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中国信通院王敬等：量子计算关键技术及应用发展分析
The following article is from 信息通信技术与政策 Author 王敬，张萌 等
随着人类对于量子力学原理的认识、理解和研究不断深入，以及对于微观物理体系的观测和调控能力不断提升，以微观粒子系统为操控对象，借助其中的量子叠加、量子纠缠等量子物理现象进行信息获取、处理和传输的量子信息技术应运而生并蓬勃发展。量子信息技术主要包含量子计算、量子通信和量子测量三大领域[1]，有望在提升运算处理速度、信息安全保障能力、测量精度和灵敏度等方面突破经典计算瓶颈。量子信息技术已经成为信息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一，在未来国家科技发展、新兴产业培育、国防和经济建设等领域，将产生基础共性乃至颠覆性重大影响。量子计算是遵循量子力学规律进行信息处理的新型计算范式，以量子比特为基本单元，具有为某些计算困难问题提供加速的能力，是未来算力跨越式发展的重要方向之一，有望满足量子模拟、量化金融、组合优化、人工智能等领域日渐增长的算力需求。
近年来，全球多个国家与地区持续加强量子计算领域的规划布局，不断投入资金支持。量子计算领域热度不断升高，科研创新活跃，超导和光量子路线实现量子计算优越性试验验证[2-5]，实用化应用探索多方展开，产业生态逐步构建，全方位多元化的发展格局正在形成。本文重点梳理分析量子计算最新研究进展、应用探索开展态势和产业生态培育等，并对量子计算未来发展趋势进行展望。
1 主流技术路线研究进展
量子计算历经数十年发展，多方面研究与探索同步开展，逐渐形成集理论研究、样机研制、应用探索和产业培育为一体的体系化发展格局。近年来，量子计算在技术研究、样机研制、软件开发、算法研究等方面取得诸多进展，重要成果层出不穷，而技术路线选择是样机研制中的重中之重。量子硬件通过制备、操作和测量量子比特，并基于单比特叠加和多比特纠缠的耦合与状态演化实现高效并行计算模拟等功能，是量子计算样机研发攻关亟待突破的问题。超导、离子阱、光量子、硅基量子点和超冷原子等技术路线处于并行发展和开放竞争状态，尚未呈现融合收敛趋势，近年亮点进展颇多，竞争较为激烈。此外，金刚石氮-空位（NV）色心路线、拓扑路线等也取得进展，目前仍处于基础研究阶段，未来发展值得期待。下面对主流技术路线进行总结和分析。
1.1 超导超导技术路线是发展相对迅速的一种路线，核心器件为二能级系统超导约瑟夫森结，已衍生出Transmon、Xmon、Fluxonium等多种新型超导量子比特，具有可设计、可扩展、易控制、易耦合等优势。近年来，超导技术路线在量子比特数量和保真度方面均有一定突破。2022年，Rigetti推出80量子比特Aspen-M系统，IBM发布433量子比特芯片Osprey[6]。美国劳伦斯伯克利国家实验室在超导量子信息处理器中进行三量子比特高保真iToffoli本机门首次试验演示，保真度达98.26%，阿里巴巴在新型Fluxonium系统中实现99.72%的双比特门操控精度[7]。
超导技术路线主要瓶颈在于极低温制冷环境带来的工程挑战，需要新颖和高度集成化的测控系统支持大规模量子比特操控，以及结合材料科学等提高相干寿命和保真度等。超导技术路线是实现通用量子计算有力竞争者之一，已获得诸多科研机构、科技企业和初创公司支持，比特数量稳步提升，每秒电路层操作数等指标占优。
1.2 离子阱离子阱技术路线是另一种受关注程度较高的路线，基本原理是利用电荷与磁场间的交互作用力形成势阱，从而操控带电粒子构建二能级量子比特，具有无需极低温冷却、量子比特物理全同、相干时间长等优势。近年离子阱技术路线研究进展主要体现在保真度提升和全连接比特数增长等方面。2022年，Quantinuum提升Model H1系统量子体积至8 192[8]。IonQ离子阱量子处理器保真度达99.96%，并推出32 Qubit离子阱量子计算机IonQ Forte。2023年，Quantinuum的H1-1系统量子体积提升至32 768[9]。华翊博奥（北京）量子科技有限公司（简称“华翊量子”）推出37 Qubit离子阱量子计算原型机。
