2021量子技術(shù)全景展望

2021量子技術(shù)全景展望第一章：主要國家的量子發(fā)展路線圖一、歐洲歐洲很早就意識到量子信息處理和通信技術(shù)的潛力。除了“量子技術(shù)旗艦計劃”外，還通過調(diào)整其他計劃的支出，增加其可用資金，為實(shí)現(xiàn)未來的“量子互聯(lián)網(wǎng)”遠(yuǎn)景奠定基礎(chǔ)?！傲孔蛹夹g(shù)旗艦計劃”

全程開放式運(yùn)作，不僅促進(jìn)了每個項(xiàng)目各成員國內(nèi)部的協(xié)作，還促

進(jìn)了項(xiàng)目之間的協(xié)作，通過出色的歐洲量子周之類的活動展示了自己的形象，同時也使研究進(jìn)展更加透明。歐盟的關(guān)鍵政策目標(biāo)是確保歐洲成功進(jìn)行數(shù)字化過渡。地平線

2020（2014-2020）對歐盟的研究與創(chuàng)新計劃提供了支持，是量子技術(shù)旗艦計劃資金的主要來源，也是數(shù)字化議程中的優(yōu)先事項(xiàng)。該程序目前正面臨不利因素。英國脫歐，COVID-19

危機(jī)以及一些中歐國家向民權(quán)的轉(zhuǎn)移，

為歐盟的預(yù)算程序掀起了一場風(fēng)暴。這并沒有威脅到該計劃的現(xiàn)狀，但它限制了計劃中增加預(yù)算資金的范圍。傳統(tǒng)上，歐洲研究計劃倡導(dǎo)開放科學(xué)，開放創(chuàng)新和對世界開放的價值觀。準(zhǔn)成員資格允許非

歐盟國家參加其研討活動，QuantERA資助機(jī)制更鼓勵各國在整個歐洲研究領(lǐng)域進(jìn)行合作。

因此，量子技術(shù)旗艦計劃開始探索與加拿大，日本和美國的潛在合作。但是，確保數(shù)字或技術(shù)主權(quán)已成為歐盟目標(biāo)中越來越重要的一部分，這包括限制中美兩國利益的依賴性和影響

力，這樣的限制為未來計劃開展中的包容性和靈活性帶來了不確定性。1.德國德國政府已經(jīng)宣布，為應(yīng)對新冠肺炎疫情沖擊，將提供

20

億歐元用于量子科技研究，為

2018-

2022

年間計劃用于量子研究的預(yù)算支出打下了基礎(chǔ)。在

2020

年下半年再次強(qiáng)調(diào)量子技術(shù)在數(shù)據(jù)主權(quán)等方面的重要作用，同時，德國已經(jīng)對非歐盟國家的相關(guān)高科技公司進(jìn)行了更嚴(yán)格的限制。2.荷蘭荷蘭已經(jīng)成為量子研究活動的重要中心。于

2014

年成立的

QuTech已經(jīng)具有“國家標(biāo)志”的

地位。它與專業(yè)公司、主要專家以及有趣的初創(chuàng)公司建立了牢固的行業(yè)關(guān)系。荷蘭堅定不移地將本國定位為“通往歐洲的量子門戶”，并期望建立量子硅谷，強(qiáng)調(diào)其中心的地理位置：高度的商業(yè)便利性和高質(zhì)量的生活。目前，荷蘭與微軟和英特爾之間的合作關(guān)系穩(wěn)定，同時不斷從

QIA和

iqClock等量子技術(shù)旗艦計劃項(xiàng)目中受益。2020

年，QuantumInspire成為荷蘭量子計算生態(tài)系統(tǒng)的一個重要里程碑，這是歐洲第一個基于量子云的平臺。3.法國法國已從量子領(lǐng)域集群以及相關(guān)的高科技產(chǎn)業(yè)專業(yè)知識中受益，與法國有著緊密聯(lián)系的大型

企業(yè)已經(jīng)在量子領(lǐng)域取得了顯著成績。2020

年初，法國推出了一項(xiàng)為量子技術(shù)構(gòu)建一個國家戰(zhàn)略的計劃，此戰(zhàn)略計劃為科研和工業(yè)部署尖端量子計算基礎(chǔ)設(shè)施投資。4.英國英國的

NQTP被認(rèn)為是世界上第一個以開拓最廣泛的領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)的量子技術(shù)計劃，該計劃

橫跨量子計算、通信、計時、傳感和成像等領(lǐng)域。人才教育是英國量子計劃的另一個重點(diǎn)。NQTP希望使英國成為量子企業(yè)和量子人才的“理想之地”。在

NQTP的第二階段，英國量子計劃取得了顯著成就。充滿活力的量子研究環(huán)境已經(jīng)初步形成。英國繼續(xù)在全球各地建立牢固的研究合作關(guān)系，正不斷為量子融資尋找渠道。二、北美1.加拿大加拿大在現(xiàn)代量子科學(xué)方面有著杰出的貢獻(xiàn)。尤其是在

1984

年

GillesBrassard（蒙特利爾大學(xué)）提出了著名的

BB84

量子密碼協(xié)議。2002

年，加拿大首創(chuàng)的量子計算研究所（IQC）在滑鐵盧大學(xué)成立。在

2008-2018

年，量子科學(xué)和技術(shù)投資超過

10

億加元。到

2020

年，加拿大量子產(chǎn)業(yè)通過成立新的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，來鞏固這一地位。2020

年，溫哥華的

數(shù)字技術(shù)超級集群也宣布共同投資資金達(dá)

1.53

億加元。2.美國美國在量子科學(xué)方面的投資歷史悠久。2020

年是美國國家量子倡議(NQI)

計劃的第二年，并且隨著該計劃的真正成形，人們也看到了量子科技發(fā)展的亮點(diǎn)。美國國家科學(xué)基金會設(shè)立了三個新的量子飛躍研究所，這些以學(xué)術(shù)為主導(dǎo)的研究所將支持不同領(lǐng)域的研究。美國能源部擁有一個由

17

個國家實(shí)驗(yàn)室組成的獨(dú)特網(wǎng)絡(luò)，在美國研究領(lǐng)域具有獨(dú)特的能力。

美國能源部已經(jīng)建立了五個國家量子信息科學(xué)(QIS)研究中心。同時，每個研究機(jī)構(gòu)還強(qiáng)調(diào)它們在培訓(xùn)和勞動力發(fā)展中扮演的角色。美國已對量子領(lǐng)域的研究做出了下一步計劃。新一代超導(dǎo)量子比特技術(shù)是一個重點(diǎn)研究領(lǐng)

域，緊隨其后的是離子阱和中性原子平臺的研究。對于算法、軟件平臺和量子感測也應(yīng)給予

關(guān)注。許多新研究中心也強(qiáng)調(diào)了對學(xué)科應(yīng)用的重視?？茖W(xué)應(yīng)用程序所開創(chuàng)的先進(jìn)技術(shù)隨后會應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域，這確實(shí)代表了工業(yè)合作伙伴的潛在威脅，在某些情況下，這些合作伙伴在項(xiàng)目重點(diǎn)方面會與學(xué)術(shù)

