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量子計算是基于量子力學(xué)的新型計算方式，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，通過量子態(tài)的受控演化實現(xiàn)計算處理，理論上具有經(jīng)典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強并行處理能力。近年來，量子計算技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用探索呈現(xiàn)加速趨勢，全球各國普遍關(guān)注和重視，“量子霸權(quán)或量子優(yōu)勢性”等熱點話題不斷將其推向公眾視野。

一、物理平臺探索發(fā)展迅速，技術(shù)路線仍未收斂

量子計算研究始于上世紀(jì)八十年代，目前已進入工程實驗驗證和原理樣機攻關(guān)階段。量子計算包含量子處理器、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、中性原子、光量子、金剛石色心和拓撲等多種技術(shù)路線，近期均取得一定進展。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)建更強大的128量子比特處理器。我國中科大在2019年已實現(xiàn)24位超導(dǎo)量子比特處理器，并進行多體量子系統(tǒng)模擬；同時，清華大學(xué)利用單量子比特實現(xiàn)了精度為98.8%的量子生成對抗網(wǎng)絡(luò)，未來可應(yīng)用于圖像生成等領(lǐng)域。離子阱路線方面，IonQ已實現(xiàn)79位處理量子比特和160位存儲量子比特。光量子路線方面，中科大已實現(xiàn)18位光量子的糾纏操控，處于國際領(lǐng)先地位。硅量子點路線方面，新南威爾士大學(xué)報道了保真度為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，量子計算物理平臺中的超導(dǎo)和離子阱路線相對領(lǐng)先，但尚無任何一種路線能夠完全滿足量子計算技術(shù)實用化條件實現(xiàn)技術(shù)收斂。為充分利用每種技術(shù)的優(yōu)勢，未來的量子計算機也可能是多種路線并存的混合體系。

量子優(yōu)越性（Quantum Supremacy）的概念由MIT的John Preskill教授首先提出，指量子計算在某一個計算問題上，相比于經(jīng)典計算機可實現(xiàn)指數(shù)量級運算能力的加速，從而真正體現(xiàn)量子計算技術(shù)的原理性優(yōu)勢。2019年10月，Google公司在《自然》雜志報道了實現(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，在解決隨機量子線路采樣特定計算問題時，具有遠超過現(xiàn)有超級計算機的處理能力。Google的此項研究成果是證明量子計算原理優(yōu)勢和技術(shù)潛力的首個實際案例，具有重要的的里程碑意義，這一熱點事件所引發(fā)的震動和關(guān)注，將進一步推動全球各國在量子計算領(lǐng)域的研發(fā)投入、工程實踐和應(yīng)用探索，為加快量子計算機的研制和實用化注入新動力。

現(xiàn)階段量子計算的發(fā)展水平距離實用化仍有較大距離。量子計算系統(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)，使計算準(zhǔn)確性受到影響，甚至計算能力遭到破壞。同時，可編程通用量子計算機需要大量滿足容錯閾值的物理量子比特進行糾錯處理，克服退相干效應(yīng)影響，獲得可用的邏輯量子比特。現(xiàn)有研究報道中的物理量子比特數(shù)量和容錯能力與實際需求尚有很大差距，邏輯量子比特仍未實現(xiàn)。通用量子計算機的實用化，業(yè)界普遍預(yù)計將需十年以上時間。

在量子計算領(lǐng)域，美國近年來持續(xù)大力投入，已形成政府、科研機構(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、樣機研制和應(yīng)用探索等方面的全面領(lǐng)先優(yōu)勢。歐（含英國）、日、澳等國緊密跟隨，且領(lǐng)先國家之間通過聯(lián)合攻關(guān)和成果共享，形成并不斷強化聯(lián)盟優(yōu)勢。我國近年來取得系列先進成果，但與美歐仍有一定差距。此外，印度、韓國、俄羅斯、以色列等國也開始將量子計算技術(shù)列入國家技術(shù)計劃加大投入。

科技巨頭間的激烈競爭，推動量子計算技術(shù)加速發(fā)展。Google、IBM、英特爾、微軟在量子計算領(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、工程實現(xiàn)和軟件控制能力積極開發(fā)原型產(chǎn)品、展開激烈競爭，對量子計算成果轉(zhuǎn)化和加速發(fā)展助力明顯。Google在2018年實現(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)量子計算機，并在9月將量子比特數(shù)量更新為53位。微軟在2019年推出量子計算云服務(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入測試階段。我國阿里巴巴、騰訊、百度和華為近年來通過與科研機構(gòu)合作或聘請具有國際知名度的科學(xué)家成立量子實驗室，在量子計算云平臺、量子軟件及應(yīng)用開發(fā)等領(lǐng)域進行布局。阿里與中科大聯(lián)合發(fā)布量子計算云平臺并在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)計算平臺等應(yīng)用領(lǐng)域展開研發(fā)。百度在2018年成立量子計算研究所，開展量子計算軟件和信息技術(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，并在2019年推出昆侖量子計算模擬一體原型機。我國科技企業(yè)進入量子計算領(lǐng)域相對較晚，在樣機研制及應(yīng)用推動方面與美國存在差距。

初創(chuàng)企業(yè)是量子計算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一主要推動力量。初創(chuàng)企業(yè)大多脫胎于科研機構(gòu)或科技公司，近年來，來自政府、產(chǎn)業(yè)巨頭和投資機構(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、交通流量優(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)計加速藥物研究。德國HQS開發(fā)的算法可以在量子計算機和經(jīng)典計算機上有效地模擬化學(xué)過程。摩根大通、巴克萊希望通過蒙特卡洛模擬加速來優(yōu)化投資組合。硅谷量子計算軟件開發(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)定價及風(fēng)險對沖。在達到通用量子計算所需的量子比特數(shù)量、量子容錯能力和工程化條件等要求之前，專用量子計算機或量子模擬器將成為量子計算發(fā)展的下一個重要里程碑，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)揮量子計算處理優(yōu)勢的典型應(yīng)用，打開量子計算實用化之門。

來源：中國信通院