國外量子計算發(fā)展態(tài)勢綜述

1、國外量子計算發(fā)展態(tài)勢綜述國外量子計算最新發(fā)展態(tài)勢綜述近年來，量子計算無疑是主要大國和科技強國重點關注的科 技領域之一。各方在該領域的布局不斷深化， 投資額度年年攀升， 科研探索和技術創(chuàng)新高度活躍，代表性成果亮點紛呈、前景可期。 量子計算未來有望成為推動基礎科學、信息通信技術和數(shù)字經(jīng)濟 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強大新動能。2020年中，各國政府和企業(yè)爭相加大量子計算領域的投入， 研究與應用成果頻出?？沽孔用艽a研究方興未艾，量子處理器的 性能指標屢屢刷新紀錄，運行條件、量子材料和測控能力等不斷 進步，量子編程語言和應用服務更加契合實際需求。量子計算的物理技術路線多頭并進，離子阱和超導技術相對領先，但光量子、 硅

2、量子點和拓撲等技術也表現(xiàn)出不凡潛力。本文從不同側面入手,梳理總結了量子計算領域在 2020年中的發(fā)展動態(tài)和突出特點。一、各國夯實研發(fā)力量，勾勒中短期發(fā)展藍圖盡管量子計算尚在初期發(fā)展階段，但考慮到量子計算可能帶來的革命性影 響，主要大國都在不遺余力地發(fā)展量子計算技術。2020年中，各國紛紛設立新的研發(fā)機構，就未來5到10年左右的量子計算發(fā)展作出規(guī)劃。1.1美國力求維持量子技術優(yōu)勢地位早在2002年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）就開始制定國家級的量子技術發(fā)展規(guī)劃，從而使美國占據(jù)了該 領域的先發(fā)優(yōu)勢。2020年中，為維持美國在量子計算領域的優(yōu) 勢地位，美國新建了一批量子技術研發(fā)機構，繼續(xù)完

3、善量子技術方面的國家級協(xié)調(diào)機制，并計劃打造量子網(wǎng)絡。2月，美國白宮發(fā)布美國量子網(wǎng)絡戰(zhàn)略愿景報告，提出 美國將建造量子互聯(lián)網(wǎng)，確保量子信息科學（ QIS）惠及大眾。7 月，美國能源部公布一項量子互聯(lián)網(wǎng)計劃，計劃在十年內(nèi)建成與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)并行的量子互聯(lián)網(wǎng)。同在 7月，美國白宮科技政策 辦公室（OSTP）和國家科學基金會（NSF）宣布成立三家新的 量 子飛躍挑戰(zhàn)研究所”（QLCI）,分別推動量子計算、量子通信和量 子測量三大方向的研究工作，其中量子計算 QLCI的目標是建造 大型量子計算機、開發(fā)量子算法和實現(xiàn) 量子優(yōu)越性”（亦稱 量子 霸權”）。8月，OSTP、NSF和美國能源部亦宣布在能源部轄下的

4、國家實驗室新建 5個量子科研中心，即下一代量子科學與工程 中心（Q-NEXT）、量子優(yōu)勢協(xié)同設計中心（C2QA）、超導量子材 料與系統(tǒng)中心（SQMS）、量子系統(tǒng)加速器（QSA）和量子科學中 心（QSC）。同在 8月，美國組建國家量子倡議咨詢委員會（NQIAC）,負責向能源部和量子信息科學分委會提出量子技術 方面的建議。10月，美國白宮國家量子協(xié)調(diào)辦公室 （NQCO）發(fā)布量子前沿：國家量子信息科學戰(zhàn)略參考報告，該報告將QIS定位為確保美國長期經(jīng)濟繁榮和國家安全的關鍵優(yōu)先事項，并提出QIS的8個前沿領域。1.2歐洲加碼量子技術研發(fā)規(guī)劃 作為全球三大經(jīng)濟體之一，歐 洲并未忽視量子技術的研發(fā)和規(guī)劃。歐