研究者有所不同。NQI程序已完全啟動并運(yùn)行。鑒于它堅實(shí)的基礎(chǔ)可以期望在未來的幾年中，會取得令

人振奮的成果?，F(xiàn)在的疑問在于，美國計劃的實(shí)現(xiàn)將在多大程度上依賴與國際伙伴的合作。三、中國中國“五年規(guī)劃”一直推動著科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的

發(fā)展。中央和省級資金已經(jīng)投入超

15

億美元，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)已經(jīng)成為世界上主要的量

子研究中心。迄今為止，中國擁有全球最大的已部署

QKD網(wǎng)絡(luò)，并在先進(jìn)空間量子通信技術(shù)方面繼續(xù)保持世界領(lǐng)先地位?！澳犹枴毙l(wèi)星和九章量子處理器是該計劃成功的標(biāo)志。正在建立量子信息科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室（NLQIS）的網(wǎng)絡(luò)。國家量子網(wǎng)絡(luò)將繼續(xù)發(fā)展，以使其更安全，更快速，更廣泛。量子技術(shù)將成為高科技領(lǐng)域的重點(diǎn)之一，強(qiáng)調(diào)發(fā)展量子科學(xué)和技術(shù)的重要性和緊迫性。同時，中國

AI和航空計劃的持續(xù)發(fā)展也互為補(bǔ)充，

也著重規(guī)劃了量子科技到

2035

年的路線圖。四、來自世界各地的量子科技發(fā)展1.澳大利亞澳大利亞的量子研究部門非?；钴S，形成了多元化的量子創(chuàng)業(yè)公司。在主要的量子國家中，澳大利亞幾乎沒有單獨(dú)的量子戰(zhàn)略計劃。然而，2020

年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)制定了發(fā)展澳大利亞量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略，并成立了澳大利亞量子技術(shù)論壇（AusQuantech）以促進(jìn)該行業(yè)發(fā)展。2.日本2018

年日本政府啟動新的項(xiàng)目，包括超導(dǎo)量子比特

NISQ計算機(jī)和

NISQ軟件程序?！癕oonshot”研發(fā)投資計劃預(yù)計將投入約

150

億至

200

億日元，希望在

2050

年之前制造出

容錯通用量子計算機(jī)。2020

年初，日本量子技術(shù)和創(chuàng)新戰(zhàn)略初步完成，優(yōu)先研究領(lǐng)域包括量子模擬與計算、通信和

傳感。3.俄羅斯俄羅斯量子中心（RQC）成立于

2010

年。俄羅斯的量子研究得到了當(dāng)?shù)卣凸I(yè)實(shí)體的

支持。到

2020

年，已形成三個單獨(dú)的量子研究路線圖，每個路線圖都針對不同的量子領(lǐng)域基礎(chǔ)。4.新加坡2007

年，新加坡政府幫助建立了

CQT（量子技術(shù)中心）。2020

年，它啟動了一個新的為期

5

年的量子工程計劃，其中，QuantumSG的創(chuàng)建是該計劃的重點(diǎn)。五、全球?qū)W術(shù)合作六、量子投資的時機(jī)量子硬件、軟件、通信和傳感通過許多常見的技術(shù)鏈接在一起，無論是在宣傳程度還是獲取收益的時間線來講，它們在商業(yè)上都不是同步的。同樣，無論科學(xué)家是否有所突破，都會有無數(shù)人在填補(bǔ)量子理論的空白。七、2021

展望中國的“十四五”規(guī)劃——墨子號和九章的成功是建黨

100

周年的一份巨大獻(xiàn)禮。未來五年

中國在量子、人工智能和天基技術(shù)領(lǐng)域的投資細(xì)節(jié)即將浮出水面。該規(guī)劃將于

2021

年

3

月

獲得全國人大的正式批準(zhǔn)。歐洲的投資——越來越多的歐洲國家有自己的重要計劃。未來

7-8

年，整個歐洲的投資能否

超過

80-90

億歐元？地平線歐洲計劃——地平線歐洲的國際參與將如何發(fā)展？量子技術(shù)旗艦計劃——隨著

2021-2027

年歐盟最終預(yù)算協(xié)議塵埃落定，期待下一波歐洲量子

項(xiàng)目的投融資消息。歐洲量子財團(tuán)——QuIC是量子技術(shù)旗艦計劃中的一個核心財團(tuán)；EQIC是在歐洲光電子行

業(yè)協(xié)會EPIC支持下成立的一個財團(tuán)。這些財團(tuán)能幫助他們的成員一起做什么？注意加拿大、

澳大利亞和新加坡會有類似的財團(tuán)。歐洲核子研究組織（CERN）、國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計劃或空中客車（AIRBUS）—

—?dú)W洲已經(jīng)推出了許多用于大規(guī)?？茖W(xué)、研究或商業(yè)合作的模式。請留意關(guān)于哪種模式最適

合量子技術(shù)的重大創(chuàng)新的爭論。英國——注意通過產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略挑戰(zhàn)基金(ISCF)以及其他的高風(fēng)險、高回報計劃資助的更多量子

項(xiàng)目。英國能否調(diào)動伙伴關(guān)系和資源來保持在量子方面的競爭地位？日本——預(yù)計量子技術(shù)將在

2021

年初批準(zhǔn)的日本第六個科學(xué)和技術(shù)基本計劃（2021-26）中

發(fā)揮重要作用。俄羅斯——關(guān)注俄羅斯原子能公司(Rosatom)、俄羅斯鐵路公司和俄羅斯國家技術(shù)集團(tuán)(Rostec)

主導(dǎo)的路線圖的細(xì)節(jié)。美國——有了三個新的國家科學(xué)基金會研究所和五個新的美國能源部研究中心，請注意這些

美國發(fā)起的量子部門將掀起一場風(fēng)暴。該計劃能否證明它不僅僅是各部門的簡單相加？美國國會——關(guān)注量子用戶擴(kuò)展(QUEST)法案和量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施法案的進(jìn)展。NQI的這些

延伸法案會在新一屆國會中被重新引入并通過嗎？第二章：2021

量子硬件展望中國的量子優(yōu)勢論證登上了頭條新聞，但尚未在量子計算競賽中占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。領(lǐng)先的硬件團(tuán)隊已經(jīng)為未來的馬拉松確定了發(fā)展路線，而糾錯已成為故事的關(guān)鍵部分。擴(kuò)大規(guī)模的挑戰(zhàn)

仍然突出。越來越多的量子專業(yè)公司、初創(chuàng)公司和研究機(jī)構(gòu)開始打造范圍越來越廣的量子硬件。從早期

的

NISQ（含有噪音的中型量子）設(shè)備到全規(guī)模的

FTQC（容錯量子計算）設(shè)備。九章實(shí)驗(yàn)可能因完成了最復(fù)雜的計算而獲得第一名，但在頭條背后，這個新的里程碑有多重

要呢？IBM可以指出最大的云計算項(xiàng)目和高級用法的拐點(diǎn)。離子阱玩家爭相在量子體積上處于領(lǐng)先地位，但在量子比特數(shù)量上仍然落后。一、超導(dǎo)量子比特為重大突破做好了準(zhǔn)備1.谷歌——過渡的一年在谷歌的量子夏季研討會上，Neven再次強(qiáng)調(diào)了谷歌計劃的連續(xù)性，并概述了

