2018全球量子計(jì)算芯片研發(fā)概況及水平分析

量子計(jì)算機(jī)有望以現(xiàn)有超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)百萬倍的速度進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算。通用量子計(jì)算機(jī)一旦實(shí)現(xiàn)，將對(duì)通信安全、導(dǎo)航、成像以及人工智能、生物制藥、新材料研發(fā)等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響，帶來國(guó)家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的極大變革。

近年來，世界科技強(qiáng)國(guó)開始高度重視量子計(jì)算研究，紛紛發(fā)布自己的量子信息科技戰(zhàn)略，旨在搶占下一輪科技發(fā)展的制高點(diǎn)，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)勢(shì)”（又稱量子霸權(quán)）。當(dāng)前，量子計(jì)算研究進(jìn)入爆發(fā)期，并開始出現(xiàn)了實(shí)際應(yīng)用。本文將從論文產(chǎn)出、專利產(chǎn)出、量子芯片開發(fā)等角度入手，考察2018年全球量子計(jì)算領(lǐng)域研發(fā)概況。

一、世界主要國(guó)家量子計(jì)算戰(zhàn)略

美國(guó)

美國(guó)是最早將量子信息技術(shù)列為國(guó)防與安全研發(fā)計(jì)劃的國(guó)家。早在2002年，美國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）就制定了《量子信息科學(xué)與技術(shù)規(guī)劃》，并于2004年發(fā)布2.0版，給出了量子計(jì)算發(fā)展的主要步驟和時(shí)間表。2008年，DARPA斥巨資啟動(dòng)名為“微型曼哈頓計(jì)劃”的半導(dǎo)體量子芯片研究計(jì)劃，甚至將量子計(jì)算研究列為與原子彈研制同等重要的高度。

近年來，隨著中國(guó)等新興國(guó)家在量子信息技術(shù)領(lǐng)域的快速進(jìn)步，美國(guó)愈發(fā)重視量子信息技術(shù)的發(fā)展。2016年7月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)發(fā)布《推進(jìn)量子信息科學(xué)：國(guó)家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》報(bào)告，認(rèn)為量子計(jì)算能有效推動(dòng)化學(xué)、材料科學(xué)和粒子物理的發(fā)展，未來有望顛覆人工智能等諸多科學(xué)領(lǐng)域。2018年6月，美國(guó)眾議院科學(xué)委員會(huì)高票通過《國(guó)家量子倡議法案》，計(jì)劃在10年內(nèi)撥給能源部、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和國(guó)家科學(xué)基金12.75億美元，全力推動(dòng)量子科學(xué)發(fā)展。

《國(guó)家量子倡議法案》封面

歐盟

作為量子理論的發(fā)源地，歐洲高度重視量子信息技術(shù)對(duì)國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面的影響，投入眾多資源大力發(fā)展相關(guān)技術(shù)。2005年，歐盟發(fā)布《歐洲研究與發(fā)展框架計(jì)劃》（第七框架計(jì)劃）并提出專門用于發(fā)展量子信息技術(shù)的《歐洲量子科學(xué)技術(shù)》計(jì)劃和《歐洲量子信息處理與通信》計(jì)劃，成為繼歐洲核子中心、航天技術(shù)后的又一次大規(guī)模國(guó)際合作。

2016年3月，歐盟委員會(huì)發(fā)布《量子宣言》，計(jì)劃斥資10億歐推動(dòng)量子技術(shù)期間計(jì)劃，旨在培育形成具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的量子工業(yè)，確保歐洲在未來全球產(chǎn)業(yè)藍(lán)圖中的領(lǐng)導(dǎo)地位。量子技術(shù)旗艦計(jì)劃聚焦在量子通信、量子傳感器、量子模擬器和量子計(jì)算機(jī)4個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，分別開展短中長(zhǎng)期研究。

《量子宣言》插頁(yè)

英國(guó)

