量子计算：算力飞跃带来科技革命

□文/ 钱 野 杭州市科技信息研究院

量子计算是一种由量子力学规律调控，基于量子信息单元完成计算的新型计算模式。它显著区别于传统计算模式，从计算的效率上看，由于量子力学叠加性的存在，某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的经典计算。

近年来，量子计算技术与产业呈现加速发展态势，已得到美国、欧洲、加拿大、澳大利亚等国家和地区的普遍关注与重视，“量子优越性”(Quantum Supremacy，也译作“量子霸权”)等热点话题已成为科技界和商业界热议的焦点。在此背景下，各大科技巨头、初创公司、科研机构等纷纷开展量子计算相关的研究与应用布局，产业生态得到不断培育和发展。

量子计算基本原理及与传统计算的区别

量子计算是一种新型计算方式，以微观粒子构成的量子比特为基本处理和存储单元，不同于传统计算中比特位非“0”即“1”的确定特性，量子计算可表征出更多状态，其计算和存储能力可随量子比特数量的增加而呈指数级规模扩展。

量子计算在理论上具有攻克传统计算无解难题的巨大潜力，以破解RSA 加密体为例，RSA 加密体系的安全性依赖于大数分解复杂度，使用传统计算机分解300 位大数约需10 万年以上，而使用同样规模的量子计算机分解300位大数仅需几秒。

另外，传统计算机的运行速度受到温度、湿度等外界因素制约，散热不佳将极大地降低运算速度，而计算过程中的不可逆操作将带来极大的能耗，造成发热。反观量子计算，可以进行可逆操作，功耗能够显著降低，解决了传统计算机的发热问题。

国内外量子计算主要研究进展

国内重要进展

在《国家中长期科学和技术发展规划（2006-2020）》中，我国已将“量子调控研究”列为四个重大科学研究计划之一，在国家层面提供持续性支持。

中国科技大学的郭光灿院士实现了2 个量子比特逻辑门电路，在操控比特数量和量子相干时间等方面达到国际先进水平。

中国科技大学的潘建伟院士在量子保密通信和量子物理方面也取得了卓越成果，首次在国际上使用光晶格技术生成并观测了约600 对呈现纠缠状态的超冷量子比特。

2017 年5 月，我国成功研发出世界上第一台光量子计算机，标志着我国在量子计算机领域进入世界一流水平。该光量子计算机由中国科技大学、中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中科院物理所等共同参与研发。经初步实验，该原型机的取样速度比国际同行类似实验快约24000 倍，比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10—100倍。

2020 年12 月4 日，潘建伟院士等人成功构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200 秒。这一突破使我国成为全球第二个（第一个为美国谷歌的Sycamore）实现“量子优越性”的国家。

但是，目前我国量子计算的研究主要处于原理验证和演示层面，尚未深入进行脱离实验室环境的量子计算模拟和深层次计算，尚未研发出可以商业化使用的量子计算芯片。此外，我国从事量子计算领域的单位较少。由于基础设施的缺乏，量子计算领域入门门槛较高，目前仅有中科大、阿里巴巴达摩院、中科院、清华等单位开展了量子计算方面的研发，这也导致了我国在量子计算实用化方面进程缓慢。

国外重要进展

欧美较为重视基础学科的发展，量子领域技术水平走在世界前列。

在国家战略布局层面，欧美布局要高于我国。欧盟于2018 年启动总额10 亿欧元的量子技术项目。同年，美国发布《量子信息科学国家战略概述》，将量子霸权提升到国家战略。英国政府投入约2.5 亿美元在牛津大学等高校建立量子研究中心，培养该领域的顶尖人才。

欧美量子技术研发取得一系列重大突破。在量子芯片方面，美国加州大学圣塔芭芭拉分校在国际上首次实现了9 量子比特的超导量子芯片，美国新南威尔士大学成功研发出2 量子比特的硅基半导体量子芯片，英国牛津大学则实现了5 量子比特的离子阱量子芯片。在量子计算方面，美国IBM 公司于2016年发布了5超导量子比特的量子计算机，并在2017 年将20 量子比特的计算机完成了商业化。2017 年11 月，IBM 宣布20 量子位的商用量子计算机研制成果，并于同年完成50 量子位的量子计算机原理样机，帮助IBM 构建量子霸权。美国哈佛大学和麻省理工学院则在量子模拟方面取得较大进展，通过激光捕捉到超冷铷原子，并利用磁场将冷原子进行排序，最终研发出一种51 量子位的模拟器，可以实现特定的量子计算。

