約合122.79億元）發(fā)展到2035年度的約2.1萬(wàn)億日元（約合1227.87億元）；歐盟《戰(zhàn)略研究議程(SRA)報(bào)告》中認(rèn)為“未來(lái)十年，量子密碼學(xué)數(shù)十億歐元的業(yè)務(wù)有望得到發(fā)展”。咨詢機(jī)構(gòu)ICV估計(jì)，以往由政府資金支持的項(xiàng)目受到影響，2022年全球QKD市場(chǎng)規(guī)模較2021年有所下降，約為8億美元，隨著全球經(jīng)濟(jì)的逐步恢復(fù)，QKD的應(yīng)用場(chǎng)景逐漸清晰與增多等，未來(lái)幾年將是QKD行業(yè)快速增長(zhǎng)的好階段，預(yù)計(jì)2025年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到35.04億美元。

在量子計(jì)算方面，從概念構(gòu)想到實(shí)驗(yàn)室成果，再到商業(yè)價(jià)值初探，探索量子計(jì)算物理實(shí)現(xiàn)方式和增加量子比特?cái)?shù)量是當(dāng)前全球研究機(jī)構(gòu)及科技企業(yè)追逐的關(guān)鍵目標(biāo)。NQCC（英國(guó)國(guó)家量子計(jì)算中心）認(rèn)為，2027年NISQ（中等規(guī)模含噪聲）量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)需求和影響規(guī)模將會(huì)達(dá)到200億英鎊到350億英鎊，約合人民幣1,800億到3,150億；并且NQCC預(yù)測(cè)量子計(jì)算對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期影響可能是巨大的，到2050年，全球市場(chǎng)的影響將超過(guò)3,500億英鎊。

發(fā)展趁勢(shì)

2022年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了三位開創(chuàng)量子信息科學(xué)的科學(xué)家，量子信息技術(shù)備受矚目。報(bào)告期內(nèi)，世界各主要國(guó)家規(guī)劃布局和投資支持力度進(jìn)一步加大，代表性研究成果和應(yīng)用探索亮點(diǎn)紛呈、前景可期，量子信息技術(shù)企業(yè)與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟不斷發(fā)展壯大。新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式蓬勃發(fā)展，具體如下：

（1）量子安全和經(jīng)典ICT領(lǐng)域融合更加緊密

獲得2022年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的安東·塞林格曾表示，“量子網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不是面向未來(lái)的技術(shù)了。人類用網(wǎng)絡(luò)來(lái)交換信息，而量子通信網(wǎng)絡(luò)可以保證通信的安全性，這樣的量子通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建成了，目前中國(guó)是領(lǐng)跑者”。當(dāng)前通過(guò)量子保密通信技術(shù)來(lái)抵御包括量子計(jì)算在內(nèi)的算力攻擊的方案獲得了更廣泛的認(rèn)可，開始進(jìn)入更成熟的發(fā)展階段。

根據(jù)我國(guó)“十四五”規(guī)劃，要“加強(qiáng)原創(chuàng)性引領(lǐng)性科技攻關(guān)”，包括“量子信息城域、城際、自由空間量子通信技術(shù)研發(fā)”。未來(lái)一段時(shí)間，進(jìn)一步增強(qiáng)QKD等量子保密通信技術(shù)對(duì)各類應(yīng)用場(chǎng)景的適應(yīng)能力，例如無(wú)地面光纖、超遠(yuǎn)距離、桌面應(yīng)用等；需要發(fā)展自由空間量子保密通信、新型量子保密通信協(xié)議、高度集成化等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提高量子密鑰分發(fā)的無(wú)中繼通信距離，減小體積、降低能耗，提高量子保密通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活性，不斷降低硬件終端成本和提高部署便利性，使得量子網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典ICT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接等。

在國(guó)際上，歐盟在2023-2026年間發(fā)展量子通信的具體目標(biāo)包括：提高QKD解決方案的性能、成碼率和成碼距離；部署用于空間QKD的原型載荷；實(shí)現(xiàn)基于歐洲供應(yīng)鏈的QKD制造；部署多個(gè)城域QKD網(wǎng)絡(luò)和部署具有可信節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模QKD網(wǎng)絡(luò)；多家電信公司以可持續(xù)商業(yè)模式銷售QKD服務(wù)；展示量子信道在其他密碼應(yīng)用中的用途；QKD與傳統(tǒng)通信解決方案共存等。總體遠(yuǎn)景是開發(fā)一個(gè)全歐洲范圍的量子網(wǎng)絡(luò)，以補(bǔ)充和擴(kuò)展當(dāng)前的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，為量子互聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。

（2）“量子優(yōu)越性”和“量子糾錯(cuò)”仍是量子計(jì)算發(fā)展重點(diǎn)

2022年，國(guó)際上正在對(duì)各種有望實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的物理體系開展系統(tǒng)性研究，每個(gè)體系均有不同程度上的突破，對(duì)量子計(jì)算相關(guān)的科研和產(chǎn)業(yè)化探索在加大，量子計(jì)算軟硬件技術(shù)均有所發(fā)展。

