從1900年量子物理面紗的揭開，到21世紀初量子信息領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，“量子”這一概念已經(jīng)陪伴了人類超過兩個甲子的時間。經(jīng)過漫長而艱辛的科學與工程的探索，量子計算在信息安全、人工智能、化學工業(yè)、材料工業(yè)、自然科學研究等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

量子計算機技術(shù)，這種利用量子系統(tǒng)的疊加和糾纏特性處理信息的新興技術(shù)，成為新一輪信息技術(shù)革命的戰(zhàn)略制高點[1]。為了搶占這一制高點，近年來各國出臺相應(yīng)法案、政策、戰(zhàn)略,新企業(yè)如雨后春筍般萌發(fā)。同時多家信息技術(shù)巨頭競相布局,量子計算呈現(xiàn)出走向產(chǎn)業(yè)化的新氣象。本文將簡單分析當前各國量子計算發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀，探討其未來走勢和關(guān)鍵技術(shù)，解釋超導(dǎo)量子計算機的重要戰(zhàn)略意義。

01

量子科技時代已來

量子計算發(fā)源于美國。在前人有關(guān)量子信息理論工作的基礎(chǔ)上，1980年貝尼奧夫（Paul Benioff，已于2022年3月29日逝世[2]）提出量子計算機并給出其哈密頓量模型[3]。1981年費曼（Richard Phillips Feynman）在麻省理工舉辦的第一屆計算物理學會議上提出用量子計算機模擬物理系統(tǒng)[4]。

1994年秀爾（Shor）提出用量子計算實現(xiàn)大數(shù)質(zhì)因子分解算法，對RSA密鑰體系構(gòu)成威脅[5]。自此，量子計算對國家信息安全的重要性日益突顯，量子計算硬件研究提上日程。2020年5月份以來，美國相繼提出的《無盡前沿法案》《NSF未來法案》《確保美國科學技術(shù)全球領(lǐng)先法案（2021年）》把量子計算的研究提升到了國家戰(zhàn)略的高度[6]。

圖 1 谷歌Sycamore超導(dǎo)量子處理器[11] 

（圖源：谷歌）

而實際上，美國高校和企業(yè)走在了美國政府的前面。加州大學圣塔芭芭拉分校（UCSB）超導(dǎo)量子比特transmon[7]的基礎(chǔ)上發(fā)展出了操控性和擴展性更好的Xmon[8]，并與谷歌合作于2019年宣布在包含53個Xmon量子比特的Sycamore芯片上實現(xiàn)量子優(yōu)越性[9]。之后，IBM發(fā)布127比特的超導(dǎo)量子處理器Eagle，并將其推廣到云平臺。IBM更是發(fā)布了野心勃勃的技術(shù)路線圖[10]，計劃在2025年實現(xiàn)超過4158位比特的超導(dǎo)量子計算機。谷歌則計劃在2029年達到一百萬位超導(dǎo)量子比特。

圖 2 IBM量子計算技術(shù)路線圖[10] 

（圖源：IBM）

除了IBM、谷歌等大型IT企業(yè)在超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域開拓前沿，美國一些新興企業(yè)也開始發(fā)力。成立于2013年的Rigetti Computing公司于2021年12月15日發(fā)布了其新一代多芯片80量子比特Aspen-M量子處理器以及基于單芯片40量子比特處理器的量子計算系統(tǒng)Aspen[12]。

02

中國：從并跑到領(lǐng)跑

隨著量子信息學的發(fā)展，我國逐漸認識到了量子科技在推動社會經(jīng)濟發(fā)展和維護國家安全方面的巨大作用。2020年10月16日，習近平總書記在主持中共中央政治局第二十四次集體學習時強調(diào)，“要深刻認識推進量子科技發(fā)展重大意義，加強量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋”[13]。2021年3月13日，中國在《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》[14]中提出：

1.聚焦量子信息等重大創(chuàng)新領(lǐng)域組建一批國家實驗室，重組國家重點實驗室，形成結(jié)構(gòu)合理、運行高效的實驗室體系。

2.瞄準量子信息等前沿領(lǐng)域，實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項目。

3.在量子信息等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域，組織實施未來產(chǎn)業(yè)孵化與加速計劃，謀劃布局一批未來產(chǎn)業(yè)。

4.加快布局量子計算、量子通信等前沿技術(shù)，加強信息科學與生命科學、材料等基礎(chǔ)學科的交叉創(chuàng)新，支持數(shù)字技術(shù)開源社區(qū)等創(chuàng)新聯(lián)合體發(fā)展，完善開源知識產(chǎn)權(quán)和法律體系，鼓勵企業(yè)開放軟件源代碼、硬件設(shè)計和應(yīng)用服務(wù)。

5.深化軍民科技協(xié)同創(chuàng)新，加強量子科技等領(lǐng)域軍民統(tǒng)籌發(fā)展，推動軍地科研設(shè)施資源共享，推進軍地科研成果雙向轉(zhuǎn)化應(yīng)用和重點產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

圖 3 祖沖之二號示意圖[15] 

