2019年量子计算发展白皮书（下）

冯晓辉 李雅琪 周斌 王翠林

量子信息技术可以突破现有信息技术的物理极限，在信息处理速度、信息容量、信息安全性、信息检测精度等方面均能够发挥极大作用，进而显著提升人类获取、传输和处理信息的能力，为未来信息社会的演进和发展提供强劲动力。近年来，一些国家以及企业纷纷加码布局量子计算，在相关领域的技术研究和应用不断提速。

国际量子计算发展现状

主要国家的战略规划

当前，量子技术研究己成为世界科技研究的一大热点，世界主要国家高度关注量子信息技术发展，纷纷加大政策和资金支持，力争抢占新兴信息技术制高点。

美国从上世纪90年代即开始将量子信息技术作为国家发展重点，在量子相关学科建设、人才梯队培养、产品研发及产业化方面进行大量布局，联邦政府机构对量子计算领域的支持在每年2亿美元以上。近两年来，美国政府频繁参与量子计算布局。2018年，美国推出 《国家量子计划法案》，计划拨付更多资金，全力推动量子科学发展。 2019年，美国政府发布未来工业发展计划，将量子信息技术等四大关键技术视为未来科技和产业发展的“基础设施”，认为发展量子信息科学能够保持美国在全球产业变革中的主导地位。政策上的持续加码，正不断提升量子计算在美国未来发展中的地位。

欧盟在上世纪90年代即发现了量子计算的巨大潜力，开展相关的合作研究。进入21世纪，欧盟从战略层面推出相关的规划及技术标准，力图率先在量子计算上取得突破，成为未来欧盟技术发展战略的基石。

英国、德国和荷兰等国也出台了针对量子计算、量子通信等量子技术的支持计划。英国己启动“国家量子技术计划”，计划投资超过10亿英镑建立量子通信、传感、成像和计算四大研发中心，推动产学研合作;德国提出“量子技术——从基础到市场”框架计划，希望推动实现量子技术的产业化发展;荷兰已制定了10年期量子计算发展计划。

日本于2001年起开始量子技术的布局，将该技术作为重点开发研究之一。2013年，日本成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构，将在未来10年投入400亿日元支持量子技术研发。2017年2月，日本量子科技委员会发表了名为《关于量子科学技术的最新推动方向》的中期报告，为未来日本在量子科学技术领域的发展明确了方向。韩国重点发展量子通信领域，于2014年发布《量子信息通信中长期推进战略》，目标为在2020年成为全球量子通信领先国家，在量子通信领域的积累使得韩国在量子计算领域己具备部分发展基础。

量子计算的技术与产业进展

1.全球量子计算产业发展水平不断提升。从上世纪90年代开始，全球量子计算领域的研究即进入快速发展期，新型计算逻辑相继提出，量子计算领域的研究水平不断上升。2000年至2017年，量子计算的论文数保持约10%的增速。

专利申请方面，全球经历两次量子计算专利申请高潮，专利数持续上升。全球首个基于核磁共振方案的量子计算机原型的问题带动了第一次专利申请高潮，1998年至2004年的量子计算专利申请量剧增。谷歌研究基于超导的量子计算机带动了第二次高潮，2014年至2016 年专利申请大幅增多。

量子计算机方面，利用超导量子器件实现量子计算是当前的主流方案，IBM、谷歌、英特尔均己公布基于超导器件的量子计算芯片方案。目前谷歌己经推出了72量子比特的量子处理器，IBM推出全球首款可商用的量子计算机Q System One，可操控20量子比特。

2.美国综合实力强劲，处于产业领先地位。从整体发展态势上看，美国在量子计算领域的综合实力全球领跑，己经形成政产学研多方协同的良好局面，欧洲发展较为强劲，日、韩、澳等国均处于跟随位置。

从SCI论文总数上看，美国处于大幅领先地位。截至2018年9月，美国以8492篇的论文总量远远领先于其他国家，占全球量子计算论文的30%左右。中国、德国以4500篇、3300篇左右的论文总数位列二、三名，英国、日本、加拿大、意大利、法国等国的论文总数超过1000篇，具备一定的研究基础。

从全球发表SCI论文量前20的顶尖研究机构数上看，美国拥有加州大学系统、美国能源部等量子计算领域的知名机构，占据机构当中的7席，中国、法国各占据3席，德国、英国、意大利、俄罗斯、加拿大、新加坡各占1个席位。

从专利申请数上看，2016年全球量子技术相关专利申请总数约为1000个，美国、中国为申请主力，占据75%以上专利中请量，欧洲各国、日本、韩国分列三至五位。

3.产业巨头开展全球合作，推动技术与应用加速发展。基础研究方面，谷歌、IBM、英特尔等巨头积极开展全球合作，与耶鲁大学、麻省理工学院、加州大学系统等科研机构联合攻关共性技术，主要集中在超导量子计算领域，目前这些企业己经在超高量子计算领域取得较好成果。

