日本量子计算，一段不甘雌伏的拼搏史

摘要：量子前哨与中关村产业研究院联合创作，针对全球范围内的量子信息科技，尤其是量子计算产业化方面的国家政策、技术脉络、活跃企业以及知名科学家等内容，进行系统性的介绍，以飨读者。这是此系列文章的第十三篇。

越来越多的人开始意识到，量子计算带来指数算力优越性是一次生产力的革命，具有重大战略意义，世界各国因此争前恐后地布局量子计算，日本也不例外。根据日经中文网统计，2001-2018年间，日本在量子计算机领域的专利布局位居世界第三，仅次于美国和中国。

各国2001-2018年间量子计算相关专利申请数

（图片来源：日经中文网）

这一成绩是日本政府、产业界和学界在过去20年里齐心协力攻坚量子计算的成果。过去的20年间，日本政府在量子科技研发领域的投资达到了2.5亿美元，产业端资助约3亿美元，政府引导产学界共同推动10余个量子科技研发项目，相干伊辛机（Coherent Ising Machine）、量子密钥分配系统等前沿成果相继产出。

事实上，日本对于量子科技的基础研究早在35年前就已开始，这部分的研究主要由日本科技振兴局（JST）资助和支持。1985年起，JST发起前沿技术探索研究计划（ERATO），旨在推进量子科学在内的前沿科技的基础研究。截至2020年，该计划下已有10项关于量子科技的专题研究，包括超导量子电路、量子算法、光晶格钟、约瑟夫森量子计算机等。

JST ERATO项目下的量子科学相关研究 

（图片来源：Quantum information science and technology in Japan）

进入21世纪，除了基础研究以外，日本开始更多地关注量子科技的产品化和实际应用，更多产业导向的研发项目被推出。其中，JST和日本科学促进会（JSPS）重点支持量子信息处理（量子计算机）、计量和传感相关领域研究，日本政府内阁办公室（CAO）和总务省配合制定量子科技的商业推广战略。多部门的紧密协作使过去的20年成为日本量子科技最为硕果累累的20年。

在此，我们盘点过去20年中，日本所进行的规模最大、影响最深远的量子计算机相关研究计划，及其所取得的成果。

量子计算与信息计划

（Quantum Computation and Information）

2001-2005年

2001年，随着IBM与斯坦福大学（Stanford University）开始量子计算机的研发，日本政府意识到量子计算机的战略意义，随即提出了一个为期5年的量子计算与信息计划，包括NTT、NEC（日本电气）、日立公司在内的多个日本行业领先企业积极响应，纷纷开始了量子技术探索之路。

该项目的代表成果是NTT先后于2004和2005年研制出超导磁数量子比特（通过比光能量更低的微波照射控制量子比特）和基于硅光子晶体的高Q值光振荡器，前者为光控制量子比特开辟了新路，被认为是当时最有希望应用于量子计算机的基本组件，后者实现光振荡器Q值突破100万大关，有望成为光内存和光开关等光逻辑电路的基本技术，也是基于光子的偏振状态来实现量子计算的重要基础。

进化科学技术核心研究项目（CREST）

2003-2010年

JST在2003年推出关于量子信息处理的国家项目 "进化科学技术核心研究"（CREST），该项目进行了7年，重点推进量子计算机的硬件研发，总投资达6000万美元，共资助11个研究小组，其中，5个项目组致力于研发光子量子比特、超导量子比特、中性原子、原子集合和连续变量进行量子信息处理器；3个项目组研究用半导体自旋量子比特、陷落离子和分子振动/旋转自由度实现量子信息处理；另外4个项目重点研究电信波段的纠缠光子的量子信息处理，分子自旋量子比特，光晶格时钟，以及多体系统的量子模拟工具。

2009年， JSPS着重强调 "量子网络学 "创新领域的科研，通过超导设备、半导体设备、分子、原子、离子和光子，研究了各种物理系统中量子态的相干控制、保持和传输；随后致力于创建、操纵和控制基于电子学、自旋电子学、光子学和声子学的量子混合系统。

世界领先的科技创新研发资助计划

（FIRST program by CAO）

2009-2013年

2009年，日本内阁府开启 "世界领先的科技创新研发资助计划"（FIRST），旨在通过前沿科技研发，加强日本的国际竞争力。在科学技术和创新委员会的直接控制下，该计划总共进行了30个不同领域的项目，涵盖的领域包括量子通信、量子计量和传感、量子神经网络(QNNs)、量子模拟、量子计算和量子器件技术，总预算3000万美元。