他們計劃在

2029

年前建立一個擁有

100

萬個物理超導(dǎo)量子比特的“小型”FTQC的里程碑。即使在離任時，Martinis也一直在強(qiáng)調(diào)谷歌在程序和硬件方面的領(lǐng)先優(yōu)勢。谷歌首選的可調(diào)諧量子比特和快速邏輯門提供了極大的靈活性和性能，但是

Sycamore53Q設(shè)備的校準(zhǔn)顯然是一個挑戰(zhàn)。有了額外的控制，就需要在芯片上和芯片外路由額外的控

制線?？s放比例會自動增加布線的挑戰(zhàn)和元件數(shù)量與總體故障率之間的關(guān)系。谷歌將材料研究作為提高量子比特相干時間的一種方法，需要科學(xué)的進(jìn)步，而不僅僅是工程上的進(jìn)步。谷歌的近期目標(biāo)是證明物理量子比特錯誤可以通過使用增大尺寸的原型邏輯量子比特系統(tǒng)地減少

——有效地在實(shí)踐中證明使用表面編碼協(xié)議進(jìn)行糾錯，而不僅僅是理論中。創(chuàng)建約

10,000

個物理量子比特的可平鋪模塊是傳統(tǒng)計算機(jī)設(shè)計核心的邏輯門的真正等價物，代表了“物理風(fēng)險在降低”，投資者僅需擔(dān)心傳統(tǒng)工程的挑戰(zhàn)。谷歌的愿望是在

2025/2026

年左右達(dá)到這一目標(biāo)。2.IBM——藍(lán)色巨人自

2017

年以來，IBM已經(jīng)交付了

28

款性能在穩(wěn)步提高的系列設(shè)備。他們的

27Q處理器達(dá)到了

QV128

的水平，可以期待他們最近發(fā)布的

65Q處理器會在適當(dāng)?shù)臅r候超越。到

2023

年，IBM的目標(biāo)是生產(chǎn)

代號為

Condor的

1121Q處理器，將其容納在一個新的稀釋“超級冰箱”中。Goldeneye冰箱

目前處于原型階段，旨在容納多個芯片。IBM顯然專注于大規(guī)模的

FTQC。Condor最初的設(shè)計采用了與最近其他芯片相同的六邊形

的布局。這種低連通性設(shè)計是為了使具有固定頻率量子比特設(shè)計的芯片更易于制造，同時旨

在使用低連通性顏色代碼而非表面代碼來進(jìn)行糾錯。以確保他們的路線圖在

2023

年時比其

他公司更清晰。在保留固定頻率量子比特以利用其允許的長相干時間的同時，IBM一直在嘗試在每個門使用額外的可調(diào)諧振耦合器和旁路電容耦合器。這保證了

2Q門的速度更快(誤差也更低)，但

是由于相比與其先前技術(shù)設(shè)計發(fā)生重大變化，到目前為止，只有在簡單的

2Q實(shí)驗(yàn)設(shè)備中才

能實(shí)現(xiàn)。3.超導(dǎo)多樣性Rigetti使用了一種獨(dú)特的超導(dǎo)量子比特方法，尋求在

IBM長壽命固定頻率量子比特和谷歌可調(diào)諧量子比特提供的快速門之

間找到一條中間道路。2020

年，Rigetti獲得由

DARPA的

ONISQ計劃提供的

860

萬美元資助，參與一個

1000

萬英

鎊的項(xiàng)目幫助英國部署第一臺商用量子計算機(jī)。Wave繼續(xù)走自己的道路，專注于量子退火。這使

D-Wave迅速擴(kuò)大規(guī)模，瞄準(zhǔn)早期客戶機(jī)

會。其最近推出的

Advantage系統(tǒng)是一個重大升級，5000

個量子比特中有

15

個量子比特互

相連接。但是，該技術(shù)的一個缺點(diǎn)是，它在理論上沒有很好的途徑來實(shí)施糾錯，因此最終無

法擴(kuò)展到

FTQC。芬蘭的

IQM是一家提供差異化產(chǎn)品的初創(chuàng)公司。IQM將為研究機(jī)構(gòu)和高性能計算中心構(gòu)建

現(xiàn)場量子計算機(jī)，并為企業(yè)客戶提供協(xié)同設(shè)計方法。2020

年，IQM贏得了

VTT和芬蘭政府的聯(lián)合創(chuàng)新公開招標(biāo)。這項(xiàng)耗資

2070

萬歐元的項(xiàng)目

將于

2024

年在芬蘭交付一臺

50Q量子計算機(jī)。二、進(jìn)擊的離子阱量子在

2020

年的發(fā)展非常順利。盡管

QV是

IBM率先提出的一種衡量方法，但是霍尼韋爾

已經(jīng)成為第一個用其

6QH0

和

10QH1

處理器達(dá)到

QV64

和

QV128

的廠商。離子阱研究者長期以來所闡述的兩個優(yōu)勢：與超導(dǎo)量子比特方法相比，它有優(yōu)越的連接性和更

高的門保真度。這兩個優(yōu)勢可以保證更高的

QV。霍尼韋爾處理器也是首款實(shí)現(xiàn)中間電路測

量的處理器，進(jìn)一步提高了靈活性。對于離子阱系統(tǒng)而言，真正的長期挑戰(zhàn)是再次擴(kuò)大規(guī)模，尤其是在它們依賴精細(xì)調(diào)諧的激光

系統(tǒng)來驅(qū)動其高保真量子比特門的情況下。就像超導(dǎo)量子比特方法不同一樣，離子阱也不盡

相同。離子阱架構(gòu)通常使用模塊之間的光子互連進(jìn)行擴(kuò)展。最近已經(jīng)演示了更快的互連，但是似乎

仍然是一個性能瓶頸。另一方面，離子穿梭方法原則上可以提供類似于全連接的

QV。三、云中的中性原子中性原子量子比特在

2020

年繼續(xù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。它們與離子阱有許多相同的特性，它們

的優(yōu)點(diǎn)是中性原子可以被包裹得更緊密。這意味著可以更快地擴(kuò)展到

1000Q模塊。ColdQuanta是采用這種方法的知名公司，已經(jīng)推出了

QuantumCore作為一個基本單元，以瞄準(zhǔn)許多量子領(lǐng)域的機(jī)會。它也是云上的量子物質(zhì)系統(tǒng)