一直以來，英國(guó)高度重視量子信息科學(xué)的基礎(chǔ)研究，基于前期研究成果近年來正逐步向基礎(chǔ)研究和商業(yè)應(yīng)用并重轉(zhuǎn)變。2015年，英國(guó)政府發(fā)布了《量子技術(shù)國(guó)家戰(zhàn)略》和《英國(guó)量子技術(shù)路線圖》，將量子技術(shù)發(fā)展提升至影響未來國(guó)家創(chuàng)新力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要戰(zhàn)略地位。“路線圖”給出量子計(jì)算機(jī)、量子傳感器和量子通信在內(nèi)的每項(xiàng)量子技術(shù)可能的商業(yè)化時(shí)間和發(fā)展路線圖。

2016年12月，英國(guó)政府科學(xué)辦公室發(fā)布量子技術(shù)報(bào)告《量子技術(shù)：時(shí)代機(jī)會(huì)》，提出建立一個(gè)政府、產(chǎn)業(yè)、學(xué)界之間的量子技術(shù)共同體，使英國(guó)能在未來的量子技術(shù)市場(chǎng)中搶占世界領(lǐng)先地位，實(shí)質(zhì)性地提高英國(guó)產(chǎn)業(yè)的價(jià)值。

此外，日本、韓國(guó)、新加坡等科技強(qiáng)國(guó)均發(fā)布了自己的“量子信息科學(xué)發(fā)展計(jì)劃”。目前，日本、韓國(guó)、新加坡將研究重點(diǎn)放在量子通信上，在量子計(jì)算研發(fā)上均有所涉獵。

《量子技術(shù)：時(shí)代機(jī)會(huì)》封面

二、全球量子計(jì)算研究水平

（一）論文產(chǎn)出情況

本文借鑒qurope.eu對(duì)量子計(jì)算的定義，制訂如下論文檢索策略：TS =((Quantum NEAR/2 (comput* OR algorithm* OR simulat* OR error* )) OR (“Quantum Circuit”O(jiān)R “Quantum cellular automata”O(jiān)R “Quantum Turing machine”O(jiān)R “Quantum register”)) AND 文獻(xiàn)類型: (Article) 。在Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索1988-2008年的論文數(shù)據(jù)，作為計(jì)量分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，檢索時(shí)間為2018年9月10日。

20世紀(jì)90年代，全球量子計(jì)算領(lǐng)域研究開始進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，各國(guó)開始在量子信息領(lǐng)域投入科研經(jīng)費(fèi)。此后，量子算法Shor算法和Grover算法、量子電路基本邏輯門相繼被提出，量子糾錯(cuò)研究開始興起，推動(dòng)量子計(jì)算進(jìn)入可工程化階段。1990-2017年期間，量子計(jì)算領(lǐng)域論文年平均增長(zhǎng)量超過10%。

全球量子計(jì)算論文數(shù)量發(fā)表趨勢(shì)

從SCI論文總量上看，美國(guó)以8492篇的總量穩(wěn)居第一梯隊(duì)，數(shù)量超過第二、三名之和，占全球量子計(jì)算論文發(fā)表總量的31%。中國(guó)、德國(guó)分別以4573篇、3325篇的總量分列第二和第三名，全球論文占比均超過10%，位列第二梯隊(duì)。英國(guó)、日本、加拿大、意大利、法國(guó)和澳大利亞發(fā)表的論文數(shù)量均超過1000篇，位列第三梯隊(duì)。

各國(guó)量子計(jì)算論文發(fā)表數(shù)量排行

從頂尖科研機(jī)構(gòu)上看，全球論文發(fā)表數(shù)量前20的量子計(jì)算研究機(jī)構(gòu)中，中國(guó)占據(jù)3席，分別為中國(guó)科學(xué)院（第三）、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（第七）和清華大學(xué)（第十七）。相比之下，美國(guó)頂尖的量子計(jì)算研究機(jī)構(gòu)多達(dá)7個(gè)，歐盟境內(nèi)的頂尖研究機(jī)構(gòu)多達(dá)6個(gè)。此外，俄羅斯、加拿大和新加坡各占據(jù)1席。

