朱小伶

2020年量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展綜述

朱小伶

（社會(huì)安全風(fēng)險(xiǎn)感知與防控大數(shù)據(jù)應(yīng)用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京 100041）

量子計(jì)算技術(shù)是當(dāng)今世界最具顛覆性的前沿技術(shù)之一，已成為世界主要國(guó)家進(jìn)行高新技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的重要領(lǐng)域。對(duì)量子計(jì)算領(lǐng)域的研究進(jìn)行了綜合評(píng)述，并對(duì)其宏觀發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。首先分析世界上主要國(guó)家均對(duì)量子信息技術(shù)寄予厚望，制定了雄心勃勃的國(guó)家級(jí)發(fā)展計(jì)劃，以搶占新一輪科技革命的戰(zhàn)略高地；隨后介紹2020年世界范圍內(nèi)的量子計(jì)算機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀，成績(jī)斐然、呈現(xiàn)“追逐戰(zhàn)”趨勢(shì)；然后概述量子計(jì)算在美國(guó)陸、海、空、網(wǎng)等多軍兵種的軍事應(yīng)用。最后，分析未來量子計(jì)算發(fā)展趨勢(shì)和宏觀態(tài)勢(shì)。綜述表明，量子計(jì)算發(fā)展具有重大科學(xué)意義、戰(zhàn)略價(jià)值、軍用潛力，是一項(xiàng)對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生革命性沖擊、進(jìn)行顛覆式重構(gòu)的重大技術(shù)創(chuàng)新，將引領(lǐng)新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革、軍備變革方向。

量子計(jì)算；國(guó)家戰(zhàn)略；量子計(jì)算機(jī)；量子霸權(quán)；人工智能；軍事應(yīng)用

1 引 言

2016年8月，中國(guó)墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射升空，“量子”這個(gè)神秘的概念，在公眾面前掀起面紗。2019年10月，谷歌公司正式在《自然（Nature）》期刊上發(fā)表了關(guān)于驗(yàn)證“量子霸權(quán)”的論文[1-2]。近年來，量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域。加快發(fā)展量子科技，對(duì)促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展、保障國(guó)家安全具有非常重要的作用[3-5]。2020年10月，中共中央政治局就量子計(jì)算研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)，習(xí)近平總書記指出，安排這次集體學(xué)習(xí)，目的是了解世界量子科技發(fā)展態(tài)勢(shì)，分析我國(guó)量子科技發(fā)展形勢(shì)，更好地推進(jìn)我國(guó)量子科技的發(fā)展。

2 量子計(jì)算發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃概況

近年來，在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革之際，量子科技已經(jīng)成為繼人工智能之后，各國(guó)競(jìng)相角逐的又一關(guān)鍵性前沿科技領(lǐng)域[6]。以量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量為代表的量子計(jì)算信息技術(shù)的研究與應(yīng)用在全球范圍內(nèi)加速發(fā)展[7-10]，世界主要國(guó)家均對(duì)量子信息技術(shù)寄予厚望，制訂了雄心勃勃的發(fā)展計(jì)劃，以搶占新一輪科技革命的戰(zhàn)略高地。根據(jù)美國(guó)國(guó)會(huì)通過的《國(guó)家量子計(jì)劃法案》，未來十年內(nèi)美國(guó)還將在量子技術(shù)上投入超過12億美元。尤其是進(jìn)入2020年以來，美國(guó)不斷加快推進(jìn)量子計(jì)劃，促進(jìn)量子計(jì)算與人工智能耦合式發(fā)展，開啟搶占未來發(fā)展高地的新十年。