离子阱技术路线主要瓶颈挑战在于离子囚禁时间有限，捕获离子的状态制备时间和量子门操作时间较长，单比特多路激光读写需求和线性阱尺度规模制约比特数扩展等。离子阱技术路线是通用量子计算另一个有力竞争者，未来样机研发在真空、激光、微波和电子学等多个工程领域需持续攻关。
1.3 光量子光量子技术路线原理是利用光子的多种自由度（例如偏振、相位和时间位置等）进行量子态编码和量子位构建。主要优势在于，与周围环境相互作用弱、可常温工作、相干时间长、保真度较高。近年光量子路线科研进展主要是量子优越性证明、光子纠缠操控试验等。2022年，Xanadu[5]在光量子计算机Borealis上完成216 光子高斯玻色采样试验。德国马克斯普朗克量子光学研究所展示双光子CNOT门并实现14 光子纠缠操控[10]。
光量子技术路线主要瓶颈挑战在于不同光子态之间构建双量子比特门和实现逻辑操作，以及高品质光源与光子探测性能待提升等。未来基于集成光学芯片的光量子计算方案或将成为发展演进的重要方向。
1.4 硅基量子点硅基量子点技术路线的基本原理是在硅或砷化镓等半导体材料制备门控量子点来编码量子比特。优势在于，可扩展性好、门操作速度快、与成熟集成电路工艺相兼容。近年亮点成果在于量子比特数量和保真度的提升。2022年，《自然》杂志发表三种不同实现方案的硅基量子处理器双量子比特门保真度达到99%以上[11]。另外，Intel实现12位硅自旋量子比特[12]。
硅基量子点技术路线主要瓶颈挑战在于噪声影响明显，保真度较低，需要提纯材料以延长相干寿命，量子位间存在干扰与串扰等。由于硅基量子点技术路线与经典电子学可兼容，经典电子学的发展很有可能提升量子处理器扩展性。未来， 克服电子自旋易受电磁环境影响将是硅基量子点科研攻关的主要目标。
1.5 超冷原子超冷原子技术路线通过被称为光镊的紧密聚焦激光束阵列，约束超冷原子在超高真空中悬浮，并基于此构建二能级系统。优势在于长相干时间和超高维列阵构建能力。近年在超高维列阵构建能力与量子模拟方向得到应用。2022年，美国芝加哥大学实现512 位双元素二维原子阵列[13]。Pasqal捕获324 位量子比特的超冷原子大型量子处理器阵列[14]。
超冷原子技术路线主要挑战是需要克服激光控制系统复杂性影响，进一步提升逻辑门操控能力和保真度等。超冷原子技术路线适用于求解量子哈密顿量和模拟量子处理，未来不但可用于研究和解决凝聚态物质中诸多物理问题的典型模型，还有望用于模拟研究分析量子化学、多体物理、凝聚态物理、核物理等诸多复杂体系和现象。
总体而言，量子计算样机研制已成为全球主要国家和地区在前沿科技领域攻关突破的重点方向之一，不同技术路线具有自身的独特优势，超导与离子阱持续领跑，光量子实现量子计算优越性试验验证，硅基量子点与超冷原子的发展值得期待，技术路线发展整体仍呈现多元并行的态势，尚未实现技术收敛。
2 应用探索方向概况
量子计算硬件的飞速发展使得含噪声的中型量子（Noisy Intermediate-Scale Quantum，NISQ）时代已然来临，以量子计算机为基础开展的应用场景探索，已逐渐成为业界的研究热点，旨在为诸多行业提供更高效的量子计算解决方案。近年来，应用探索主要集中在量子模拟、量子组合优化以及量子线性代数等方向，代表性行业应用探索情况如表1所示。
表1 量子计算行业应用探索概况
2.1 量子模拟量子模拟能够在原子尺度模拟微观系统相互作用，对微观世界行为产生洞察力，对科学研究、工业制造和社会发展均有望产生巨大影响，近年来已成为研究热点。2022年，IBM展示“Entanglement Forging”技术用于量子模拟并使得量子比特数量减半[15]。中国科学技术大学搭建超冷锂-镝原子量子模拟平台实现均匀费米气体的制备[16]。Google实现16 bit费米子量子蒙特卡罗模拟[17]。
