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(guān)注的科 技領(lǐng)域之一。各方在該領(lǐng)域的布局不斷深化， 投資額度年年攀升， 科研探索和技術(shù)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(chǔ)科學(xué)、信息通信技術(shù)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(lǐng)域的投入， 研究與應(yīng)用成果頻出。抗量子密碼研究方興未艾，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(yīng)用服務(wù)更加契合實際需求。量子計算的物理技術(shù)路線多頭并進，離子阱和超導(dǎo)技術(shù)相對領(lǐng)先，但光量子、 硅

2、量子點和拓撲等技術(shù)也表現(xiàn)出不凡潛力。本文從不同側(cè)面入手,梳理總結(jié)了量子計算領(lǐng)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(shù)。2020年中，各國紛紛設(shè)立新的研發(fā)機構(gòu)，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(shù)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(shù)發(fā)展規(guī)劃，從而使美國占據(jù)了該 領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢。2020年中，為維持美國在量子計算領(lǐng)域的優(yōu) 勢地位，美國新建了一批量子技術(shù)研發(fā)機構(gòu)，繼續(xù)完

3、善量子技術(shù)方面的國家級協(xié)調(diào)機制，并計劃打造量子網(wǎng)絡(luò)。2月，美國白宮發(fā)布美國量子網(wǎng)絡(luò)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(xué)（ 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(xué)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(quán)”）。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(xué)與工程 中心（Q-NEXT）、量子優(yōu)勢協(xié)同設(shè)計中心（C2QA）、超導(dǎo)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(xué)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(zé)向能源部和量子信息科學(xué)分委會提出量子技術(shù) 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(xué)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(guān)鍵優(yōu)先事項，并提出QIS的8個前沿領(lǐng)域。1.2歐洲加碼量子技術(shù)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(shù)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(shù)報告，并于2018年正式啟動為期十年的 歐洲量子技術(shù)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(shù)研發(fā)規(guī)劃，以獨立發(fā)展自身的量子技術(shù)能力。5月，歐盟歐洲量子技術(shù)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(shè)歐洲的量子通信網(wǎng) 絡(luò)，完善和擴展現(xiàn)有數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，為未來的量子互聯(lián)網(wǎng)”奠定基礎(chǔ)。1月，法國議員向國會提交一份議案，以支持量子技術(shù)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(shù)”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(lǐng)域的理論和技術(shù)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(lǐng) 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(shù)領(lǐng)域開展國際合作的可能性；舉辦與量子技術(shù)有關(guān)的多項挑戰(zhàn)賽；籌劃量子計算領(lǐng)域的培訓(xùn)課程等。7月，德國在疫后經(jīng)濟刺激計劃中特設(shè)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(xué)與技術(shù)實驗室（DSTL）發(fā)布量子信息處理技術(shù)布局2020:英國防務(wù)與安全前景研究報告，預(yù)計量子技術(shù)將在未來5到10年內(nèi)推廣至防務(wù)體系和金融交易領(lǐng)域。11月，法國原子能委員會電子與信息技術(shù)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(chǔ)上，設(shè)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(lǐng)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(shè)*公里長的量子網(wǎng)絡(luò)。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(wù)是

8、研發(fā)量子計算機， 同時也致力于協(xié)助量子技術(shù)出口、建設(shè)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和推動量子 技術(shù)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(lǐng)域根基尚淺，但大國雄心促使其爭取在這一關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)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(shù)和豐富經(jīng) 驗來提升本國的量子技術(shù)。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(shù)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(xué)等在 量子領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的外方機構(gòu)。8月，印度理工學(xué)院（IIT）宣布將與莫斯科

9、羅蒙諾索夫國立大學(xué)（Moscow State University ）及俄羅斯軟件公司合作，由俄方向其轉(zhuǎn)讓低溫學(xué)、 密碼學(xué)和模塊 化云管理技術(shù)，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(xué)和研究所培養(yǎng) 900名量子技術(shù)人才，涵蓋領(lǐng)域包括量子技術(shù)基礎(chǔ)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(shù)設(shè)想轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實威脅。預(yù)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(shè)，以求主導(dǎo)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(lǐng)域的技術(shù)水平及其監(jiān)聽歐洲領(lǐng)導(dǎo)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(gòu)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(dǎo)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(xué)( 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(wù)局(Business Finland )牽頭下，包括赫爾辛基大學(xué)(University of Helsinki )、VTT研究中心、芬蘭國家安全機關(guān)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(shù)。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(chǔ)。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(jié)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(shù)。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(shù)研究所(

13、NIST)結(jié)束了為期 三年多的第二輪抗量子加密算法評審已經(jīng)結(jié)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(shù)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(shù)路線并行推進 量子處 理器是量子計算機的物理基礎(chǔ)，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(shù)路線包括超導(dǎo)、 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(shù)路線在2020年中分頭并進，超導(dǎo)技術(shù)和離子阱技術(shù)相對領(lǐng)先，光量子、拓撲和硅量子點技術(shù)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(shù)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(dǎo)路線。 與其它

17、路線相比，離 子阱技術(shù)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(dǎo)致的可擴展性不足。超導(dǎo)技術(shù)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(shù)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(shù)路線亦各有進展。3月，日本理化研究所、新南威 爾士大學(xué)和東京工業(yè)大學(xué)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(xué)家發(fā)現(xiàn)可利用非線性光學(xué)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(xué)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(shù)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(xué)的進步。四、應(yīng)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(yīng)用程序。