5、盟從2008年起陸續(xù)發(fā)布多份量子技術報告，并于2018年正式啟動為期十年的 歐洲量子技術旗艦計劃”。2020中，歐洲各國加緊完善歐盟及本國層面 的量子技術研發(fā)規(guī)劃，以獨立發(fā)展自身的量子技術能力。5月，歐盟歐洲量子技術旗艦計劃”官網(wǎng)發(fā)布戰(zhàn)略研究議 程（SRA）報告，計劃在未來三年內(nèi)加緊建設歐洲的量子通信網(wǎng) 絡，完善和擴展現(xiàn)有數(shù)字基礎設施，為未來的量子互聯(lián)網(wǎng)”奠定基礎。1月，法國議員向國會提交一份議案，以支持量子技術在 未來5年內(nèi)的發(fā)展。該議案主要包括以下內(nèi)容：由法國國家研 究局（ANR）下轄的 量子技術”中心開展20個探索性項目，并 從中選出三個優(yōu)先項目；在法國創(chuàng)立三處研發(fā)樞紐（Hub）,以匯聚

6、量子物理領域的理論和技術研究人員、工程師、企業(yè)和最終用戶；在2024年年底前創(chuàng)建50家量子初創(chuàng)公司；圍繞量子領 域組建戰(zhàn)略委員會和國家計劃部際協(xié)調(diào)員等國家級統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機 制；探索在量子技術領域開展國際合作的可能性；舉辦與量子技術有關的多項挑戰(zhàn)賽；籌劃量子計算領域的培訓課程等。7月，德國在疫后經(jīng)濟刺激計劃中特設量子專項工以求在2021年前建造一臺實驗性量子計算機。同在7月，英國國防科學與技術實驗室（DSTL）發(fā)布量子信息處理技術布局2020:英國防務與安全前景研究報告，預計量子技術將在未來5到10年內(nèi)推廣至防務體系和金融交易領域。11月，法國原子能委員會電子與信息技術實驗室（CEA-Leti）宣布

7、將建造量子光電子平臺， 以便在硅光電子平臺的基礎上，設計、制造和測試量子光電集成組件和電路。1.3俄羅斯正式加入量子計算競賽俄羅斯在量子計算領域已取得一定進展，但與已實現(xiàn)量子優(yōu)越性”的中美兩國相比仍差距明 顯。2020年中，俄羅斯首次從國家層面正式加入量子計算機研 發(fā)競賽。2019年12月末，俄羅斯副總理提出國家量子行動計劃，擬5年內(nèi)制造出能與其它國家媲美的實用量子計算機。2020年5月，俄羅斯鐵路公司宣布計劃在2024年前建設*公里長的量子網(wǎng)絡。2020年11月，俄羅斯量子中心、俄羅斯原子能集 團下屬企業(yè)、斯科爾科沃基金會以及幾家俄高校宣布共同組建俄 羅斯國家量子實驗室，該實驗室的首要任務是

8、研發(fā)量子計算機， 同時也致力于協(xié)助量子技術出口、建設相關基礎設施和推動量子 技術教育工作等。1.4印度借力國際量子計算合作印度在量子計算領域根基尚淺，但大國雄心促使其爭取在這一關鍵技術領域有所作為。2020年中，印度積極開展對外合作，希望借助他國的先進技術和豐富經(jīng) 驗來提升本國的量子技術。2月，印度政府表示計劃在 5年內(nèi)制造出第一臺印度的國 產(chǎn)量子計算機。6月，印度聯(lián)合商會（*M ）主辦了 “2020年 印度量子技術密會”（*0）,以討論如何在印度實現(xiàn)量子優(yōu)越 性”，與會方包括 舊M、微軟、霍尼韋爾和新加坡國立大學等在 量子領域處于領先地位的外方機構。8月，印度理工學院（IIT）宣布將與莫斯科

9、羅蒙諾索夫國立大學（Moscow State University ）及俄羅斯軟件公司合作，由俄方向其轉(zhuǎn)讓低溫學、 密碼學和模塊 化云管理技術，并在印度建造全球最大且速度最快的混合量子計 算機。同在8月，微軟宣布將為印度的頂級大學和研究所培養(yǎng) 900名量子技術人才，涵蓋領域包括量子技術基礎知識、量子位、量子門操作和量子編程等。二、礪劍亦鑄盾，抗量子密碼研究方興未艾義 自谷歌公 司于2019年宣布首次實現(xiàn) 量子優(yōu)越性”以來，用量子計算機迅 速破解密碼”正逐漸從技術設想轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實威脅。預計未來十年后，基于因數(shù)分解、離散對數(shù)和橢圓曲線的非對稱密碼算法(包 括RSA和橢圓曲線密碼(ECC)在內(nèi)的幾乎所