量子計(jì)算的第一個(gè)發(fā)展階段是實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。目前，全球僅中美加3國(guó)4臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性。2022年，加拿大Xanadu公司宣布其使用可編程光量子計(jì)算原型機(jī)Borealis完成高斯玻色采樣實(shí)驗(yàn)，成為繼中國(guó)“九章”后全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)在光量子體系下完成量子計(jì)算優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)的量子計(jì)算原型機(jī)。2022年11月，IBM在量子計(jì)算峰會(huì)上發(fā)布12項(xiàng)公告，更新了規(guī)劃路線，提出將繼續(xù)擴(kuò)展量子系統(tǒng)并且目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

量子糾錯(cuò)是構(gòu)建通用量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。我國(guó)“十四五”期間發(fā)展量子計(jì)算的重點(diǎn)是“要加快通用量子計(jì)算原型機(jī)和實(shí)用化量子模擬機(jī)研制”。在中國(guó)超導(dǎo)量子原型機(jī)“祖沖之2”號(hào)實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”基礎(chǔ)上，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)在“祖沖之2.1”超導(dǎo)量子處理器上實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了“一種由17個(gè)量子比特組成的距離為3的糾錯(cuò)表面碼”，首次在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)表面碼的重復(fù)糾錯(cuò)。

目前，隨著量子計(jì)算各路線研發(fā)工作的逐步推進(jìn)，整機(jī)所需的上游硬件設(shè)備與器件選型逐漸清晰，同時(shí)，量子計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)也在不斷跟進(jìn)，量子軟件開源、云平臺(tái)成為當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的特征，投身軟件和算法研發(fā)的企業(yè)也絡(luò)繹不絕。

資本和投資整體來(lái)說(shuō)更加活躍。去年除了Rigetti、D-Wave等公司上市外，國(guó)內(nèi)外多家量子計(jì)算公司完成融資。芬蘭量子計(jì)算公司IQM、美國(guó)量子計(jì)算公司ColdQuanta、加拿大量子計(jì)算公司Xanadu分別完成完成1.63億美元、1.1億美元、1億美元的融資；國(guó)內(nèi)的一些初創(chuàng)企業(yè)等也完成相關(guān)融資。未來(lái)，各家量子計(jì)算企業(yè)需要在發(fā)展技術(shù)的同時(shí)，繼續(xù)在政府、教育、科研等領(lǐng)域?qū)ふ覄?chuàng)新和發(fā)展應(yīng)用場(chǎng)景的機(jī)會(huì)，搭建合作生態(tài)，推動(dòng)未來(lái)更大的市場(chǎng)增長(zhǎng)。

根據(jù)歐盟的量子計(jì)算計(jì)劃，在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性“這一重要里程碑，并在量子芯片的性能、控制能力等技術(shù)上持續(xù)探索，開發(fā)有價(jià)值的軟件算法；中長(zhǎng)期則通過(guò)實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)、提高操控性和可編程性，在量子計(jì)算和產(chǎn)業(yè)之間搭建起橋梁，開發(fā)更實(shí)用的應(yīng)用程序。

ICV統(tǒng)計(jì)了2018年至2022年全球主要量子計(jì)算企業(yè)的融資情況，涉及14個(gè)國(guó)家，67家量子計(jì)算企業(yè)，136筆融資。具體如下：

圖表 6-1 : 融資金額&增長(zhǎng)率（2018-2022）（單位：百萬(wàn)美元）
2022年，量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)共融資20.45億美元，與2021年總?cè)谫Y額相比增長(zhǎng)有所放緩，但從整體來(lái)看，量子計(jì)算行業(yè)投融資長(zhǎng)期仍保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。對(duì)于投融資市場(chǎng)增速放緩，更為細(xì)節(jié)的表現(xiàn)如下。

圖表 6-2 : 國(guó)家及各融資輪次、數(shù)量、金額（2028-2022）（單位：輪次、筆數(shù)、百萬(wàn)美元）

未來(lái)量子計(jì)算的發(fā)展將集中在三個(gè)方面：

繼續(xù)提升量子計(jì)算性能。為了實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算，首要考慮的就是如何高精度地?cái)U(kuò)展量子計(jì)算系統(tǒng)規(guī)模。在實(shí)現(xiàn)量子比特?cái)U(kuò)展的時(shí)候，比特的數(shù)量和質(zhì)量都極其重要，需要每個(gè)環(huán)節(jié)（量子態(tài)的制備、操控和測(cè)量）都要保持高精度、低噪聲，并且隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，噪聲和串?dāng)_等因素帶來(lái)的錯(cuò)誤也隨之增加，這對(duì)量子體系的設(shè)計(jì)、加工和調(diào)控帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，仍需大量科學(xué)和工程的協(xié)同努力。

實(shí)現(xiàn)專用量子模擬機(jī)并繼續(xù)探索量子計(jì)算應(yīng)用。即相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特，應(yīng)用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問題，指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)、藥物開發(fā)等。從當(dāng)前到2030年，全球的主要研究任務(wù)應(yīng)當(dāng)集中于此。

實(shí)現(xiàn)可編程通用量子計(jì)算機(jī)，即相干操縱至少數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。由于量子比特容易受到環(huán)境噪聲的影響而出錯(cuò)，對(duì)于規(guī)?；牧孔颖忍叵到y(tǒng)，通過(guò)量子糾錯(cuò)來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)的正確運(yùn)行是必然要求，也是一段時(shí)間內(nèi)面臨的主要挑戰(zhàn)。由于技術(shù)上的難度，何時(shí)實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)尚不明確，國(guó)際學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為還需要15年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

審核編輯 ：李倩