1量子計(jì)算凸顯戰(zhàn)略意義，多國(guó)紛紛布局競(jìng)爭(zhēng)加劇

計(jì)算能力是信息化發(fā)展的核心，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)信息處理需求的不斷提高，以半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的經(jīng)典計(jì)算在性能提升方面面臨瓶頸。量子計(jì)算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(guò)量子態(tài)的受控演化實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理，理論上具有經(jīng)典計(jì)算無(wú)法比擬的超強(qiáng)信息攜帶和并行處理能力，未來(lái)或?qū)⒊蔀榭萍技铀傺葸M(jìn)的“催化劑”，對(duì)物理化學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究、新型材料與醫(yī)藥研發(fā)、信息安全與國(guó)防建設(shè)、資源勘探與人工智能等眾多領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

近年來(lái)，全球多國(guó)加快量子信息技術(shù)研究與應(yīng)用布局，競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)日益明顯。美國(guó)近10年來(lái)以每年2億美元的投入力度持續(xù)支持量子信息各領(lǐng)域研究發(fā)展；歐盟今年已啟動(dòng)10億歐元規(guī)模的“量子旗艦”項(xiàng)目，重點(diǎn)支持量子計(jì)算、模擬、通信和傳感四大領(lǐng)域；我國(guó)2016年起設(shè)立國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“量子調(diào)控與量子信息”重點(diǎn)專項(xiàng)，并籌建量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室；此外，英國(guó)、荷蘭、澳大利亞、瑞典也紛紛出臺(tái)相關(guān)政策或項(xiàng)目支持。在全球競(jìng)爭(zhēng)加劇、量子計(jì)算技術(shù)產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展的背景下，美國(guó)今年6月推出了《國(guó)家量子行動(dòng)計(jì)劃（NQI）》法案，將在原有基礎(chǔ)上每年新增投入，進(jìn)一步加快推動(dòng)量子信息技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，并在今年11月將量子計(jì)算列入出口管制框架。

2量子計(jì)算正處于技術(shù)攻關(guān)關(guān)鍵階段，專用機(jī)未來(lái)幾年可能率先突破

量子計(jì)算包含處理器、編碼和軟件算法等關(guān)鍵技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展加速，但仍面臨量子比特?cái)?shù)量少、相干時(shí)間短、出錯(cuò)率高等諸多挑戰(zhàn)，目前處于技術(shù)攻關(guān)和原理樣機(jī)研制驗(yàn)證的早期發(fā)展階段，超越經(jīng)典計(jì)算的性能優(yōu)勢(shì)尚未得到充分證明。量子處理器有超導(dǎo)、離子阱、半導(dǎo)體、中性原子、光量子、金剛石色心和拓?fù)涞炔煌夹g(shù)路線，每種路線各有優(yōu)劣勢(shì)，現(xiàn)階段超導(dǎo)和離子阱發(fā)展相對(duì)領(lǐng)先，但尚無(wú)任何一種路線能夠完全滿足實(shí)用化要求并趨向技術(shù)收斂。另外，量子系統(tǒng)非常脆弱，極易受材料雜質(zhì)、環(huán)境溫度等影響引發(fā)退相干效應(yīng)，量子編碼技術(shù)將多個(gè)“物理比特”構(gòu)造為能夠糾錯(cuò)的“邏輯比特”，是克服退相干難題和量子系統(tǒng)脆弱性的有效手段。然而現(xiàn)有量子編碼方式的閾值高效率低，技術(shù)尚未突破，正處于向第一個(gè)“邏輯比特”邁進(jìn)的關(guān)鍵階段。量子軟件和算法是硬件處理器充分發(fā)揮計(jì)算能力和解決實(shí)際問(wèn)題的神經(jīng)中樞，開發(fā)設(shè)計(jì)需緊密結(jié)合量子疊加、糾纏等物理特性，不能從經(jīng)典計(jì)算中直接移植。目前量子計(jì)算算法典型包括Shor和Grover算法等，數(shù)量有限，只在部分經(jīng)典計(jì)算難以解決的復(fù)雜問(wèn)題上具備理論優(yōu)勢(shì)，并非普適于解決所有問(wèn)題。

從應(yīng)用范圍的角度，量子計(jì)算機(jī)可分為通用量子計(jì)算機(jī)和專用量子計(jì)算機(jī)。通用機(jī)用于解決普遍問(wèn)題，需要上百萬(wàn)甚至更多物理比特，并具備容錯(cuò)能力、以及各類軟件算法的支撐，其實(shí)用化將是長(zhǎng)期漸進(jìn)過(guò)程。專用機(jī)用于解決特定問(wèn)題，只需相對(duì)少量的物理比特和特定量子算法，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易且存在市場(chǎng)價(jià)值。業(yè)內(nèi)專家預(yù)測(cè)，未來(lái)五年左右量子專用機(jī)有可能在模擬、優(yōu)化等領(lǐng)域率先取得突破。