Albert的基礎(chǔ)。四、長期使用的硅2020

年，基于量子點(diǎn)的硅量子比特在實(shí)現(xiàn)其長期承諾的優(yōu)勢之一方面取得了重大進(jìn)展。

量子比特操作有望成為一個操作和擴(kuò)大設(shè)備規(guī)模明顯更容易的機(jī)制，盡管在這些更高的溫度下，相干時間和保真度是否具有競爭力仍有待觀察。在描述

SQC的制造技術(shù)時，不僅能夠以原子精度設(shè)計量子比特，而且同樣的技術(shù)可以在同一器件襯底內(nèi)創(chuàng)建穩(wěn)定、簡單和原始的控制線路，將開發(fā)具有超快速門和可擴(kuò)展布線選項(xiàng)的設(shè)備。五、光子破壞者中國的九章實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明這一計算比迄今為止在任何其他平臺上實(shí)現(xiàn)的計算都要復(fù)雜。九章通過實(shí)現(xiàn)一種被稱為高斯玻色取樣的算法來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，成功構(gòu)建了

76

個光子

100

個模式

的高斯玻色采樣量子計算原型機(jī)。在

200

秒的時間里產(chǎn)生的輸出樣本，聲稱世界上最強(qiáng)大的超級計算機(jī)

Fugaku需要

6

億年才能實(shí)現(xiàn)。它的復(fù)雜程度大大超過了谷歌

Sycamore最初的量子優(yōu)勢演示。九章并非憑空而來。至少從

2006

年起，中國就一直在增加對量子技術(shù)的投資。潘建偉團(tuán)隊

的專業(yè)知識是眾所周知的，在

2019

年，他們首次實(shí)現(xiàn)

20

個光子

60

個模式干涉線路的玻色

取樣量子計算。最新的實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)令人矚目的科學(xué)成就，并且是再次證明這個團(tuán)隊的科學(xué)與

工程技術(shù)的杰作。九章當(dāng)前的形式是不可編程的，它實(shí)現(xiàn)的是一種靜態(tài)算法，而不是通用的量子計算方法。也許更重要的是，它是通過“傳統(tǒng)”光學(xué)平臺安裝來實(shí)現(xiàn)的。所有的活性組件仍然是離散的。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的配置，需要進(jìn)行許多手動調(diào)整。該方法在科學(xué)

上令人興奮，但對擴(kuò)大規(guī)模提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。西方國家多年來一直在追求集成光子技術(shù)，將其作為實(shí)現(xiàn)真正可擴(kuò)展的光量子計算的一條有

前途的途徑。這要求（幾乎）所有必需的組件集成到一個設(shè)備當(dāng)中。主動可編程設(shè)備的演示

可以追溯到

2015

年。六、擴(kuò)大規(guī)模各種不同的量子比特技術(shù)突破

100

到

1000

量子比特唯一的問題是可擴(kuò)展性，有足夠好的量子比特來解決你真正想要解決的商業(yè)問題。大多數(shù)領(lǐng)先的硬件廠商都已經(jīng)制定了自己的路線圖，他們的硬件將花費(fèi)大部分時間進(jìn)行糾錯。關(guān)于如何最好地做到這一點(diǎn)的爭論已經(jīng)與量子比特技術(shù)的爭論交織在一起。七、2021

展望量子霸權(quán)——無論計算難度的爭論最終結(jié)果如何，九章都會引起軒然大波。要注意這項(xiàng)技術(shù)

能否可編程和可擴(kuò)展。只有這樣才能使它真正具有顛覆性。QV——IonQ對其新

32Q量子計算機(jī)預(yù)期很高。實(shí)測性能真的會達(dá)到

400

萬

QV嗎？QV/s——量子體積可以用來衡量許多性能指標(biāo)，但它沒有辦法衡量不同量子比特平臺之間

的原始門速度差異。預(yù)計超導(dǎo)量子比特社區(qū)將采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行反擊，使他們能夠展示自

己的快速門。量子比特數(shù)量——IBM是否會第一個將

100Q+處理器與

127QEagle一起放到云端？或者

Rigetti會用

4x32Q多芯片

Aspen模塊搶占、先機(jī)嗎？從谷歌的“100Q”設(shè)備中看到什么？注意同步

2Q門保真度的趨勢邏輯量子比特——關(guān)注主要玩家的糾錯演示，這表明他們正在邁向一個新的重要里程碑——

操作邏輯量子比特。中國——本源量子能否在云產(chǎn)品中增加

60

量子比特的悟源

2.0

設(shè)備？歐洲——QT旗艦項(xiàng)目

OpenSuperQ預(yù)計將交付其第一臺設(shè)備。距離

100Q還有多遠(yuǎn)，對應(yīng)的QV是多少？AQTION將交付

50Q+設(shè)備；注意它的基于機(jī)架的靈活配置。英國——Rigetti正在英國建造一臺基于超導(dǎo)量子比特的機(jī)器，容納于牛津儀器公司最新的

Proteox系列稀釋冰箱之中。關(guān)注這臺量子計算機(jī)可能公布的細(xì)節(jié)。超導(dǎo)技術(shù)——觀察初創(chuàng)公司的發(fā)展情況以及這種技術(shù)的新特點(diǎn)，如

SeeQC和

OQC。特別注

意

QCI計劃的細(xì)節(jié)。這是一支強(qiáng)大的隊伍，但仍在暗中運(yùn)作。他們選擇支持的內(nèi)容將成為他們?nèi)绾慰创磥頂U(kuò)展挑戰(zhàn)的指南。量子退火——注意未來

D-Wave硬件計劃的細(xì)節(jié)。Qilimanjaro提出的“相干”量子退火器有

什么細(xì)節(jié)。離子阱技術(shù)——現(xiàn)有的領(lǐng)導(dǎo)者如霍尼韋爾和

IonQ將由

AQT推動。關(guān)注來自微波門技術(shù)初

創(chuàng)公司的消息，如

OxfordIonics、UniversalQuantum和

NextGenQ。中性原子——2021

年會看到

ColdQuanta的

100Q設(shè)備登上頭條嗎？尤其關(guān)注保真度。

關(guān)注更多來自初創(chuàng)公司

QuEra、Pasqal和

AtomComputing的計劃。量子點(diǎn)——自旋量子比特原型通常基于硅襯底上的金屬氧化物半導(dǎo)體或硅鍺量子點(diǎn)。在過去

的兩年里，硅襯底上的鍺量子比特已經(jīng)取得了驚人的進(jìn)展。觀察哪種變體將成為領(lǐng)先的量子點(diǎn)量子比特平臺。硅保真度——展示真正高保真的

2Q門性能仍然是一個關(guān)鍵目標(biāo)。關(guān)注

QLSI財團(tuán)透露的細(xì)

節(jié)。我們會看到

SQC或

PhotonicInc開始趕上量子比特的高保真度嗎？光子平臺——已經(jīng)開發(fā)了這種技術(shù)的多種變體，每種都有不同的優(yōu)勢和劣勢。絕緣體上硅