2019年以來，特別是美國(guó)《國(guó)家量子計(jì)劃法案》頒布后，美國(guó)在量子計(jì)算上的投資與日俱增、量子技術(shù)漸入現(xiàn)實(shí)。2020年，美國(guó)（批復(fù)）成立多個(gè)量子研究機(jī)構(gòu)和聯(lián)盟：白宮科技政策辦公室、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)能源部宣布未來5年投資10億美元成立12個(gè)人工智能和量子研究機(jī)構(gòu)；美國(guó)成立馬里蘭量子聯(lián)盟，加強(qiáng)技術(shù)交流，共同確定量子信息科學(xué)未來發(fā)展中的關(guān)鍵問題和重大挑戰(zhàn)，簡(jiǎn)化技術(shù)轉(zhuǎn)化流程，旨在培育一個(gè)包含政府、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界等多方在內(nèi)的量子信息科學(xué)生態(tài)體系。美國(guó)出臺(tái)多項(xiàng)報(bào)告或草案，規(guī)劃和支持量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展：美國(guó)量子協(xié)調(diào)辦公室發(fā)布《美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》（圖1），明確提出美國(guó)將開辟“世界首個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)”，啟動(dòng)開發(fā)人類歷史上首個(gè)“量子互聯(lián)網(wǎng)”計(jì)劃[11]。根據(jù)該份文件，美國(guó)計(jì)劃未來5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)的突破與改進(jìn)，20年內(nèi)利用量子安全、傳感和計(jì)算模式等來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的新功能；美國(guó)白宮向美國(guó)國(guó)會(huì)提交了2021年聯(lián)邦政府預(yù)算報(bào)告草案，在聯(lián)邦研發(fā)預(yù)算整體增幅不大的情況下，美國(guó)政府建議削減其他關(guān)鍵領(lǐng)域的聯(lián)邦研究經(jīng)費(fèi)，大幅度增加各部門在量子信息科學(xué)等方面的投資，這是美國(guó)為維持全球領(lǐng)先地位、在量子信息科技和人工智能上的又一次加碼；美國(guó)人工智能國(guó)家安全委員會(huì)（NSCAI）發(fā)布了2020年年中報(bào)告以及第三季度的建議，向國(guó)會(huì)提交的六方面建議就包括需要為與人工智能相關(guān)的技術(shù)發(fā)布互聯(lián)的戰(zhàn)略，其中包括量子計(jì)算和生物技術(shù)；此外，美國(guó)國(guó)家量子計(jì)劃啟動(dòng)了其網(wǎng)站—— Quantum.gov（圖2），該網(wǎng)站被定為該項(xiàng)目的大本營(yíng)，并將報(bào)道正在進(jìn)行的探索和促進(jìn)量子信息科學(xué)的活動(dòng)。

世界其他主要國(guó)家同樣加緊量子布局步伐，以縮小與中、美之間的差距。歐盟24個(gè)成員國(guó)共同開展《歐盟量子通信基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃》，在未來10年共同研發(fā)和部署歐盟量子通信基礎(chǔ)設(shè)施，旨在提升歐盟在量子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力。早在2018年10月，歐盟已投資10億歐元啟動(dòng)為期10年的“歐洲量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”，該計(jì)劃涵蓋五個(gè)領(lǐng)域：量子通信、量子計(jì)算、量子模擬、量子計(jì)量和傳感以及量子技術(shù)基礎(chǔ)研究。2020年5月，該計(jì)劃官網(wǎng)發(fā)布《戰(zhàn)略研究議程（SRA）》報(bào)告，明確指出未來三年將推動(dòng)建設(shè)歐洲范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)，完善和擴(kuò)展現(xiàn)有數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施。此外，由12家歐洲機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起的“下一個(gè)量子計(jì)算應(yīng)用”項(xiàng)目啟動(dòng)，該項(xiàng)目匯集了量子計(jì)算、高性能計(jì)算、人工智能、化學(xué)和能源管理等多學(xué)科的學(xué)者與行業(yè)專家，旨在推動(dòng)噪聲中間尺度量子設(shè)備的實(shí)際使用案例的問世。英國(guó)方面，啟動(dòng)的量子計(jì)算商業(yè)化項(xiàng)目DISCOVERY計(jì)劃是迄今為止英國(guó)最大的行業(yè)主導(dǎo)的量子計(jì)算項(xiàng)目，旨在解決量子計(jì)算在商業(yè)化道路上的技術(shù)障礙。光學(xué)和量子系統(tǒng)的國(guó)際供應(yīng)商M Squared將與八個(gè)在各自領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位的合作組織（包括中性原子、離子阱和量子計(jì)算光學(xué)量子比特方法）協(xié)調(diào)DISCOVERY項(xiàng)目（圖3）。俄羅斯方面，俄羅斯國(guó)家原子能集團(tuán)公司與俄羅斯量子研究中心宣布，將聯(lián)合建立俄羅斯第一個(gè)“量子?人工智能”實(shí)驗(yàn)室，致力于研究和開發(fā)基于量子計(jì)算機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)及其在核工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用；俄羅斯圣彼得堡國(guó)立信息技術(shù)、機(jī)械與光學(xué)研究大學(xué)正在利用俄羅斯鐵路公司的基礎(chǔ)設(shè)施打造量子互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，量子互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)試驗(yàn)區(qū)將在2021年啟動(dòng)。印度方面，印度科技部公布了《國(guó)家量子技術(shù)與應(yīng)用任務(wù)》，計(jì)劃將在5年內(nèi)予以共計(jì)800億盧比（約79億元人民幣）的經(jīng)費(fèi)支持，全面提升印度量子科學(xué)的發(fā)展。日本方面，日本啟動(dòng)“量子人才培養(yǎng)項(xiàng)目”，旨在用10年時(shí)間培養(yǎng)“量子原住民”，將為青年人提供從年輕時(shí)代起就習(xí)慣于量子技術(shù)的環(huán)境，就像“網(wǎng)絡(luò)原住民”在電計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中長(zhǎng)大一樣。