10、有加密算法) 都將 被量子計算機輕易破解，屆時所有保密信息都必須由全新的抗量 子手段來提供保護。2020年中，在德國與芬蘭相繼啟動抗量子 加密項目，以發(fā)展歐洲的抗量子加密能力；美國更是大力推動抗量子加密算法標準建設，以求主導抗量子加密算法的發(fā)展路徑。2.1歐洲國家相繼啟動抗量子加密項目自斯諾登”事件曝光以來，美歐之間的信息安全互信已出現(xiàn)了明顯的裂痕。 考慮到美國 在量子計算領域的技術水平及其監(jiān)聽歐洲領導人的前科，歐洲國家必然會警惕量子計算機對加密通信的威脅。2020年中，為防范美國及其它國家的量子計算機將來構成的威脅， 以德國和芬蘭 為代表的歐洲國家未雨綢繆，相繼啟動各自的抗量子加密項目。3月

11、，德國半導體巨頭英飛凌(Infineon )公司宣布其正在開展 兩項基于芯片的量子安全機制研究項目，這兩項項目得到德國聯(lián)邦研究與教育部的資助，旨在解決工業(yè)系統(tǒng)、智能卡和嵌入式醫(yī) 療系統(tǒng)的抗量子加密問題。5月，Tutanota公司宣布在歐盟的資 助下，其正在與萊布尼茲大學( Leibniz University of Hanover ) 合作開展一個名為 “PQmai的電子郵件抗量子加密項目。6月，在芬蘭商務局(Business Finland )牽頭下，包括赫爾辛基大學(University of Helsinki )、VTT研究中心、芬蘭國家安全機關和 私營企業(yè)在內(nèi)的各方啟動了抗量子加密”(

12、PQC)項目，以研發(fā)量子時代的安全加密技術。2.2美國加緊制定抗量子加密標準近年來，NIST 一直在開展抗量子密碼評審工作，以便為將來的抗量子密碼標準奠定基礎。2020年中，NIST完成了第二輪抗量子加密算法評審，從26種候選算法中選出了 7種入圍算法和 8種候補算法。其評審結果表明，格密碼”(lattice-based cryptography ) 計算速度快、通信開銷較小、適用范圍廣，是目前最有前景的抗量子加密技術。在此次入圍的7種算法中，格密碼算法就占了 5種(包括*S- KYBER NTRU、SABRE *S-*UM 和 FALCON),足見其 巨大潛力。7月，美國國家標準技術研究所(

13、NIST)結束了為期 三年多的第二輪抗量子加密算法評審已經(jīng)結束，從中選出了15種算法，其中9種算法適用于公鑰加密，6種算法適用于數(shù)字 簽名；NIST計劃在2022年左右完成第三輪評審，隨后發(fā)布首 份抗量子密碼技術標準，但其不排除新增其它算法并繼續(xù)開展第 四輪評審的可能性。三、計算能力屢創(chuàng)新高，多條技術路線并行推進 量子處 理器是量子計算機的物理基礎，其性能很大程度上決定了量子計算機的性能。量子處理器的技術路線包括超導、 離子阱、光量子、 硅量子點、中性原子、拓撲和自旋等，近年來前四條路線均已實 現(xiàn)了物理量子位（Qubit ,亦稱 量子比特”），并正在朝可糾錯的 邏輯量子位邁進，但尚無哪條路線能

14、完全滿足通用計算機的所有 必要條件。2020年中，科技巨頭和初創(chuàng)企業(yè)在量子計算性能上 你追我趕，使量子計算機的性能指標達到了前所未有的水平。量子處理器的不同技術路線在2020年中分頭并進，超導技術和離子阱技術相對領先，光量子、拓撲和硅量子點技術也各有進展。 未來的量子計算機或?qū)⒉辉僖晃蹲非笤黾恿孔游粩?shù)量，而是更加注重提升邏輯門保真度、相干時間、噪聲和連接數(shù)等其它指標。3.1性能競爭陷入白熱化 1月，舊M公司推出28個量子位的 量子計算機“Raleigh其量子體積（簡稱QV,是由 舊M提出的 量子計算機綜合指標）達到32,比2019年的16 QV翻了一番。6月，霍尼韋爾（Honeywell）公司