(SOI)是最成熟的技術(shù)，并得到了

PsiQ的支持。氮化硅(Si3N4)提供了一個強(qiáng)大的現(xiàn)有組件生

態(tài)系統(tǒng)，并受到

Xanadu和

QuiX的青睞。這項(xiàng)技術(shù)的其他變化正在出現(xiàn)。注意這些技術(shù)中

哪一項(xiàng)將在量子應(yīng)用中脫穎而出。Duality會選擇哪一個作為它的起點(diǎn)？專用設(shè)備——重視量子模擬器是歐盟量子旗艦的一個特點(diǎn)。注意

PASQuanS和

Qombs等項(xiàng)

目的結(jié)果。通過

ATOS、法國電力和空客等公司，終端用戶的參與度在這里尤其高。關(guān)注來自初創(chuàng)公司的原型計劃。拓?fù)淞孔颖忍亍?020

年經(jīng)歷了一次重大的挫折，對之前

TUDelft關(guān)于馬約拉納準(zhǔn)粒子的

結(jié)果提出了質(zhì)疑。繼續(xù)關(guān)注相關(guān)爭論。控制硬件——R&D市場將成為蘇黎士儀器和

QuantumMachines等控制專家的重要跳板。

IBM、谷歌、英特爾和微軟等巨頭都將目光投向了距離量子硬件更近的低溫

CMOS控制硬

件。Seeqc正在開發(fā)自己的具有潛在顛覆性的“數(shù)字”控制技術(shù)。英國國家量子計算中心(NQCC)——關(guān)注

2021

年初多個技術(shù)領(lǐng)域的資助計劃。新的量子比特技術(shù)——AWS對混合電聲(electro-acoustic)量子比特感興趣。QuantumBrilliance正在研究一種基于金剛石

NV的處理器。EeroQ在尋找氦上的電子。注意這些和其他新技術(shù)

平臺的細(xì)節(jié)。新代碼——AWS的混合電聲量子比特不僅因其新的技術(shù)平臺，還因其提出的“級聯(lián)

cat碼”

糾錯方案而聞名。注意受這種方法啟發(fā)的其他方案。擴(kuò)展——對于大多數(shù)設(shè)備來說，關(guān)鍵問題不是它們能做什么，而是它們展示了平臺不斷向量子優(yōu)勢擴(kuò)展的能力。第三章：2021

量子軟件展望一、量子計算云服務(wù)市場升溫1.IBMQIBM宣布實(shí)現(xiàn)其量子計算研發(fā)版圖中的全新里程碑，過去四年中，IBMCloud上部署了

28

個

量子計算系統(tǒng)。IBM用于商業(yè)的量子計算機(jī)服務(wù)

IBMQ取得了階段性的成功。當(dāng)其他競爭者開始建立自己的量子社區(qū)時，IBM根據(jù)自身在早期階段搭建量子社區(qū)的經(jīng)驗(yàn)

出版書籍。在不斷發(fā)展的供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)中可以提供與

Qiskit兼容的庫和工具，

而不只是

IBM硬件。2.來自競爭者的追趕D-Wave在

2018

年

10

月推出了

Leap云平臺，基于

D-Wave量子退火處理器提供量子計算云

服務(wù)。量子計算先驅(qū)

RigettiComputing推出了

Rigetti量子云服務(wù)(QCS)。量子優(yōu)勢是使用量子計算技術(shù)解決重

要或有價值的業(yè)務(wù)問題。最近，越來越多實(shí)力雄厚的量子公司開始投入量子云服務(wù)平臺的研

發(fā)當(dāng)中。微軟能夠通過“QStation”繼續(xù)從事量子計算基礎(chǔ)研究。AWS也在努力趕超。Google一直保持對其先進(jìn)硬件的訪問權(quán)，但現(xiàn)在已啟動了一項(xiàng)早期訪問計劃，以允許特定的

外部人員訪問其量子云服務(wù)?？傮w而言，量子云服務(wù)平臺市場參與者的增加反映出各公司技術(shù)專業(yè)人才的廣泛籠絡(luò)。想要

打贏量子領(lǐng)域的硬仗，還需投入大量的資金。二、教育的重要性建立量子算法平臺用戶群的第一步是用戶參與和教育。2020

年的一大亮點(diǎn)是首屆

IBM量子編程挑戰(zhàn)賽。比賽設(shè)置了四個任務(wù)供程序員試用其基于云的量子計算機(jī)，以擴(kuò)展量子編程技能。來自

QuantumRealmGames的量子國際象棋有望成為

Google量子云計劃的一個成功項(xiàng)目。這是量子算法在經(jīng)典游戲的有趣應(yīng)用。量子領(lǐng)域需要一些方法來使不具備量子專業(yè)知識的人對量子計算結(jié)果與經(jīng)典結(jié)果有所感受，領(lǐng)略到量子的魅力。量子國際象棋做到了這一點(diǎn)，甚至可以使參與者的教育程度降低到高中水平。中國科學(xué)家也已經(jīng)沿著類似的思路開發(fā)了量子

圍棋。另一個有趣的量子算法學(xué)習(xí)產(chǎn)品是

Q-CTRL的

BLACKOPAL，它可以在光滑的儀表盤上可視化處理錯誤，最重要的是，可以幫助用戶可以直觀地查看噪聲的影響并使用控件對量子計

算機(jī)的電路進(jìn)行重新編程來糾正錯誤。在歐洲，QuTech的

QuantumInspire量子云平臺能夠讓所有人都能夠訪問量子計算機(jī)，而且

所訪問的量子計算機(jī)還是世界上第一個使用由可擴(kuò)展自旋量子比特制成的量子處理器。該平臺還提供對超導(dǎo)（Transmon）量子比特制成的處理器的訪問。因此，用戶可以測試量子算法

并比較處理器的效果。三、高性能模擬器對于量子開發(fā)來說，高性能模擬是關(guān)鍵一環(huán)。隨著要模擬的量子比特數(shù)量增加，量子模擬器

的開發(fā)迫在眉睫。四、幫助量子企業(yè)的研發(fā)工作隨著越來越多的公司開始從事早期的量子計算研發(fā)活動，許多初創(chuàng)公司正在尋求為新生的量

子應(yīng)用軟件開發(fā)提供合適的開發(fā)環(huán)境。Zapata、QCWare、1QBit和

Strangeworks均提供出色的量子產(chǎn)品。到目前為止，Zapata籌集

了

5700

萬美元用于研發(fā)，而

QCWare則受益于

Q2B會議抓住了研發(fā)的早期優(yōu)勢。五、未來的應(yīng)用領(lǐng)域真正的量子應(yīng)用軟件的出現(xiàn)還為時過早，但是初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)在為這個未來市場定位。關(guān)鍵一