圖1 《美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》

圖2 美國(guó)國(guó)家量子計(jì)劃啟動(dòng)網(wǎng)站Quantum.gov

圖3 量子系統(tǒng)供應(yīng)商M Squared將參與協(xié)調(diào)英國(guó)最大的行業(yè)主導(dǎo)的量子計(jì)算項(xiàng)目DISCOVERY項(xiàng)目

3 量子計(jì)算機(jī)研究進(jìn)展概況

規(guī)范場(chǎng)理論是現(xiàn)代物理學(xué)的根基，如描述基本粒子相互作用的量子電動(dòng)力學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)模型等都是滿足特定群對(duì)稱性的規(guī)范場(chǎng)理論。伴隨著規(guī)范場(chǎng)理論半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)各種規(guī)范場(chǎng)方程求解的計(jì)算復(fù)雜度非常高，對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算能力形成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。于是，科學(xué)家提出了開發(fā)專用量子模擬器——量子計(jì)算機(jī)，來構(gòu)建晶格規(guī)范場(chǎng)模型，在實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)模擬器的各種參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控制備目標(biāo)量子物態(tài)，并用量子氣體顯微鏡成像等手段，觀測(cè)所模擬的量子物態(tài)的相變、量子關(guān)聯(lián)等性質(zhì)，獲得待研究規(guī)范場(chǎng)模型的各種物理性質(zhì)[12]。

繼2019年谷歌53個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”之后，2020年世界范圍內(nèi)的量子計(jì)算機(jī)研發(fā)成績(jī)斐然，呈現(xiàn)“追逐戰(zhàn)”趨勢(shì)。2020年6月，美國(guó)霍尼韋爾公司宣布研發(fā)出世界上最快的量子計(jì)算機(jī)，其H0量子計(jì)算機(jī)的量子比特為64個(gè)，是當(dāng)時(shí)IBM量子計(jì)算機(jī)Raleigh的2倍；兩個(gè)月后，霍尼韋爾量子計(jì)算機(jī)的量子比特從64個(gè)增加到128個(gè)，測(cè)試顯示，對(duì)于全連接量子比特，平均單量子比特保真度為99.97%，平均兩量子門保真度為99.54%；2020年10月，霍尼韋爾推出最新一代的離子阱量子計(jì)算機(jī)System Model H1，使用了“離子阱技術(shù)”，擁有10個(gè)完全連接的量子比特，可以達(dá)到128的量子體積。離子阱量子計(jì)算機(jī)具有量子比特品質(zhì)高、相干時(shí)間較長(zhǎng)、量子比特的制備和讀出效率較高等三大特點(diǎn)。同樣是追求離子阱技術(shù)，美國(guó)量子計(jì)算公司IonQ，推出了擁有32個(gè)“完美的”量子比特、量子體積預(yù)計(jì)超400萬的量子計(jì)算機(jī)，并開設(shè)了新的可容納至少10臺(tái)量子計(jì)算機(jī)量子數(shù)據(jù)中心。2020年12月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的量子計(jì)算原型機(jī)——“九章”[13]（圖4），該成果標(biāo)志著我國(guó)成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑——量子計(jì)算優(yōu)越性（Quantum Supremacy，又稱“量子霸權(quán)”）。該量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度，比目前世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快100萬億倍。此外，美國(guó)各大科技巨頭紛紛在2020年公布量子計(jì)算機(jī)與模擬技術(shù)路線圖。如2020年7月，美國(guó)谷歌公司發(fā)布了將在2029年前實(shí)現(xiàn)100萬個(gè)物理量子比特處理器的計(jì)劃；2020年9月，美國(guó)IBM公司公布其量子計(jì)算機(jī)發(fā)展路線圖，計(jì)劃到2023年建造一臺(tái)包含1000個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)（IBM目前最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)僅包含65個(gè)量子比特）。