15、后來居上，推出 64 QV 的量子計算機”H0： IBM亦不甘示弱，在8月推出基于“Falcon 量子處理器的64 QV量子計算機“Montreal?！?10月，霍尼韋爾 再次先人一步，宣布其最新的量子計算機 （即其在10月末正式 發(fā)布的量子計算機”H1）已達到128 QVo然而僅一天之后，量 子計算初創(chuàng)公司IonQ異軍突起，宣布制造出32個量子位的量 子計算機，具 QV高達400萬之巨。這一數(shù)值頓使 舊M和霍尼韋爾先前的較量黯然失色。12月，舊M宣布其量子計算系統(tǒng) “舊M Q System OneMontreal '達至U QV 128,為 2020 年的這場 激烈角逐拉下帷幕。從I

16、onQ公布的數(shù)據(jù)看，其量子計算機的高 質(zhì)量量子位只有 22個，但QV會隨著量子位數(shù)量和質(zhì)量的增 加而成幾何倍數(shù)增大，所以每增加一個高質(zhì)量量子位都會使QV大幅提升，最終達到了 400萬的水平。從當前量子計算性能的 提升速度來看，百萬級的QV數(shù)值過大，已不適合用來衡量量子 計算機的性能差距。為此Atos公司在12月提出了新的量子計 算性能評價標準“©Score"，以客觀衡量各種量子處理器在解決優(yōu)化問題時的實際性能。3.2多條技術路線各有突破在2020年的性能競爭中，霍尼韋 爾和IonQ等公司采用了離子阱路線，舊M和去年宣布實現(xiàn) 量子優(yōu)越性”的谷歌等公司則采用了超導路線。 與其它

17、路線相比，離 子阱技術的優(yōu)點在于量子相干時間長，可執(zhí)行高保真度的量子態(tài) 測量與量子門操作，以及可實現(xiàn)量子位全連接等， 缺點則在于需 要真空環(huán)境，以及因使用激光系統(tǒng)而導致的可擴展性不足。超導技術的優(yōu)點在于借助了十分成熟的集成電路工藝，因而具備良好的可擴展性，缺點則在于容易受到量子噪聲的影響，需要超低溫環(huán)境，且物理布線的工藝難度將隨著量子位數(shù)量的增加大幅提高，以至于很難實現(xiàn)量子位全連接。 這兩種技術都優(yōu)缺點明顯， 尚無 法斷言何者更勝一籌，但隨著霍尼韋爾等新力量的加入， 離子阱 陣營的規(guī)模近年來正在不斷擴大。其它技術路線亦各有進展。3月，日本理化研究所、新南威 爾士大學和東京工業(yè)大學研究人員在未改

18、變硅量子自旋狀態(tài)的 情況下，成功測量了硅量子點的電子自旋狀態(tài)，這種非破壞性測量對量子計算機的容錯十分重要。5月，美國陸軍科學家發(fā)現(xiàn)可利用非線性光學晶體實現(xiàn)量子邏輯門，這一發(fā)現(xiàn)有望使未來的量子計算機不再需要超低溫環(huán)境。9月，微軟聯(lián)合哥本哈根大學制 造出了由鋪硫化物、鋁和碑化錮組成的新型混合拓撲材料，這種材料有望用于制造首臺拓撲量子計算機。10月，澳大利亞初創(chuàng)公司 SQC使硅原子雙量子 位的保真度達到了 99.99%,打破了此前由谷歌創(chuàng)造的最高紀錄 99.64%量子計算的多條技術路線在 2020年中均表現(xiàn)出了不小 的潛力，未來的勝負很可能取決于材料學的進步。四、應用層面亮點紛呈，生態(tài)環(huán)境日趨完整量子計算機的運行原理與經(jīng)典計算機截然不同，因此需要開發(fā)專用的編程語言和應用程序。