點(diǎn)在于平衡量子算法的專業(yè)知識與深入的行業(yè)洞察力，與傳統(tǒng)應(yīng)用軟件領(lǐng)域相比，后者可能

甚至更為重要，建立可以與行業(yè)保持互動并繁榮發(fā)展的商業(yè)模式是一個挑戰(zhàn)。六、量子編譯器優(yōu)化量子編譯器是量子研發(fā)階段的一大挑戰(zhàn)，量子計算設(shè)備存在物理量子比特之間的有限連接，使得只能在有限的量子比特對上應(yīng)用雙門?，F(xiàn)實(shí)世界中的量子設(shè)備是存在噪音的，但是可以研發(fā)一種用于表征大型量子計算機(jī)噪聲的算法以解決這一問題。編譯器市場中富有前景的方向都建立在深厚的專業(yè)知識基礎(chǔ)上，這些專業(yè)知識在許多情況下是互補(bǔ)而不是競爭。隨著在早期在量子硬件上實(shí)施糾錯代碼的競爭日漸激

烈，編譯器創(chuàng)新又將迎來新的浪潮。七、量子操作系統(tǒng)Riverlane的

Deltaflow.OS是一個新的全棧量子操作系統(tǒng)。由總部位于劍橋的量子計算軟件開發(fā)商

Riverlane牽頭的財團(tuán)從英國政府獲得

760

萬英鎊（約合

6900

萬

RMB）的撥款，用于部

署高度創(chuàng)新的量子操作系統(tǒng)

Deltaflow.OS。Deltaflow.OS解決了一個非常重要

的問題——實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的交互，并充分利用量子計算性能。提供了加速開發(fā)、

低延遲以及在應(yīng)用程序和控制層之間進(jìn)行靈活交互的潛力。八、量子軟件堆棧盡管對量子硬件性能有不同的衡量標(biāo)準(zhǔn)，但仍然很少能解決怎樣從云端到終端使用

這些系統(tǒng)。從長遠(yuǎn)來看，許多人認(rèn)為必須將多數(shù)開發(fā)人員的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為一個簡單易懂的結(jié)論。隨著技術(shù)的進(jìn)步，從現(xiàn)在起的

8-10

年，

人們將再次使用

Python和

PyTorch進(jìn)行編寫。九、2021

展望云中的量子霸權(quán)——谷歌還沒有成功地在

Sycamore的常規(guī)（自動校準(zhǔn)）運(yùn)行中重復(fù)其量子

霸權(quán)實(shí)驗(yàn)。誰是第一個讓用戶在云端實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)計算的公司？拭目以待！云中的量子體積——量子體積是早期量子處理器能力的更全面的度量。如果離子阱產(chǎn)品能夠

在這里建立一個領(lǐng)先地位，那么對于提供訪問的平臺來說，預(yù)計會有一個大的突破。云基準(zhǔn)測試——關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)“真正的問題”基準(zhǔn)測試的發(fā)展。D-Wave的新的

Qiskit插件旨在

使它能夠輕松地在

Qiskit支持的任何后端以及它自己的量子退火硬件上對一類重要的優(yōu)化

問題進(jìn)行基準(zhǔn)測試。硬件無關(guān)平臺——硬件無關(guān)的量子云平臺（如微軟

Azure）在財大氣粗的科技巨頭的支持下

正在崛起。自有品牌全棧平臺將如何適應(yīng)？參與度——IBMQuantum在用戶參與度和教育方面的領(lǐng)先地位令人望而生畏，不太可能很

快被超越。是否會看到競爭對手在這一點(diǎn)上取得任何進(jìn)展？教育——關(guān)注專門針對教育市場的產(chǎn)品發(fā)布。BLACKOpal2.0

預(yù)計將涵蓋發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)到

執(zhí)行算法，內(nèi)容來自

ChrisFerrie。量子國際象棋大賽

2.0

承

諾將包括量子解決方案的謎題。能看到谷歌

DeepMind的一個

AI對手嗎？編譯器——關(guān)注新的實(shí)用優(yōu)化功能。Horizon公司——HorizonQuantumComputing正在向早期用戶開放其專有的編譯器和軟件開

發(fā)工具。它有一個雄心勃勃的目標(biāo)，即允許開發(fā)人員根據(jù)用經(jīng)典語言（如

Matlab）編寫的程

序自動構(gòu)造量子算法。這個平臺是否允許更廣泛的軟件開發(fā)人員，在沒有量子特定知識的情

況下，將他們的技能帶到桌面上？量子網(wǎng)絡(luò)——關(guān)注

AliroQuantum前兩款產(chǎn)品

Q.Compute和

Q.Network的進(jìn)展。這些會引起

圍繞量子網(wǎng)絡(luò)的熱議嗎？模擬器——高性能模擬仍然是理解、測試和驗(yàn)證量子軟件的關(guān)鍵。注意優(yōu)化的模擬器性能。量子象棋

vs量子圍棋——中國大型企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)的量子云平臺越來越多地尋求復(fù)制西方

開創(chuàng)的用戶參與之旅，比如量子圍棋。第四章：2021

量子算法展望一、推動

NISQ發(fā)展的量子優(yōu)勢1.GoogleSycamore量子芯片Google的

Sycamore量子芯片在

2019

年底大獲成功，大大提升了量子計算性能。谷歌將“春

季量子研討會”作為其量子計算服務(wù)的亮點(diǎn)，量子研究成果令人印象深刻。Google對

Sycamore的研究集中在如何縮短量子計算的時長上，使其具有更高的計算性能。在多次化學(xué)量子模擬的情況下，Google展示了基于

N表示性的錯誤緩解決策，極大地改善

了實(shí)驗(yàn)的有效保真度。Google對于量子計算機(jī)是否能用于加速目前的化學(xué)反應(yīng)量子模擬技術(shù)持保留意見。2.隨機(jī)數(shù)和抽樣作為早期的量子計算服務(wù)產(chǎn)品，許多學(xué)者正在研究隨機(jī)數(shù)。UmeshVazirani（伯克利）將經(jīng)典密碼學(xué)與量子領(lǐng)域進(jìn)行結(jié)合，解決了“量子計算中最根本的問題之一，即如果你讓一臺量子計算機(jī)為你執(zhí)行一個計算，那么你如何確定它確實(shí)執(zhí)行了你

的指令，甚至如何得知它是否做了與量子相關(guān)的事情。3.優(yōu)化基準(zhǔn)測試從金融服務(wù)到物流再到制造業(yè)，優(yōu)化算法是應(yīng)用于實(shí)際案例的重要前提。早期的優(yōu)化算法有

QUBO和

QAOA以及在傳統(tǒng)硬件上運(yùn)行的量子啟發(fā)算法。4.離子阱使他們名聲大噪隨著

IonQ和霍尼韋爾推出的量子技術(shù)新設(shè)備，人們也在努力探索量子計算的具體實(shí)現(xiàn)路徑。像傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)一樣，通過反復(fù)試驗(yàn)來進(jìn)行研究的能力正是該領(lǐng)域的學(xué)者所不可或缺的。5.關(guān)鍵步驟霍尼韋爾架構(gòu)的關(guān)鍵特征之一是可在電路中間測量單個量子比特。從中期來看，所有設(shè)備都

需要將此作為實(shí)現(xiàn)量子糾錯的關(guān)鍵步驟。量子比特的中間電路測量復(fù)位是霍尼韋爾獨(dú)有的技術(shù)，其他使用離子阱方法的量子計算公司