作為全球十大著名量子初創(chuàng)公司的IonQ則率先提出了區(qū)別于谷歌在2019年和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在2020年取得的“量子霸權(quán)”里程碑的新術(shù)語、新概念——“廣義量子霸權(quán)”，并計(jì)劃于2023年實(shí)現(xiàn)量子機(jī)器學(xué)習(xí)、2023年建成一臺(tái)機(jī)架式量子計(jì)算機(jī)（計(jì)劃在室溫下高功率運(yùn)行，所有計(jì)算機(jī)都會(huì)在量子網(wǎng)絡(luò)上）、于2025年實(shí)現(xiàn)“廣義量子霸權(quán)”，同時(shí)不同于傳統(tǒng)物理量子位，該公司還設(shè)計(jì)出全新衡量量子計(jì)算能力的“算法量子位”，取以2為底數(shù)的IBM量子體積的對(duì)數(shù)。IonQ公司認(rèn)為72個(gè)量子位會(huì)成為“廣義量子霸權(quán)”的起點(diǎn)，同樣也是量子計(jì)算機(jī)開始成為超級(jí)計(jì)算機(jī)的起點(diǎn)。整體而言，IonQ公司的量子計(jì)算技術(shù)與應(yīng)用路線圖專注于提高量子邏輯門操作的質(zhì)量，以繼續(xù)增加算法量子位元或可用量子位元，并致力于實(shí)現(xiàn)低開銷的量子錯(cuò)誤校正，并縮小物理量子位的數(shù)量，以進(jìn)一步增強(qiáng)其度量值。

圖4 量子計(jì)算原型機(jī)“九章”的光量子干涉實(shí)物圖

4 量子計(jì)算應(yīng)用概況

量子計(jì)算技術(shù)已在探測(cè)、通信、計(jì)算等領(lǐng)域初顯身手，同樣可以廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，并有可能引起戰(zhàn)爭(zhēng)基因的重大突變——通過技術(shù)重組或與其他技術(shù)融合，量子計(jì)算技術(shù)將對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)和制勝機(jī)理產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。目前，量子計(jì)算的軍事應(yīng)用領(lǐng)域已遍布陸、海、空、網(wǎng)等多軍兵種。