量子技术产业化方面，自2007年来自加拿大的初创企业D-WAVE 宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机以来，IBM、谷歌、微软、英特尔等巨头纷纷宣布进军量子计算机科研和应用领域。IBM在量子技术的商业化上独树一帜，在2016年，IBM即开发了5位量子比特的量子计算机供研究者使用。2019年1月，IBM在CES展会上推出了全球首款商用量子计算机。谷歌在2014年即建成了9量子比特的计算机，并于2018年发布了72位量子比特的量子处理器，产品计算能力业内领先。微软于2005年开始进入量子计算技术，提出了一种在半导体—超导体混合结构中建造拓扑保护量子比特的方法，并于2016年宣布计划斥巨额资源开发量子计算机的原型产品。英特尔于2015年投资5000万美元于硅量子点技术（Silicon quantum dots）进入该领域，然而基于硅材料的量子点技术目前落后于超导量子技术。

产业应用方面，传统产业巨头也加入量子计算的产业链当中，开展新兴领域的业务拓展。戴姆勒与谷歌达成战略合作协议，共同开展量子计算的研究。基于此合作协议，戴姆勒专业研究团队可以使用谷歌量子计算机，并針对未来出行提供解决方案。该合作是科技企业与传统汽车企业合作的一次创新突破，具有探索意义。波音公司成立了颠覆性计算和网络组织，将探索人工智能、量子通信和计算、神经形态处理等前沿新兴技术在航天领域的应用。

我国量子计算发展现状

我国的量子计算国家战略

为抢占量子技术革命的制高点，近年来我国对量子计算的和支持力度逐步加大。先后启动“自然科学基金”“863”计划和重大专项，支持量子计算的技术研发和产业化落地。

我国量子计算的进展

近年来，我国在量子计算领域研究发展较快，但主要以理论研究为主，参与者主要是以科研机构、高校为主。在核心论文数量、研究机构数上处于世界前列，基础研究能力仅次于美国。尤其在多光子纠缠领域，我国一直在国际上保持领先的地位，己实现超过十个光量子的纠缠。但在专利产出方面，我国明显弱于美国、英国、德国、日本等，基础研究成果转化有待加强。工程化及应用推动方面，我国与美国差距明显，国内企业的发展远远落后于IBM、谷歌、微软等企业。

高校和科研机构方面，我国主要有中国科学技术大学、浙江大学、中国科学院、清华大学、南京大学、北京计算科学研究中心等高校和机构参与量子计算的产业发展，在相关领域己取得一定成果。

企业方面，阿里巴巴、腾讯、百度和部分ICT企业也积极参与产业生态建设，纷纷建立相关实验室。目前，已有企业发布了量子计算的云服务平台，可模拟十万级纠错电路，同时量子计算模拟一体机原型也己推出。而在量子芯片方面，已有企业进行了深入研究，将其作为未来战略发展重点。

我国量子计算发展面临的挑战

关键技术研发仍属起步阶段与国际水平存在差距

我国量子计算机研究发展迅速，但起步较晚，在量子计算机硬件、软件等各方面仍然存在重大的技术障碍，已有的研究基本处于原理验证和实验演示的阶段，关键技术研发尚处于起步阶段与欧美国家差距巨大。具体表现在以下几个方面：一是相比于美国在量子计算机硬件、软件等全方面的布局和集中攻坚，我国量子软件研发能力显著落后，严重制约了我国量子计算机的发展步伐，易导致在国际竞争中长期处于被动状态。二是在编写量子计算算法、控制量子纠错等方面，使用独特的量子特征（如纠缠现象）编写量子算法，实现低错误率提升量子位稳定性是全世界量子计算科研工作者面临的一个重大挑战，我国在这一技术领域属于技术跟随者。三是大数据、人工智能等技术与量子计算的融合仍处于理论探索阶段。虽然量子计算机可以使人工智能技术更好地理解海量数据的价值，但目前我国在大量数据与量子态的相互转化等技术实现上仍处于理论探索阶段，距离未来技术融合应用尚有很大距离。

市场尚在培育阶段技術和应用场景不成熟

目前，我国量子计算逐渐走出实验室，但是从硬件到软件到算法都需要提升核心技术，距离商业落地仍有较远距离。一是商用条件苛刻且成本高。量子计算机对正常运行的环境要求十分苛刻，量子芯片的工作温度仅比绝对零度（-273.15℃）高出1/100摄氏度，即大约-270.42℃。为达到量子芯片运行温度，需要配备一种专业冷冻机，但其成本高昂，不适合推广普及。二是未来应用场景模糊，距离应用落地尚有很大距离。相比较经典计算，通用量子计算对运算类型的要求较高，因此场景适应性较难，在长时间内恐将难以超越经典计算的普及性的应用场景。专用量子计算机研发难度略低于通用计算机，但其导入仍需要技术标准体系、支撑设备、应用软件等多方面的体系化支撑。