量子计算产业发展现状

目前，全球已有上百家量子计算领域的初创企业，研究范畴覆盖量子计算软硬件、基础配套和应用探索等多个方面，企业集聚度以北美和欧洲最高。尽管量子计算目前仍处于产业发展的早期阶段，但军工、金融、化工、材料、生物、航空航天、交通等众多行业已开始关注到其巨大的应用发展潜力，空客、摩根大通、JSR 等纷纷开始通过投资或合作等方式探索相关应用，量子计算的产业生态链日渐壮大。在量子计算研究和应用发展的同时，其产业基础配套设施也在不断完善。 2019 年，英特尔与Bluefors 和Afore 合作推出量子低温晶圆探针测试工具，加速硅量子比特测试过程。

我国科技公司阿里巴巴、腾讯、百度、华为相比于美国巨头进入量子计算领域的时间相对较晚，近年来通过与科研院所合作或聘请知名科学家等方式成立相关实验室，在量子计算云平台、算法、软件和应用等方面研究布局。华为发布了HiQ 量子计算云平台，并推出昆仑量子计算模拟原型机；阿里巴巴与中国科学技术大学合作推出量子计算云平台；腾讯在量子AI、药物研发和科学计算平台等应用领域开展相关研究；百度成立了量子计算研究所，积极开展量子计算软件和信息技术应用等技术研究；中国本源量子创立本源量子计算产业联盟，携手中船重工鹏力(南京)超低温计算有限公司共建量子计算低温平台。整体而言，我国科技公司在量子处理器研制和量子计算应用推广方面与美国相比仍有较大差距。

量子计算应用前景及未来展望

量子计算技术所带来的算力飞跃将为高温超导等复杂度较高的物理化学科学研究、新型材料研发、医药研究、能源勘探与人工智能研究等领域开拓新局面，并有可能成为在未来改变游戏规则的计算革命，成为推动科学技术加速发展演进的“触发器”和“催化剂”。

根据波士顿咨询公司预测，截至2030 年，量子计算应用的市场规模将达到500 亿美元，其发展前景被业界看好。当前阶段，量子计算的主要应用目标是解决大规模数据优化处理和特定计算困难问题。在量子比特数量、容错能力、相干时间等条件尚不具备实现通用量子计算机之前，专用量子计算机成为量子计算领域的短期发展目标。结合量子计算和量子模拟应用算法等方面的研究，在大数据分析、量子体系模拟、分子结构解析、人工智能等领域有望出现体现量子计算优势的应用，以此打开量子计算技术的实用化之门。

量子计算潜在的应用场景主要有三类。一是量子组合优化。量子退火是实现量子组合优化的一种途径，可以预见，量子退火计算在未来的制造业、商业、电信业和智慧交通与车联网领域将会带来更高效率、更多收益、更加安全灵活的优化方案。二是量子模拟。利用量子模拟技术对化学分子进行建模，能够极大地推动制药行业药品研发、药物审核以及材料行业新材料研发。生物领域的应用小到可以模拟分子的生物结构，大到可以模拟神经网络，甚至在未来可能模拟人工生命。三是量子计算+人工智能。人工智能领域的应用是推动算法发展的一大要素，人工智能与量子计算两大新兴领域的交汇融合，有望催生出更有价值的应用。目前，针对人工智能产生的量子算法潜在应用包括量子神经网络、自然语言处理、交通优化和图像处理等。■

勘误说明

因编校失误，《杭州科技》2022 年第2 期纸质期刊封面及内文页眉处标注的“2022 年 第54 卷 总第254 期”应更正为“2022 年 第53 卷总第254期”。

特向作者和读者致歉。

《杭州科技》编辑部