陸軍方面，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室正在量子技術(shù)領(lǐng)域探索研發(fā)新型作戰(zhàn)系統(tǒng)。戰(zhàn)場(chǎng)上，一旦全球定位系統(tǒng)（GPS）遭到干擾或者破壞，就會(huì)導(dǎo)致依賴傳統(tǒng)GPS設(shè)備的美軍士兵無法獲取位置數(shù)據(jù)。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的量子實(shí)驗(yàn)旨在為士兵提供便攜式的定位、導(dǎo)航和授時(shí)系統(tǒng)，不使用GPS也能實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航、通信、授時(shí)以及戰(zhàn)場(chǎng)探測(cè)。目前，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室量子研究工作的應(yīng)用主要集中于原子鐘、隧道或掩體探測(cè)器、通信和計(jì)算安全三個(gè)方面：第一，開發(fā)更便攜的原子鐘、計(jì)時(shí)設(shè)備以及慣性傳感器（如加速計(jì)、旋轉(zhuǎn)傳感器和陀螺儀等）是陸軍研究實(shí)驗(yàn)室近期量子研究工作的重點(diǎn)，該成果是未來替代全球定位系統(tǒng)的技術(shù)裝備的核心部分；第二，基于量子計(jì)算技術(shù)的隧道或掩體探測(cè)器可對(duì)地下環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，通過發(fā)現(xiàn)由隧道或掩體等引起的環(huán)境質(zhì)量異常變化，準(zhǔn)確測(cè)定敵方隧道或掩體的信息，為實(shí)施后續(xù)打擊提供情報(bào)信息；第三，通信和計(jì)算的安全性受益于量子糾纏（兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的粒子之間具有的獨(dú)特關(guān)聯(lián)）研究，這方面的研究成果可直接用于滿足陸軍的需求。按照計(jì)劃，未來戰(zhàn)場(chǎng)上士兵的每一個(gè)動(dòng)作都將使用陸軍部隊(duì)的量子技術(shù)裝備完成。但是，目前量子裝備研發(fā)的許多工程問題仍然停留在基礎(chǔ)研究和組件層面上，只有把這些問題解決了，量子技術(shù)才能走出實(shí)驗(yàn)室，形成能在真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)上使用的加固型裝備。該實(shí)驗(yàn)室還與其他國(guó)防實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)和學(xué)術(shù)界開展合作，共同探索可以直接應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)的量子技術(shù)。空軍方面，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室在2020年授出量子通信、計(jì)算、授時(shí)及感知等領(lǐng)域合同36份（總價(jià)值達(dá)540萬美元）并計(jì)劃在紐約成立一個(gè)新的量子信息科學(xué)創(chuàng)新中心，認(rèn)為量子信息科學(xué)將在諸多方面影響未來的美國(guó)空軍能力，主要包括在沒有GPS信號(hào)或信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重下降的定位導(dǎo)航中尋求類似GPS的精度、超安全的全球通信網(wǎng)絡(luò)、與量子網(wǎng)絡(luò)連接在一起的高精度傳感器以及用于優(yōu)化資產(chǎn)和資源分配的新計(jì)算范例、發(fā)現(xiàn)新材料以及人工智能的新穎應(yīng)用等。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室還發(fā)布一份全球100萬美元挑戰(zhàn)，為國(guó)際量子研究界尋求新興領(lǐng)域的新解決方案。海軍方面，美國(guó)海軍部指定美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室為美國(guó)海軍的量子信息研究中心。美軍已將量子通信技術(shù)運(yùn)用在核潛艇上，除了優(yōu)越的加密性外[14]，此舉也彌補(bǔ)了核潛艇因?yàn)橥ㄐ虐l(fā)射出的電波可以被檢測(cè)到這一致命缺點(diǎn)，被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)中國(guó)在2020年初建成的世界首個(gè)民用低頻大功率電磁波發(fā)射臺(tái)，該發(fā)射臺(tái)覆蓋范圍極其廣泛、可讓核潛艇無處遁形。此外，美國(guó)國(guó)防信息系統(tǒng)局（DISA）將抗量子加密技術(shù)列為2021財(cái)年重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域，宣布已開始密切關(guān)注其加密能力，以保護(hù)國(guó)防通信免受強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)攻擊。

隨著主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手努力研發(fā)足以突破當(dāng)前加密技術(shù)的量子計(jì)算能力，抗量子加密正變得越來越重要——盡管相關(guān)研發(fā)還需要數(shù)年時(shí)間，但量子計(jì)算機(jī)將使安全通信變得幾乎“不可能實(shí)現(xiàn)”。因此，美國(guó)國(guó)防信息系統(tǒng)局積極尋求與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）和美國(guó)國(guó)家安全局（NSA）的合作，后兩個(gè)機(jī)構(gòu)目前正在開展抗量子計(jì)算的工作；同時(shí)通過擴(kuò)大“基于云技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)隔離（CBII）”項(xiàng)目，在美國(guó)國(guó)防部用戶的互聯(lián)網(wǎng)流量與美國(guó)國(guó)防部網(wǎng)絡(luò)之間建立一個(gè)保護(hù)性的“緩沖區(qū)”從而提高電子郵件的安全性。此舉的動(dòng)因包括新冠疫情影響，由于美國(guó)國(guó)防部居家辦公帶來了新的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)，迫使美國(guó)國(guó)防信息系統(tǒng)局重新思考美國(guó)國(guó)防部的網(wǎng)絡(luò)邊界并組織“零信任”網(wǎng)絡(luò)安全概念（從根本上不信任用戶）的討論。在美國(guó)國(guó)防信息系統(tǒng)局公布的修訂后的2021—2022財(cái)年戰(zhàn)略規(guī)劃中，確認(rèn)“零信任”對(duì)其修訂后的網(wǎng)絡(luò)防御重點(diǎn)領(lǐng)域而言是一項(xiàng)有利的工作。