也在試圖復(fù)制該技術(shù)?；裟犴f爾實(shí)際上能夠減少某些操作所需的量子比特數(shù)。二、量子研究的成果1.模擬量子化學(xué)和材料科學(xué)QuantumBenchmark公司將材料科學(xué)列為第一個可能從量子算法中受益的領(lǐng)域。這些材料本質(zhì)上屬于量子系統(tǒng)，因此通常有機(jī)會將量子設(shè)備中的噪聲轉(zhuǎn)化為需要的部分。要模擬的一個電子軌道需要一個量子比特。因此，使用

100Qubit+設(shè)備似乎可以

達(dá)到需要的效果。啟發(fā)式變分路徑是一種可能的方法，但是對于其具體應(yīng)用仍在研究當(dāng)中。2.優(yōu)化金融、物流和制造業(yè)服務(wù)在世界范圍內(nèi)，已有

20

多家金融機(jī)構(gòu)在量子計算方面有所建樹。高盛和摩根大通是

IBMQuantumNetwork的合作伙伴。在

2020

年，高盛、摩根大通、巴克萊、BBVA等公司一直在商討他們正在進(jìn)行的早期量子

研究工作，并確定優(yōu)先的研究領(lǐng)域，主要是金融投資組合優(yōu)化和用于對金融衍生工具定價的

蒙特卡羅技術(shù)。3.機(jī)器學(xué)習(xí)IBM的最新理論工作首次證明，即使僅訪問經(jīng)典數(shù)據(jù)，也可以在某些受監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)

應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)指數(shù)級加速。QCWareQCWare開發(fā)了兩種類型的數(shù)據(jù)加載器，即并行數(shù)據(jù)加載器和優(yōu)化數(shù)據(jù)加載器，它們都將經(jīng)典數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為量子狀態(tài)以用于機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用，而且還可以使用一種優(yōu)化的距離估計

算法。迄今為止，量子機(jī)

器學(xué)習(xí)的大部分成功的實(shí)驗(yàn)都采用了一種不同的方法，那些實(shí)驗(yàn)里量子系統(tǒng)不僅只是模擬了

網(wǎng)絡(luò)；它們本身就是網(wǎng)絡(luò)。每個量子比特代表一個神經(jīng)元。4.掌握量子研發(fā)技術(shù)量子計算真正發(fā)揮作用還需要時日。空中客車公司已在整個量子領(lǐng)域建立了強(qiáng)大的知識網(wǎng)，

也使空客量子研究團(tuán)隊對量子算法的研究有了更深的理解。三、一百萬量子比特的作用一臺能求解且有實(shí)用價值的超導(dǎo)量子計算機(jī)需要有上百萬個量子比特，并且可以訪問諸如

QRAM和快速互連之類的資源。隨著越來越多的硬件描述了針對“百萬級量子比特”糾錯量

子計算機(jī)的路線圖，自然就產(chǎn)生了一個問題——應(yīng)該怎樣做出這種規(guī)格的設(shè)備呢？1.二次加速是否足夠目前在實(shí)現(xiàn)量子計算指數(shù)級加速方面沒有理論上的難題。但是，在量子算法僅提供平方加速

的情況下，存在一定的困難。量子計算機(jī)存在一段不必要的較長的運(yùn)行時間。將算法改進(jìn)以下，將能使

量子計算設(shè)備的優(yōu)勢增加。平方加速似乎不足以在基于當(dāng)前前端運(yùn)行

架構(gòu)的容錯量子計算機(jī)上提供足夠的運(yùn)行能力。2.尋求更好的加速容錯量子計算機(jī)前景廣闊，但其功能仍然有限。眾所周知，絕熱量子計算在原理上與基于電路的模型具有相同的計算能力。量子計算機(jī)的計算能力正在以雙重指數(shù)的速度迅速發(fā)展，但研究這一算法仍需要時間。Google和

Troyer的工作指出算法的前景，即提供多項(xiàng)式加速的算法比平方更具有優(yōu)勢，但

即使是

ScottAaronson，目前也無法研究出真正能應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中的量子算法。四、2021

展望量子性的證明——會更容易看到基于

PQC陷門(trapdoor)的量子優(yōu)勢實(shí)驗(yàn)嗎？可認(rèn)證的隨機(jī)數(shù)——谷歌會使用其新的量子設(shè)備之一來推出遠(yuǎn)程可認(rèn)證的公共隨機(jī)性服務(wù)

嗎？谷歌早期訪問計劃——谷歌目前正在將其平臺的訪問權(quán)限擴(kuò)展到外部團(tuán)體。第一波將由美國

學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)主導(dǎo)，物理模擬專家

Phasecraft的加入引人注目。注意其他被選中的組織。IBMQuantum合作伙伴——包括戴姆勒、?？松梨?、摩根大通、三星、高盛、埃森哲、JSR和波音在內(nèi)的藍(lán)籌合作伙伴對

IBMQuantumCloud的擴(kuò)張表示歡迎。D-Wave——除了具有

5000

個退火量子比特和

15

路連接的新硬件外，D-Wave現(xiàn)在還推出了

擴(kuò)展的混合解算器支持。注意可以解決的問題大小的影響。它的藍(lán)籌客戶會將量子應(yīng)用程序

投入日常業(yè)務(wù)使用嗎？新的量子聯(lián)盟——高規(guī)格的離子阱處理器為探索

NISQ算法提供了新的機(jī)會，NISQ算法經(jīng)

過調(diào)整可用于高保真度、高連接性和中間電路測量。關(guān)注圍繞

AWSBraket和

AzureQuantum新的量子聯(lián)盟。NEASQC——這一新的價值

4.7

歐元的

QT旗艦項(xiàng)目將針對

NISQ使用案例，與阿斯利康、

法國電力公集團(tuán)、HSB、Tilde、道達(dá)爾以及量子軟件公司

Atos和

HQS等密切合作。注意工

作的細(xì)節(jié)。藥物發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)？——大型制藥公司能否效仿空客的做法，加快構(gòu)建自己的量子路線圖？科學(xué)的早期應(yīng)用——基礎(chǔ)科學(xué)研究中的應(yīng)用成為早期應(yīng)用日益突出的焦點(diǎn)領(lǐng)域，特別是量子

機(jī)器學(xué)習(xí)。NISQ錯誤緩解——創(chuàng)新可能是早期商業(yè)應(yīng)用能否通過

NISQ設(shè)備實(shí)現(xiàn)的最重要驅(qū)動力。注

意開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)分層技術(shù)的工具箱。不同的

FTQC規(guī)格——FTQC需要在不同的量子比特技術(shù)之間權(quán)衡。需關(guān)注為高規(guī)格應(yīng)用程

序提供所需資源的詳細(xì)估計的工作。注意較慢的門速度與減少的糾錯開銷之間的相互作用。第五章：2021

量子互聯(lián)網(wǎng)展望一、措施未來的量子計算機(jī)所構(gòu)成的威脅不應(yīng)與網(wǎng)絡(luò)安全的日常防火墻相混淆。COVID-19