科研機(jī)構(gòu)量子計(jì)算論文發(fā)表數(shù)量排行

從頂尖學(xué)者上看，中國(guó)籍或華人科學(xué)家占據(jù)了論文發(fā)表數(shù)量前20名榜單的近一半，其中中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士論文數(shù)量高居榜首（見圖7）。華人科學(xué)家在量子計(jì)算領(lǐng)域的貢獻(xiàn)占比不斷攀升，這不僅推動(dòng)了國(guó)內(nèi)量子信息科技的發(fā)展，也提升了中國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的國(guó)際話語權(quán)。

頂級(jí)專家量子計(jì)算論文發(fā)表數(shù)量排行

上述結(jié)果表明，中國(guó)在量子計(jì)算科研水平上處于領(lǐng)先行列，不乏頂尖科研機(jī)構(gòu)和頂尖科學(xué)家。但與美國(guó)和歐盟相比，我國(guó)整體研究實(shí)力仍存在一定差距，論文發(fā)表總量和頂尖科研機(jī)構(gòu)數(shù)量只有前兩者的一半。

（二）專利產(chǎn)出情況

本文采用如下策略進(jìn)行專利產(chǎn)出情況搜集：TA = (quantum AND comput*)。其中TA代表標(biāo)題/摘要，comput*代表computer、computation或computing。過濾條件是：聯(lián)合專利分類（CPC）為G06N99/002（量子計(jì)算機(jī)：利用量子的疊加、相關(guān)性、脫散、纏結(jié)、非定域性、遠(yuǎn)距傳物來進(jìn)行信息處理）。在Patsnap數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索1999-2008年的論文數(shù)據(jù)，作為計(jì)量分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，檢索時(shí)間為2018年9月10日。

從申請(qǐng)趨勢(shì)上看，近20年量子計(jì)算領(lǐng)域的專利申請(qǐng)經(jīng)歷了2個(gè)高潮，分別為2002年和2015年。第一次量子計(jì)算機(jī)研發(fā)高潮起始于1998年，麻省理工學(xué)院Neil Gershenfeld和IBM公司Isaac Chuang合作開發(fā)出基于核磁共振方案的首個(gè)量子計(jì)算機(jī)原型。1998-2004年，全球量子計(jì)算專利申請(qǐng)為快速增長(zhǎng)期，2005-2013年該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)進(jìn)入衰退期。第二次量子計(jì)算機(jī)研發(fā)高潮起始于2014年，標(biāo)志性事件是谷歌著手研究基于超導(dǎo)的量子計(jì)算機(jī)。2015年，全球量子計(jì)算專利申請(qǐng)量超過100件，達(dá)到歷史最高水平。

全球量子計(jì)算專利申請(qǐng)趨勢(shì)

從各國(guó)申請(qǐng)數(shù)量上看，美國(guó)以600余件的總量高居榜首。日本專利申請(qǐng)數(shù)量為171件，僅為美國(guó)的1/3左右。中國(guó)、加拿大、澳大利亞、英國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)和新加坡位列其后，數(shù)量均不超過60個(gè)，不及美國(guó)的1/10。

各國(guó)量子計(jì)算專利申請(qǐng)趨勢(shì)

從申請(qǐng)人排名上看，加D-WAVE公司一枝獨(dú)秀，其專利申請(qǐng)量是第二名微軟公司的3倍多。美國(guó)公司和日本公司占據(jù)了該榜單的絕大部分，中國(guó)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)則無一上榜。

企業(yè)量子計(jì)算專利申請(qǐng)量排行

與論文產(chǎn)出情況相比，中國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的專利產(chǎn)出遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國(guó)，與日本相比也存在較大差距。美國(guó)、日本量子計(jì)算領(lǐng)域的專利申請(qǐng)人基本都是科技巨頭，這表明美國(guó)、日本推動(dòng)量子計(jì)算發(fā)展的主要?jiǎng)恿κ巧鐣?huì)資本與科技企業(yè)。相比之下，我國(guó)量子計(jì)算研發(fā)的動(dòng)力不足，社會(huì)性資本無法支撐量子計(jì)算的商業(yè)化發(fā)展。