正是基于FIRST研究项目取得的重大发现，让日本将目光投向的了基于光学参量振荡器的具有全对全连接的量子神经网络（QNN）。研究者发现，这种量子神经网络相比于经典计算机和量子退火机具有更稳定的性能，且能够有效解决在现实生活中无处不在的组合优化类问题，具有重要的实用意义。

革新性研究开发推进计划

（ImPACT）

2014-2018年

基于在FIRST计划中取得的新发现，2014年，日本内阁府单独成立“革新性研究开发推进计划（ImPACT）”，旨在推动量子神经网络（QNN）技术的实际落地应用研究。该项目由日本情报系统研究机构国立情报学研究所（NII）与美国斯坦福大学教授山本喜久共同负责，参与机构众多，包括日本东京大学、大阪大学、东北大学、京都大学、东京工业大学、北海道大学、学习院大学、理化学研究所（RIKEN）、情报通信研究机构（NICT）、日本电信电话株式会社（NTT）、三菱电机株式会社、美国斯坦福大学、德国维尔茨堡大学等。项目周期为2014年至2018年，项目总经费为3000万美元。

 QNN原型机（图片来源：NTT官网）

在山本教授的带领下，来自统计物理学、量子光学、电子工程和计算机科学等多学科背景的科研人员紧密合作，开发出了全套QNN的硬件和软件系统。当时，QNN被定义为一个具有特殊用途的计算平台，由四个用于解决各种组合优化问题的量子光学系统构成：用于解决非确定性多项式困难问题的相干伊辛机（CIM）、用于解决非确定性多项式困难k-SAT问题的相干SAT求解器、用于解决连续优化问题的相干XY机和用于解决这些加密代码问题的相干密码机。

2017年11月，QNN系统开放了云服务，以便世界各地的用户可以体验其计算能力。例如，用户可以在多达2000个节点的完整图上找到大规模最大切割问题的解决方案。在此之后研究团队将继续探索该QNN在更多现实商业领域中的落地应用。

光量子跃迁旗舰计划

（Q-LEAP）

2018-2027年

日本文部科学省下属的量子科学技术委员会于2017年8月发布了“光量子跃迁旗舰计划（Q-LEAP）”，将主要围绕“量子信息处理”、“量子传感”、“极短脉冲激光”、“下一代激光加工”四个研究技术领域进行，其中“量子信息处理”的研究重心就是量子模拟器和量子计算机，目标是实现量子计算在制造业、药物研发等领域中的应用，朝大规模数据的高速处理计算发展。该项目周期为2018年至2027年，总投资规模2亿美元。同时，新能源和工业技术发展组织将重点资助量子退火机的研究，以及相干伊辛机（CIM）的通用软件平台搭建。

量子实际应用研究社

（QPARC）

2020-2024年

2020年4月，日本多家研究所，相关企业组建了名为“QPARC”的攻关项目，由日本量子初创企业QunaSys主导。QPARC将首先提供一系列讲座，以学习量子计算机上产业应用基础知识，并定期举办研讨会，共同讨论感兴趣的主题。此外，项目还计划提供资源对接服务，如促进硬件供应商与成员量子企业之间的联合研究项目，希望开发出真正可实际落地的产业及量子计算应用。

“量子原住民”培养计划

2020-2030年

2020年10月，日本国家信息和通信技术研究所（NICT）启动一项为期10年的量子人才培养项目，相关负责人表示：旨在培养出自己的‘量子原住民’，为人才提供从小就习惯于量子技术的环境，就像“网络原住民”在电脑和互联网环境中长大一样。该项目将请到国内外领先量子计算相关研究机构的研究人员以及来自大学和企业的专家担任讲师，面向约20名学员教授量子技术相关知识。此外教学内容还包括通过云技术使用IBM的量子计算机等实践课程。

过去20年的努力追赶已经带领日本来到量子计算研究的第一梯队之列，一系列长期的战略资助创造了新的量子科学前沿，相干伊辛机、安全存储网络等日本创造的前沿技术成功已被投入原型服务测试。从日本的量子计算研究历程中我们可以发现，日本的量子计算一步一脚印，已从基础研究阶段开始迈向应用研究阶段。

近年来，日本更是多次在公开场合表示自身量子研究落于欧美和中国之后的紧迫感，并表示未来将继续加大投入，加速追赶的步伐。越来越多的欧美领先研究者开始重视日本在量子领域的研究成果，推动与其合作开发，日本以其独特的技术路径和乐于竞合的发展风格成为中欧美不可忽视的对手和强有力的盟友，这让日本量子计算的未来尤为令人期待。

文：Chelsea

编辑：王珩

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