量子模拟应用探索主要集中在物理模型、化学工业、生物制药、材料研究等领域，使用量子计算机模拟量子系统的运行状态，具备真实接近系统自然状态原貌的优势，目前正在从提供物理现象的定性演示向为应用问题提供解决方案的方向发展。
2.2 量子组合优化数学中的优化问题，简而言之即利用数学方法寻找离散事件中的最优解或进行最优的编排、分组，组合优化问题是目前算法中最热门的问题之一，搜索空间往往随着搜索规模呈指数级增长，导致有效时间内难以求解,或难以获得全局性最优解。目前，在涉及复杂多变量组合优化的量化金融、交通规划、气象预测等领域，量子计算应用探索也在广泛开展。2022年，Multiverse Computing推出奇点投资组合混合求解器用于量化投资优化分析[18]。Quantum-South发布基于量子计算的航空货运优化应用程序[19]。PsiQuantum启动Qlimate计划旨在提供气候相关计算问题的量子解决方案[20]。
量子组合优化有助于提升寻找优化方案的效率和准确性，对诸多复杂数学问题进行高效计算，具有将计算时间大幅缩小以实现实时优化等优势，未来需要持续加大应用探索的深度和广度，实现更多行业领域的量子组合优化案例。
2.3 量子线性代数量子线性代数包含多种量子技术和方法，主要应用于量子机器学习、密码破译、信用评分等领域。其中，量子机器学习通过构建新型数据处理模型，将传统机器学习算法中的部分关键步骤由经过验证的量子算法代替，有望提升目前机器学习算法处理大数据的计算效率。2022年，Google使用40位超导量子处理器验证量子主成分分析过程中的原理性优势[21]。美国哈佛大学利用里德堡原子阵列构建量子递归神经网络的认知任务学习试验[22]。
量子线性代数利用量子计算的高效、解决复杂数学问题的能力，分析求解多行业领域的复杂数学问题，具有提升复杂数学问题计算效率等优势。
综上所述，量子计算相关领域的应用探索正在逐渐深入，总体处于发展的早期阶段，在应用落地和产出实际价值方面仍面临挑战。未来应用探索的攻关方向主要集中在量子比特集成规模、应用算法设计等方面，并需要在加强量子计算与已有应用场景结合的同时，探索更多具有潜力的应用方向，并通过理论及试验等方式判断实际应用中量子计算相较于经典计算的优势。
3 产业生态培育进展
近年来，量子计算领域热度不断升高，已成为全球前沿技术领域投资焦点之一，且投入力度不断加大。与此同时，产业生态构建培育也成为近期热点，各国和地区企业、研究机构不断通过成立产业联盟等方式，逐步培育量子计算产业生态系统。
3.1 市场融投资量子信息领域市场融投资近两年来呈爆发式增长趋势，量子信息领域企业获得市场高度关注以及大量资金支持，且投资高度集中于量子计算领域（见表2）。量子计算初创企业在欧洲和美国聚集度和关注度更高。大量的资金涌入既为量子计算样机硬件研发、软件开发、应用探索等方向提供创新支持和资源保障，也引发了技术炒作、夸大宣传和行业泡沫等不同观点和争议。
表2 国内外量子计算企业融投资概况
2022年，美国Scorpion Capital[23]发布对量子计算上市公司IonQ的做空报告，指出其量子计算产品与应用局限，以及管理运行方面的问题，质疑其交付能力与商业模式。英国牛津大学学者[24]指出，资金涌入导致量子计算成就和前景夸大宣传，行业泡沫不容忽视。以上观点也引发业界回应，从技术发展成就、科技巨头投入和应用探索前景等方面展开讨论，各方对行业泡沫争议的看法观点不一。
量子计算是未来科技与产业发展变革的重要变量之一，已成为全球各国学术界、产业界和利益攸关方的普遍共识，近年来在技术研究和样机研制等方面取得一系列重要进展，但样机比特数量、质量和操控速度等性能指标仍有很大提升空间，软硬件技术发展远未成熟，应用探索与产业培育尚处起步阶段。泡沫质疑是量子计算发展过程中的必经之路，也是量子计算在学术界和产业界反差氛围中产生的必然结果。在政策与资金不断涌入时，对量子计算领域的捧杀需要保持清醒和警惕。在无人区探索和技术应用成果的短期交付达不到预期时，对量子计算领域的发展需要保持战略定力与信心，避免对未来构建技术产业竞争力产生不利影响。