危機(jī)意味著，2020

年將是錯失準(zhǔn)備

抵御量子威脅的一年。企業(yè)需要一個“合理的最壞情況”日期，并以此為界做好應(yīng)對準(zhǔn)備。二、后量子加密時代即將到來科學(xué)家一直在開發(fā)能夠抵抗量子計算機(jī)對現(xiàn)有密碼算法攻擊的新一代密碼算法。自

2016

年以來，該方法已通過

NIST的評估，新的密碼算法基于量子數(shù)字簽名（QDS）

和密鑰封裝機(jī)制（KEM）。NIST評估過程進(jìn)展順利，并正在計劃中。

PQC能抵抗來自量子計算機(jī)的攻擊。三、現(xiàn)代量子密碼學(xué)1.量子隨機(jī)性隨機(jī)數(shù)是幾乎所有密碼系統(tǒng)的基本組成部分。QRNG是一款超小型量子隨機(jī)數(shù)生成器芯片

原型。ORNG已經(jīng)被用于一些新興的科技產(chǎn)業(yè)商品中。IDQ及其戰(zhàn)略合作伙伴

SK電信在

2020

年通過在三星手機(jī)上搭載小型

QRNG芯片而引人注

目。2.量子密鑰分發(fā)國盾量子為迄今為止全球最大的運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)提供硬件服務(wù)。目前正在擴(kuò)展

2000

公里京滬干線，

并建設(shè)

5500

公里的延長線。已經(jīng)完成了合肥和武漢之間

700

公里的橫向干線建設(shè)，另外還

有

360

公里的在建工程和

2200

公里的擬建工程。東芝宣布即將部署商業(yè)量子密鑰分發(fā)（QKD）平臺，到

2035

年，有望突破

200

億美元的市

場份額。東芝的研發(fā)團(tuán)隊也非常強(qiáng)大，其研究小組在劍橋提出新的

TF-QKD協(xié)議，承諾將

實(shí)際的

QKD擴(kuò)展到“城際”距離，達(dá)

500

公里。在過去的兩年中，QuantumXchange推出了產(chǎn)品

PhioQK（多點(diǎn)

QKD）和

PhioTX（一種提

供帶外和

PQC密鑰的嵌入式解決方案），以用于服務(wù)紐約金融、電信和政府部門。四、過去的爭論P(yáng)QC顯然是現(xiàn)在可以采用的常規(guī)互聯(lián)網(wǎng)和普通業(yè)務(wù)應(yīng)用程序的首選選項(xiàng)。但是當(dāng)需要

更高級別的安全性并且產(chǎn)生一定的額外成本時，PQC和

QKD在分層防御中也顯然是互補(bǔ)

的。QKD有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，只要不破壞初始密鑰的形成，就沒有機(jī)會對其進(jìn)行攻擊。實(shí)際上，

實(shí)時

PQCDS技術(shù)非常適合

QKD，可以形成優(yōu)異且靈活的總體協(xié)議，同時增強(qiáng)其安全性。五、現(xiàn)在的爭論量子領(lǐng)域的技術(shù)環(huán)境發(fā)生了重要變化。政府已認(rèn)識到建設(shè)未來量子互聯(lián)網(wǎng)的核心任務(wù)

是從目前的量子革命中找到其中的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢所在。中國和英國的量子技術(shù)計劃一直強(qiáng)調(diào)量子網(wǎng)絡(luò)的重要性。歐盟的量子技術(shù)旗艦計劃已將“在

歐洲建立量子互聯(lián)網(wǎng)”作為其長期戰(zhàn)略目標(biāo)。美國于

2019

年發(fā)起了自己的國家量子計劃，

2020

年發(fā)布美國量子網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略構(gòu)想。六、量子糾纏量子互聯(lián)網(wǎng)的基本資源是量子比特和量子糾纏。多個量子比特的相干操縱和糾纏態(tài)制備,是

量子計算的最核心指標(biāo)。目前最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何根據(jù)自身需要在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生糾纏。七、太空領(lǐng)域中國的“墨子號”衛(wèi)星于

2017

年為世人所知。2020

年，改進(jìn)的地面站光學(xué)系統(tǒng)使墨子號展

示了另一個世界首創(chuàng)的技術(shù)——兩個相距甚遠(yuǎn)的地面站之間基于糾纏的

QKD。與先前的工

作相比，該研究將雙光子分布的鏈路效率提高了約

4

倍，并獲得了

0.12

比特/秒的有限密鑰

-秘密密鑰速率。中國利用墨子號演示了利用量子信號（即單光子）作為載體進(jìn)行所謂的時間傳輸。八、地面技術(shù)地面技術(shù)也在迅速發(fā)展。2020

年的一個亮點(diǎn)是在多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離的量子網(wǎng)絡(luò)中取得基礎(chǔ)性突破。另一個亮點(diǎn)是拓展了量子糾纏的光纖傳輸距離。2020

年，中國研究團(tuán)隊成功在兩個由

50

公里光纖連接的量子存儲器間實(shí)現(xiàn)量子糾纏，為構(gòu)建基于量子中繼的量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。九、未來展望實(shí)現(xiàn)真正的量子互聯(lián)網(wǎng)仍有很長的路要走。在較短的距離上，便攜式

QKD設(shè)備才

能實(shí)現(xiàn)靈活性；在城市和城市之間可以利用光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)通信；對于遠(yuǎn)距離而言，量子衛(wèi)星鏈接是一個不錯的選擇。未來的全球量子互聯(lián)網(wǎng)則需要將這些技術(shù)結(jié)合起來。十、2021

展望NIST后量子密碼標(biāo)準(zhǔn)化工作第

3

輪——預(yù)計將出現(xiàn)一個用于互聯(lián)網(wǎng)和一般用途的

DS和

KEM。兩者都是基于結(jié)構(gòu)化晶格的密碼。預(yù)計

2022

年標(biāo)準(zhǔn)草案的制定過程將保持在正軌上。NIST后量子密碼標(biāo)準(zhǔn)化工作第

4

輪——注意

NIST額外一輪評估的更多細(xì)節(jié)。NIST備選方

案清單上的協(xié)議可能會出現(xiàn)。QRNG智能手機(jī)——這是否會超越利基用戶的專業(yè)功能？如果它能向更廣泛的受眾證明這

是一個低成本的附加組件和一個有吸引力的營銷點(diǎn)，那么它可能是量子經(jīng)濟(jì)時代的第一個重

大突破。QRNG市場——在更廣闊的

QRNG市場上，預(yù)計將在可用熵率、交換和認(rèn)證方面展開競爭。IDQ在這一細(xì)分市場具有先發(fā)優(yōu)勢。

客戶需要知道

QRNG設(shè)備能否做到其聲稱的功能。QKD玩家——東芝、SK電信、英國電信、德國電信、西班牙電信、Orange以及

Verizon等

大牌公司越來越積極地將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化。注意商業(yè)滲透的最新進(jìn)展。CVQKD系統(tǒng)現(xiàn)在也可以從

XTQuantech和