圖5 極低頻發(fā)射系統(tǒng)調(diào)諧設(shè)施

5 量子計(jì)算發(fā)展趨勢(shì)與宏觀態(tài)勢(shì)分析

量子力學(xué)及量子計(jì)算是人類探究微觀世界的重大成果。量子計(jì)算發(fā)展具有重大科學(xué)意義、戰(zhàn)略價(jià)值、軍用潛力，是一項(xiàng)對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生革命性沖擊、進(jìn)行顛覆式重構(gòu)的重大技術(shù)創(chuàng)新，將引領(lǐng)新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革、軍備變革的方向。對(duì)未來量子計(jì)算發(fā)展趨勢(shì)和宏觀態(tài)勢(shì)分析概述如下。

一是量子信息科學(xué)將迎來密集政策期，形成量子技術(shù)與人工智能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)已成為世界主要國(guó)家的共識(shí)。在摩爾定律逐漸失效、馮·諾依曼架構(gòu)遇到瓶頸、傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力有限等情況下，量子計(jì)算為進(jìn)一步提高人工智能的數(shù)據(jù)分析處理能力、進(jìn)一步獲取高階智能提供了有效途徑。另外，量子計(jì)算的關(guān)鍵突破勢(shì)必需要人工智能的參與——量子技術(shù)與人工智能的結(jié)合相輔相成，重點(diǎn)體現(xiàn)在量子計(jì)算賦能的人工智能、量子機(jī)器學(xué)習(xí)、量子模擬、量子啟發(fā)式機(jī)器學(xué)習(xí)、智能控制量子硬件等方面。目前部分人工智能技術(shù)成果已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用層，而量子計(jì)算尚處于早期。為搶占量子計(jì)算先機(jī)，世界主要國(guó)家自頂向下、通過出臺(tái)國(guó)家戰(zhàn)略等手段，不斷強(qiáng)化量子計(jì)算在國(guó)家科技實(shí)力建設(shè)中的布局，例如，在美國(guó)2020年推出“量子互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃”之前，歐盟、日本、俄羅斯等世界主要經(jīng)濟(jì)體已經(jīng)在積極布局。

二是世界范圍內(nèi)將在數(shù)據(jù)層面尋求與盟友更深度的合作，數(shù)據(jù)資源競(jìng)爭(zhēng)加劇。當(dāng)前人工智能與量子計(jì)算研究領(lǐng)域，數(shù)據(jù)“富國(guó)”和數(shù)據(jù)“窮國(guó)”階層劃分明顯。例如，中國(guó)有足夠龐大的市場(chǎng)需求和數(shù)據(jù)支撐，這是中國(guó)人工智能競(jìng)爭(zhēng)特有的優(yōu)勢(shì)所在；而對(duì)于美歐等發(fā)達(dá)國(guó)家，其數(shù)據(jù)資源較為薄弱，因此為積累更多數(shù)據(jù)資源，勢(shì)必將積極與其他國(guó)家達(dá)成合作：從技術(shù)競(jìng)賽到商業(yè)對(duì)壘，數(shù)據(jù)資源的爭(zhēng)奪將是全方面、多主體的。