3.2 生态培育近年来，量子计算领域热度不断升高，各国和地区相继出台战略政策以推动国内外科技公司和初创企业的发展。目前，全球已有数百家量子计算企业，研究覆盖量子计算软硬件、基础配套、应用探索、用户培育等多个方面，产业集聚度以美国和欧洲最高，量子计算产业生态体系正在逐步构建。
美国占据全球量子计算产业发展优势，以科技公司Google、Microsoft、IBM、Intel、Honeywell、HP，以及初创企业IonQ、Rigetti等众多具备较强技术实力和资金支持的企业为首，加速世界量子计算产业发展。从量子计算产业上层的应用服务、软件开发到下层量子处理器研发和支撑系统配套研发等各层面，均有企业深入参与。企业积极进行量子计算原型机及软件算法相关研发，积极与科研背景强大的科研院所和高校开展广泛合作，对量子计算成果转化和加速发展助力明显。欧洲各国及地区也纷纷支持量子计算领域发展，积极制定量子计算发展战略，部署诸多研究项目。欧洲量子企业大多为初创企业，代表性企业包括IQM、Atos、Qu&Co等，近年呈加速发展态势。欧洲量子计算企业与美国等企业之间合作紧密，各企业通过与其他量子企业合作、与产业界企业合作等方式取得诸多研究进展与成果。除美国和欧洲大力发展量子计算外，加拿大、澳大利亚、日本、新加坡等也涌现出一批量子初创企业。总体而言，国际企业具有较强的技术实力，全方位推动基础科学研究、应用场景探索和产业生态培育等方面的发展，激烈竞争的同时保持分工协作，有力推动量子计算的加速发展。国内的多家科技公司也致力于量子计算的研究，包括华为、百度、阿里巴巴、腾讯等。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，在硬件、软件、算法、应用和量子计算云平台等方面积极布局。除此之外，国内的量子初创企业也正大力推进量子计算各环节的研究与应用，代表性初创企业包括本源量子计算科技（合肥）股份有限公司、国开启科量子技术（北京）有限公司、华翊量子、深圳量旋科技有限公司、上海图灵智算量子科技有限公司等。我国科技企业在样机研制、应用推动及产业培育等方面与国际企业相比存在差距，但正在积极追赶，产业培育等工作逐步得到重视和加强。
通过成立产业联盟等方式发展和完善产业生态系统，已逐渐成为近期发展热点。近年来，多个国家及地区均成立量子计算领域产业联盟，成员单位涵盖量子信息领域企业、众多研究机构以及各应用领域重点企业。IBM成立的IBM Q Network目前已有包含政府及科研机构、初创企业、行业应用合作伙伴等在内百余家成员，覆盖航空、银行、能源等应用领域。Microsoft发起Microsoft Quantum Network与Northwest Quantum Nexus，主要包括解决方案合作方、下游潜在客户及研究机构三类成员，致力于推进量子计算发展并探讨实际应用。日本24 家企业联合成立量子战略产业革命联盟，旨在评估与量子计算相关的基本原则与法律，并就其适用性和必要产业结构提出建议。德国10 家企业成立量子技术与应用联盟，旨在明确现阶段可能实现的行业应用，评估量子计算工业化实施潜力。芬兰建立量子计算产业联盟项目BusinessQ，目标在于扩大量子计算对芬兰工业与商业的影响。加拿大成立量子产业部，旨在加速技术创新、实现人才转化及推进量子计算商业化进程。我国本源量子建立本源量子计算产业联盟，加速技术开发和探索应用落地。中国信息通信研究院联合国内量子信息领域高校、科研机构和企业发起量子信息网络产业联盟，组织推动论坛交流、案例征集、报告研究、验证测评等工作。
全球量子计算企业数量不断增多，呈加速发展态势，整体数目已超百家，量子计算领域研究覆盖量子计算软硬件、基础配套和应用探索等多个方面，产业集聚度仍以北美和欧洲最高，量子计算产业生态体系正在逐步构建。相较美国和欧洲而言，我国企业在技术研发水平与整体产业生态构建等方面仍有提升空间，未来需要组织开展产业需求、供应链建设等方面深入交流，探索科研、工程和产业各领域的分工合作协同机制，突破和掌握核心使能技术，为用户习惯培养和产业生态构建奠定基础。
4 未来发展趋势展望