三、全球量子計(jì)算芯片研發(fā)概況

量子計(jì)算芯片是量子計(jì)算機(jī)的核心部件，其發(fā)展水平也代表了量子計(jì)算機(jī)的進(jìn)展情況。目前，研究量子計(jì)算的載體較多，包括超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、離子阱、金剛石色心、拓?fù)浣^緣體以及量子光學(xué)芯片等。

資料來源：《Nature》期刊

超導(dǎo)量子芯片方案

利用超導(dǎo)量子器件實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算是當(dāng)前量子計(jì)算的主流方案之一。目前，從相干時(shí)間、集成度、保真度（99.9%以上）三項(xiàng)指標(biāo)上看，超導(dǎo)量子比特的研究進(jìn)展最為迅速。此前，英特爾、IBM、谷歌所公布的最新進(jìn)展均是基于超量子芯片方案。2018年3月，谷歌推出72量子比特的Bristlecone量子處理器，正是該領(lǐng)域的最新成果。

半導(dǎo)體量子芯片方案

與超導(dǎo)量子芯片方案相比，半導(dǎo)體量子計(jì)算的保真度不足，但半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有可容錯(cuò)和可拓展兩大優(yōu)勢(shì)，能夠與現(xiàn)有半導(dǎo)體芯片工藝完全兼容，因此得到了研究機(jī)構(gòu)和業(yè)界的廣泛關(guān)注。2014年，新南威爾士大學(xué)獲得了退相干時(shí)間高達(dá)120微秒、保真度達(dá)到99.6%的自旋量子比特；2017年，日本理化研究所在硅鍺系統(tǒng)上獲得了退相干時(shí)間達(dá)到20微秒、保真度超過99.9%的量子比特。目前，英特爾、Silicon Quantum Computing等公司都投入巨資研發(fā)相關(guān)技術(shù)。

離子阱量子芯片方案

與前兩者相比，離子阱量子計(jì)算的量子比特品質(zhì)高，但其可擴(kuò)展性差，且體積龐大，小型化尚需時(shí)日。目前，離子阱量子芯片是量子計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)展最快的物理系統(tǒng)之一。2016年，馬里蘭大學(xué)研制出可編程的5量子比特離子阱計(jì)算機(jī)，2017年成立Ion Q公司并研制出32離子比特量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)。

拓?fù)淞孔有酒桨?/p>

該方案基于受拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子比特，原則上不會(huì)有耗散問題，因此在比特集成方面有更好的優(yōu)勢(shì)。目前，拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子態(tài)——馬約拉納零模——已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。未來的研究熱點(diǎn)將是探索更多的理論和實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔颖忍兀瑔伪忍睾蛢杀忍亓孔娱T讀取和操作。微軟在該領(lǐng)域布局已超過10年，未來有望率先實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)，并一舉獲得量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

四、總結(jié)

當(dāng)前，第二次量子革命的號(hào)角已經(jīng)吹響。量子計(jì)算領(lǐng)域正以前所未有的速度進(jìn)步，其對(duì)國(guó)防軍事、生物制藥、新材料研發(fā)等諸多領(lǐng)域的顛覆性影響已開始顯現(xiàn)。量子計(jì)算技術(shù)的潛力引起了美、中、歐、日、俄等國(guó)的高度重視，科技巨頭也在加速布局量子芯片的研發(fā)。

與美歐相比，我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的整體研發(fā)實(shí)力上，存在較大差距。其中，我國(guó)的基礎(chǔ)科研能力僅次于美國(guó)，處于領(lǐng)先地位；但專利產(chǎn)出明顯弱于美國(guó)、日本，與歐盟整體相比也存在差距。此外，在量子芯片開發(fā)上，我國(guó)還存在社會(huì)資本投入不足等問題。

雖然量子計(jì)算離實(shí)用化仍存在很長(zhǎng)距離，但量子計(jì)算對(duì)我國(guó)引領(lǐng)下一次科技革命，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展具有重要意義。對(duì)此，我應(yīng)借鑒英美等國(guó)經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)研判量子計(jì)算技術(shù)的商用化時(shí)間，制定合理的量子計(jì)算商用路線圖，推動(dòng)龍頭企業(yè)和頂尖科研機(jī)構(gòu)合作、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)，并在量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)上早日獲得話語權(quán)。