三是量子計(jì)算、人工智能等前沿科技領(lǐng)域的國(guó)際話語權(quán)的爭(zhēng)奪將更加激烈。面向全球制定人工智能使用規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[15]，通過與擁有共同利益和相同價(jià)值觀的國(guó)家合作，推廣本國(guó)的監(jiān)管規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、擴(kuò)大影響力，是輸出本國(guó)價(jià)值規(guī)則的常用路徑——在目前量子計(jì)算競(jìng)賽剛剛打響的今天，這一趨勢(shì)適用于任何試圖在此賽道上領(lǐng)跑的國(guó)家。例如，美國(guó)白宮于2020年10月發(fā)布的《關(guān)鍵和新興技術(shù)國(guó)家戰(zhàn)略》（圖6）就包括了量子信息技術(shù)，而且強(qiáng)調(diào)“引導(dǎo)全球技術(shù)發(fā)展的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和治理模式，使其反映民主價(jià)值觀和利益”。此外，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)監(jiān)管、科技倫理等領(lǐng)域的量子計(jì)算領(lǐng)域國(guó)際治理任務(wù)中，加強(qiáng)國(guó)家層面、企業(yè)層面的國(guó)際合作，尋求人工智能和量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展的最大共識(shí)，也已列在世界主要國(guó)家的量子計(jì)算發(fā)展路線圖中。

圖6 美國(guó)《關(guān)鍵和新興技術(shù)國(guó)家戰(zhàn)略》

6 結(jié)束語

量子技術(shù)是當(dāng)前世界上最具顛覆性的前沿技術(shù)之一，已成為世界主要國(guó)家進(jìn)行高新技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的重要領(lǐng)域。量子計(jì)算在未來不但使計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力提高、通信更快，還能使傳感技術(shù)更靈敏、信息精度更精確。

我國(guó)于2016年發(fā)布的《國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要》支持戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，就明確將量子通信作為重要發(fā)展方向；2017年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)組織實(shí)施了量子保密通信“京滬干線”技術(shù)驗(yàn)證及應(yīng)用示范項(xiàng)目；2019年底，國(guó)家信息中心、國(guó)科量子、國(guó)家數(shù)據(jù)通信工程技術(shù)研究中心聯(lián)合組建了電子政務(wù)量子安全工程實(shí)驗(yàn)室；2019年12月中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布的《長(zhǎng)江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確，“加快量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展，統(tǒng)籌布局和規(guī)劃建設(shè)量子保密通信干線網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與國(guó)家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)無縫對(duì)接，開展量子通信應(yīng)用試點(diǎn)”；2020年3月，科技部《關(guān)于科技創(chuàng)新支撐復(fù)工復(fù)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行的若干措施》中表示，要加大5G、人工智能、量子通信、腦科學(xué)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、重大傳染病防治、重大新藥、高端醫(yī)療器械、新能源、新材料等重大科技項(xiàng)目的實(shí)施和支持力度——總體來看，我國(guó)已具備了在量子計(jì)算領(lǐng)域的世界領(lǐng)跑科技實(shí)力和創(chuàng)新能力。同時(shí)也要看到，我國(guó)量子計(jì)算發(fā)展存在不少短板、面臨多重挑戰(zhàn)：第一，我國(guó)在量子科技上的短板與現(xiàn)在信息技術(shù)的短板類似，如支撐設(shè)備、關(guān)鍵核心元器件等，也涉及量子計(jì)算技術(shù)的一些問題，因此，加強(qiáng)關(guān)鍵核心元器件這種高端技術(shù)材料、設(shè)備的研發(fā)是今后一段時(shí)間需要解決的關(guān)鍵問題[16]；第二，需要系統(tǒng)總結(jié)我國(guó)量子科技發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn)，借鑒國(guó)外的有益做法，深入分析研判量子科技發(fā)展大勢(shì)，找準(zhǔn)我國(guó)量子科技發(fā)展的切入點(diǎn)和突破口，統(tǒng)籌基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)、工程技術(shù)研發(fā)，培育量子通信等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，搶占量子科技國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)；第三，目前量子技術(shù)的應(yīng)用前景尚不完全清晰，從“實(shí)驗(yàn)室”走向“產(chǎn)業(yè)鏈”還需要較長(zhǎng)時(shí)間，因此需加強(qiáng)量子技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研合作，將研究機(jī)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)界聯(lián)系起來，促進(jìn)技術(shù)、人才、產(chǎn)品、市場(chǎng)等要素的有效溝通，推動(dòng)量子通信、量子網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)化并行。

[1] Arute F, Arya K, Babbush R, et al. Quantum su-premacy using a programmable superconducting pro-cessor[J]. Nature, 2019, 574: 505-510.