总体而言，量子计算技术研究处于早期快速发展阶段，多种技术路线呈现多元化开放性的竞争态势，这种竞争态势短期内将持续存在。量子计算应用探索在诸多行业广泛开展，距离应用落地尚有一定距离，相关探索必将是一个长期过程。量子计算产业生态正在逐步构建，处于早期培育阶段，产业整体发展势头良好，未来将持续探索合适的商业模式。
在技术研究方面，量子计算研究发展迅速，不断取得突破性进展，硬件研制、软件算法、量子纠错、支撑保障等方面取得一系列重要成果。量子计算仍处于早期快速发展阶段，各研究领域仍存在较多亟需解决的问题。在硬件研制方面，需要在可扩展性、操作复杂度、噪声抑制能力和集成化水平等方面重点突破，集中力量加强研发攻关。在软件算法方面，需要在注重软件本身的研究与开发的基础上，重视应用生态的培育以及用户习惯的培养。在量子纠错方面，需要结合理论研究与样机试验，进一步设计和改进纠错程序，同时降低纠错所需的资源开销。在支撑保障方面，需要明确不同路线量子计算机所需支撑保障系统面临的挑战，重点攻关稀释制冷机、测控系统、真空腔等关键部分。
在应用探索方面，基于NISQ样机开展量子算法研究和应用场景探索，逐渐成为业界研究热点，涵盖化学模拟、量化金融、交运航空、人工智能、气象预测等多个行业领域。量子计算应用成果层出不穷，但已发布成果大多偏向于预研性质，处于原理性与可行性验证的探索阶段，量子计算距离应用实际落地和产生变革性价值仍有一定距离。近期，数学工程与先进计算国家重点实验室、清华大学等[25]提出亚线性资源量子经典混合大数分解算法，有望推动NISQ量子样机的实际应用。在具有实用价值的问题上，明确展现量子优越性是下一步努力的目标。
在产业生态培育方面，以美国、中国、欧洲、加拿大等为首的各国和地区企业纷纷开启量子计算上下游各环节的系列研究与产品研发，全球量子计算生态体系正在逐步构建。量子计算产业推进处于早期阶段，产业力量不断壮大的同时，发展仍具有一定的不确定性，产业发展与生态构建需要业界共同研究探讨和持续推进。未来产业发展的关键主要集中在生态系统构建、产业联盟、开源社区、市场投融资等方面，通过整合多方力量构建具有竞争力的量子计算产业。
5 结束语
量子计算领域是目前各方关注与期望的焦点，全球主要国家及地区纷纷加大公共研发资金的支持投入力度。科学研究和技术研发亮点纷呈，多种技术路线并行发展，量子计算优越性获得试验验证，量子纠错研究欣欣向荣。行业应用探索广泛开展，多领域应用探索蓄势待发。产业创新与投融资增长迅速，发展趋势强劲。未来业界需要结合量子计算关键技术、应用与产业生态的现状与需求，持续加强基础科研攻关，开展行业应用探索，促进产、学、研、用协同，培育产业生态系统，多措并举，共同聚力推动量子计算领域发展。
作者简介
王敬
中国信息通信研究院技术与标准研究所光网络技术与应用研究部工程师，主要从事量子信息领域技术研究、标准制定以及测试验证等方面的研究工作。张萌
中国信息通信研究院技术与标准研究所光网络技术与应用研究部高级工程师，主要从事量子信息领域的政策、产业、标准和前沿技术研究，以及分组传送、时频同步领域的技术研究、测试认证等方面的研究工作。李芳
中国信息通信研究院技术与标准研究所光网络技术与应用研究部主任，正级高级工程师，主要从事5G承载、分组传送、云网融合等方面的技术与标准研究工作。张海懿
中国信息通信研究院技术与标准研究所所长，正高级工程师，主要从事超高速光通信、光模块器件和量子信息等相关新技术研究、标准制定及测试验证等工作。论文引用格式：
王敬, 张萌, 李芳, 等. 量子计算关键技术及应用发展分析[J]. 信息通信技术与政策, 2023,49(7):9-16.
本文刊于《信息通信技术与政策》2023年 第7期
主办：中国信息通信研究院
《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。
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校 审 | 谨 言、珊 珊
编 辑 | 凌 霄
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