（圖源：J Physical review letters, 2021, 127(18):180501.）

伴隨著黨和國家對量子計算的布局，學術(shù)界也產(chǎn)出了一批優(yōu)秀的科研成果。2021年6月，中國科學技術(shù)大學潘建偉團隊利用包含66比特的超導(dǎo)量子處理器“祖沖之二號”實現(xiàn)了強量子優(yōu)越性[15]，有力地回應(yīng)了外界對量子計算機算力（包括谷歌演示的量子優(yōu)越性實驗）的質(zhì)疑。“祖沖之二號”和“九章”[16]使中國成為世界上目前唯一實現(xiàn)了兩種量子計算機（光子和超導(dǎo)）的量子優(yōu)越性的國家，而且在量子計算領(lǐng)域使中國的量子科技水平從和美國并跑開始向領(lǐng)跑世界轉(zhuǎn)變。

中國科學技術(shù)大學不僅在學術(shù)上緊跟世界前沿、創(chuàng)造前沿，還孕育了國盾量子（科大國盾量子技術(shù)股份有限公司）和本源量子（合肥本源量子計算科技有限責任公司）這兩家知名的量子科技企業(yè)。本源量子于2017年成立，相繼發(fā)布了“本源悟源”超導(dǎo)量子計算機、“夸父”系列超導(dǎo)量子處理器、“本源司南”量子計算機操作系統(tǒng)、“本源坤元”量子芯片版圖自動化設(shè)計軟件等重要產(chǎn)品，是國內(nèi)量子計算產(chǎn)業(yè)化的先驅(qū)。國盾量子于2009年成立，初期主要從事量子保密通信產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及技術(shù)服務(wù)，近年來布局了量子計算等領(lǐng)域科研儀器的研發(fā)、生產(chǎn)和集成服務(wù)，其研發(fā)的ez-Q Engine量子測控系統(tǒng)用于完成“祖沖之二號”的量子優(yōu)越性實驗。

圖 4 “夸父”（KF C24-300）其封裝外觀[17]

（圖源：J Physiol, 2021, 599: 2351-2359.）

除中國科學技術(shù)大學外，浙江大學、南方科技大學、中科院物理所、南京大學、北京量子院、清華大學等中國高校和研究所也在超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域做出了優(yōu)秀的成績。

03

其他國家：積極參與

中美之外參與量子計算競爭的國家基本都是發(fā)達國家。加拿大D-Wave Systems公司成立于1999年，早期從事基于約瑟夫森結(jié)超導(dǎo)電路的量子退火機（一種專用量子計算機）的研發(fā)和銷售。但量子退火機只能執(zhí)行一些優(yōu)化算法，不能像門型量子計算機（即前文美國、中國開發(fā)的超導(dǎo)量子計算機）用于通用量子計算，因此，2021年10月5日D-Wave Systems順勢宣布啟動門型量子計算機研發(fā)，并計劃在2023年或2024年推出60量子比特的門型量子計算機[18]。2021年11月30日，芬蘭國家技術(shù)研究中心（VTT）和IQM公司在Micronova開始運行5比特超導(dǎo)量子計算機[19]，并計劃在2024年推出50比特超導(dǎo)量子計算機。2022年2月28日，英國牛津量子電路公司（Oxford Quantum Circuits）在亞馬遜的Amazon Braket（一種完全托管式量子計算服務(wù)平臺）上發(fā)布8比特超導(dǎo)量子計算機“露西”（Lucy）[20]。以色列、日本、西班牙、澳大利亞、荷蘭、法國、德國等國在量子計算上也有所行動。

圖 5 D-Wave量子退火機芯片[21] 

（圖源：Tech Taffy）

04

量子計算機的關(guān)鍵應(yīng)用

量子解密

信息安全是國家安全體系的重要組成部分。由于量子計算機具備破解RSA等廣泛使用的密鑰體系的潛力[22][23]，針對能抵抗量子計算機攻擊的抗量子密碼的研究極端重要。而率先研發(fā)出破解RSA密鑰體系的國家，除了在獲取其他國家的情報上具備先發(fā)優(yōu)勢，還可以利用強大的量子計算機的算力攻擊抗量子密碼（也稱“后量子密碼”）體系，以驗證其有效性，確保量子信息時代的信息安全。量子計算機不僅是經(jīng)典信息時代的“矛”，還是構(gòu)建量子信息時代“盾”的得力助手。

量子模擬

利用量子計算機模擬物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)（原子核、電子、原子、分子等）的相互作用，能夠服務(wù)于人類操控物質(zhì)生產(chǎn)。量子計算機將得到化工、制藥、材料等需要深入了解原材料微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的行業(yè)的重用，進而提高社會生產(chǎn)力。給各行業(yè)提供量子計算機算力的公司，其是否盈利取決于這些行業(yè)是否因為使用量子計算機而增加了利潤。利潤體現(xiàn)了量子模擬的經(jīng)濟價值。在經(jīng)濟價值之外，量子模擬的社會價值依然不可忽視，它依然會成為科研利器，推動人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的深入理解，是人類文明的寶貴財富。