[2] Charles H B, Ethan B, Djabeur M S Z, et al. Strengths and weakness of quantum computing[J]. Siam Journal on Compu-ting, 2016, 26(5): 1510-1523.

[3] Deng D. Quantum entanglement in Neural Net-work states [J]. Physical Review X, 2020, 7: 021021-1-17.

[4] 江逸楠. 量子計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)綜述[J]. 無人系統(tǒng)技術(shù), 2020, 3(3): 67-74.

[5] Liu Z, Li S, Ge Y. A quantum computing-based numerical method of mixed-integer optimal control problems under uncertainty for alkali–surfactant–polymer flooding[J]. Engineering Optimization, 2020, 53: 531-550.

[6] 林雄, 林帥. 量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)展望[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用, 2012, 31(22): 4-6.

[7] Mastriani M, Iyengar S, Kumar K. Bidirectional teleportation for underwater quantum communications[J]. Quantum Information Processing, 2021, 20, 1-23.

[8] 賴俊森, 趙文玉, 張海懿. 量子保密通信技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用趨勢(shì)分析[J]. 信息通信技術(shù)與政策, 2020(12): 64-69.

[9] Naus H W. On the Quantum mechanical measurement process[J]. Foundations of Physics, 2021, 51: 1-13.

[10] Han S, Krawec W O, Miao F. A game-theoretic security framework for quantum cryptography: Performance analysis and application[J]. Quantum Information Processing, 2020, 19: 349.

[11] 王超. 全球量子互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)展及啟示[J]. 中國(guó)信息化, 2020(11): 7-9.

[12] 王立娜, 唐川, 田倩飛, 等. 全球量子計(jì)算發(fā)展態(tài)勢(shì)分析[J]. 世界科技研究與發(fā)展, 2019, 41(6): 569-584.

[13] Zhong H, Wang H, Deng Y, et al. Quantum computational advantage using photons[J]. Science, 2020, 370: 1460 - 1463.

[14] 王潮, 姚皓南, 王寶楠, 等. 量子計(jì)算密碼攻擊進(jìn)展[J]. 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào), 2020, 43(9): 1691-1707.

[15] 張亮. 針對(duì)未來量子計(jì)算制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[J]. 電器工業(yè), 2020(12): 51.

[16] 余澤平. 量子科技及其未來產(chǎn)業(yè)應(yīng)用展望[J]. 中國(guó)工業(yè)和信息化, 2020(11): 20-26.

Survey of Quantum Computing Technology in 2020

ZHU Xiaoling

(National Engineering Laboratory for Risk Perception and Prevention (RPP), China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China)

Quantum computing technology is one of the most disruptive cutting-edge technologies in the world, and has become an important field of high-tech competition among major countries. In this paper, the research in the field of quantum computing is reviewed, and the further macro development trend is presented. This paper firstly analyzes that the major countries in the world place high hopes on quantum information technology and formulates ambitious national development plans, to seize the strategic highland of the current new round of scientific and technological revolution. Then the world-wide research and development of quantum computer in 2020, with remarkable achievements and “chasing war” trend, is introduced. Besides, this paper summarizes the military applications of quantum computing technology in the U.S. land, sea, air, network and other military services. Finally, this paper analyzes the development trend and macro situation of quantum computing in the future. This survey shows that, the development of quantum computing has great scientific significance, strategic value and military potential. It is a major technological innovation which has a revolutionary impact on the traditional technology system and carries out subversive reconstruction. Hence, it will lead a new direction of scientific and technological revolution, industrial revolution and armament revolution.

Quantum Computing；National Strategy；Quantum Computer；Quantum Superiority；Artificial Intelligence；Military Application

O641

A

2096–5915(2021)02–26–07

10.19942/j.issn.2096?5915.2021.2.015

朱小伶. 2020年量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 無人系統(tǒng)技術(shù)，2021，4(2)：26–32.

2021–01–03；

2021–03–03

全國(guó)一體化國(guó)家大數(shù)據(jù)中心先導(dǎo)工程（17111001）

朱小伶（1993?），女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄?、大?shù)據(jù)、前沿信息技術(shù)等。