3量子計(jì)算領(lǐng)域美國(guó)全面領(lǐng)先，我國(guó)加速發(fā)展仍存差距

美國(guó)已形成政府、科研、產(chǎn)業(yè)和投資力量多方協(xié)同的良好局面，取得系列重要成果并建立領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。科研領(lǐng)域頂尖人才聚集，加州大學(xué)、馬里蘭大學(xué)、哈佛大學(xué)和耶魯大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)取得大量原創(chuàng)性和開拓性研究成果。谷歌、IBM、英特爾和微軟等科技巨頭成為推動(dòng)量子計(jì)算原理樣機(jī)研發(fā)加速的重要力量。從技術(shù)路線來(lái)看，谷歌、IBM致力于超導(dǎo)體系，Intel同時(shí)涉獵硅半導(dǎo)體和超導(dǎo)體系，微軟布局全新的拓?fù)渎肪€。從研究成果來(lái)看，量子比特?cái)?shù)量由2015年的9位迅速拓展至今年3月谷歌宣布的72位，3年內(nèi)提升8倍，迭代速度明顯加快。從發(fā)展模式來(lái)看，科技巨頭在全球范圍內(nèi)聯(lián)動(dòng)優(yōu)勢(shì)資源展開廣泛合作，谷歌2013年聯(lián)合美國(guó)國(guó)家航空航天局成立人工智能實(shí)驗(yàn)室，與D-Wave合作開展量子退火模擬專用機(jī)研究；2014年與美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校頂尖科研團(tuán)隊(duì)合作，布局通用量子計(jì)算機(jī)研發(fā)攻關(guān)；2017年與創(chuàng)業(yè)公司RigettiComputing合作推出開源量子計(jì)算軟件平臺(tái)。英特爾與荷蘭QuTech研究所、德國(guó)馬普量子光學(xué)中心、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院等研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合推進(jìn)硅半導(dǎo)體量子計(jì)算。微軟與荷蘭QuTech研究所、丹麥玻爾研究所等合作攻關(guān)拓?fù)淞孔佑?jì)算。IBM則基于量子計(jì)算云平臺(tái)與金融、汽車、電子、材料等不同領(lǐng)域的合作伙伴探索產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，推動(dòng)量子計(jì)算初具產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

我國(guó)在量子計(jì)算基礎(chǔ)理論、物理實(shí)現(xiàn)體系、軟件算法等領(lǐng)域均有研究布局，中國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)近年來(lái)取得一系列具有國(guó)際先進(jìn)水平的研究成果，為我國(guó)量子計(jì)算發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。從各國(guó)高水平SCI論文總量和熱點(diǎn)論文來(lái)看，美國(guó)位列第一，我國(guó)、德國(guó)分列第二和第三位；在被引次數(shù)方面，我國(guó)緊隨美國(guó)、德國(guó)和英國(guó)其后。近期代表性研究成果，如中科大分別實(shí)現(xiàn)了光量子體系18比特糾纏和半導(dǎo)體體系3比特邏輯門等。阿里巴巴、騰訊、百度和華為開始關(guān)注和投資量子計(jì)算領(lǐng)域，并發(fā)布量子計(jì)算云平臺(tái)；國(guó)內(nèi)首家量子計(jì)算初創(chuàng)企業(yè)合肥本源量子2017年成立，為研究和應(yīng)用注入了新動(dòng)力。我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域雖已取得一定成績(jī)，但仍存在一些不容忽視的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。首先，我國(guó)量子計(jì)算研發(fā)由研究機(jī)構(gòu)主導(dǎo)，科技企業(yè)進(jìn)入晚、參與度有限，初創(chuàng)企業(yè)偏少，整體發(fā)展模式仍在摸索，多方尚未形成合力。其次，量子計(jì)算機(jī)研制屬于巨型系統(tǒng)工程，涉及眾多產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和工程實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，我國(guó)在高質(zhì)量材料樣品、結(jié)構(gòu)工藝、制冷設(shè)備和測(cè)控系統(tǒng)等領(lǐng)域落后于領(lǐng)先國(guó)家，存在關(guān)鍵環(huán)節(jié)受制于人的風(fēng)險(xiǎn)。

4量子計(jì)算未來(lái)發(fā)展挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存，我國(guó)應(yīng)加大投入聚力攻關(guān)

未來(lái)幾年，量子計(jì)算技術(shù)作為全球科技熱點(diǎn)將持續(xù)研究加速發(fā)展，量子處理器路線方案不斷明朗，量子比特?cái)?shù)量、質(zhì)量和糾錯(cuò)能力進(jìn)一步增強(qiáng)，專用量子計(jì)算向?qū)嵱没拷?，全球?jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)進(jìn)一步加劇。我國(guó)量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展具有良好的研究基礎(chǔ)和廣闊的應(yīng)用空間，應(yīng)加大投入聚力攻關(guān)，促進(jìn)優(yōu)勢(shì)資源形成合力，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)并補(bǔ)齊產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)短板，搶抓“機(jī)遇窗口”期，從而趕超國(guó)際先進(jìn)水平。