国内企业参与度较低缺乏全面战略布局

Google、IBM、Intel等国际巨头积极开展量子计算研究，并不断取得重大突破。以谷歌为例，2018年谷歌率先开发出72比特量子处理器Bristlecone，并于2019年初研发出为量子计算量身定制的电路，成为未来扩大量子计算机系统规模的关键基础设备。与国外企业相比，我国企业在量子计算的技术累积、研发投入以及产业发展方向的战略布局方面差距非常大，而且预计在未来几年内会继续保持跟跑态势。以国内BAT为例，2015年，阿里与中科院合作成立量子计算实验室，引入施尧耕等国际量子计算顶级专家，但受限于国内整体研究团队水平和人才的不足，目前研究应用主要集中于模拟量子系统和帮助互联网公司优化计算能力方面，缺少前瞻布局。腾讯建立了量子实验室，探索量子计算的实际应用场景，建设量子安全平台对通信进行加密，但平台的研发仅属于量子通信加密的局部应用，且尚未取得普惠性应用。百度的量子计算研究所成立时间较晚，仍处于团队筹建过程。可见，BAT对于量子计算的研究均处于起步阶段，技术途径也以跟随国际研发路径为主，缺少全面战略布局，研发成果与国际龙头企业差距较远。

人才体系单一、集中尚未形成全面培养体系

量子计算机的实现尚且需要较长时间的研发，但量子人才的培养刻不容缓，关乎国际间关于核心技术、综合话语权的综合竞争，甚至直接影响我国国家安全。量子计算属于基础学科的前沿技术，研究准入门槛高，进展难度大，对人才要求较高，使众多研究者望而却步。目前，全球均存在严重的量子计算人才缺口，我国的人才缺口现象更为严重。一是现有的量子计算专业人才数量极少，特别是中高层人才数量稀缺，已有专业人才主要集中于中科大、清华、浙大等国内几所高校的研究团队。二是量子计算人才的专业匹配度较低，人才知识结构单一，不符合量子计算的专业要求，大规模量子计算迫切需要量子体系结构、量子编程语言、量子编译等专业背景人才。三是国内高等教育机构缺乏针对量子计算技术发展的系统化学科布局和建设，致使高校未承担起量子计算人才输送地的重要责任。

我国量子计算发展对策建议

加强前沿科技领域产业化布局

一是推动国内龙头企业积极开展量子计算产业布局，组织工程技术研发，加大研发投入力度，鼓励围绕量子计算的实际应用方向共建联合实验室、建设科技创新孵化平台等，培育一批量子计算领域的骨干企业。二是积极发挥政府的引导和服务职能，不断完善产业布局，强化产业能力建设，加速推动量子计算研究成果与实体经济的融合。三是鼓励开放创新，深化国际合作，支持企业通过海外技术并购、参股、合作等方式跟踪国际先进技术发展动态。

加大对关键核心领域的研发支持

一是集中优势资源着力攻克技术薄弱环节，重点聚焦量子比特规模和性能、提高量子比特相干时间、实现噪音环境下的高保真度量子逻辑门等技术瓶颈。二是完善产学研协同创新机制，畅通校企合作的沟通渠道，促进重大关键共性技术协同攻关，通过在企业内部设立院士专家工作站等方式深化产学研合作，强化技术研发与实际应用的融合。三是采取积极财政政策为量子计算研究提供资金支持。充分利用国家重大科技专项资金，对突破关键技术的研发给予经费扶持。

完善对专业人才梯队建设的全面布局

培养模式是我国量子计算人才发展的短板，为补齐人才短板，需要加强对专业人才梯队建设的全面布局，不仅要培养一批本土的高端技术人才队伍，同时还应以市场环境为依托，通过政策导向集聚全世界最优秀的量子计算相关专家。一方面鼓励企业打造量子精英团队，通过内部培训、外聘专家等多种形式为企业领军人才充电，将其打造为量子精英，帮助其了解量子计算及对本行业的潜在影响和未来前景。另一方面，前瞻布局高校在量子计算方向的学科建设，围绕量子计算前沿技术研究所需专业素养，遴选部分试点高校开设相关专业或细分方向，引导高校和企业联动发力增加人才储备。

积极构建量子计算应用生态体系

一是鼓励行业龙头企业发挥牵头带动作用，带领量子计算机的硬件和软件研发。二是支持量子计算产业上下游企业通过参股合资、长期战略合作等形式，畅通资源和信息对接渠道，加强产业协同和技术交流合作。三是支持企业、行业协会、科研机构等深化合作，成立量子计算联盟、完善政府、科研机构与企业之间的沟通机制和合作模日式，共同开展量子计算关键共性技术研究。四是借鉴国外发展经验，支持具备较强技术和资源能力的企业采取国外并购、战略合作等多种形式，弥补技术短板，加快形成国内量子计算全产业链发展格局。