安 達(dá)， 龔振煒， 陳 巖， 劉靜巖

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司發(fā)展戰(zhàn)略研究中心， 北京 100043；2．中國(guó)工程院戰(zhàn)略咨詢中心， 北京 100088)

0 前 言

為抓住量子信息技術(shù)發(fā)展機(jī)遇，世界主要國(guó)家紛紛啟動(dòng)國(guó)家級(jí)量子科技戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃，大幅增加研發(fā)投入和推進(jìn)應(yīng)用布局。在中央高度重視和大力支持下，近年來，我國(guó)在量子信息領(lǐng)域取得一系列成果：實(shí)現(xiàn)了11 km的遠(yuǎn)距離量子糾纏純化；成功驗(yàn)證構(gòu)建天地一體化量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的可行性(4 600 km)；實(shí)現(xiàn)500 km量級(jí)現(xiàn)場(chǎng)無中繼光纖量子密鑰分發(fā)；構(gòu)建了113個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”和66比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”[1]。本文聚焦全球主要國(guó)家和地區(qū)在量子科技領(lǐng)域的最新政策布局熱點(diǎn)，分析總體發(fā)展態(tài)勢(shì)，并對(duì)量子保密通信和量子計(jì)算領(lǐng)域工程化應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行初探，在此基礎(chǔ)上，提出我國(guó)發(fā)展量子信息技術(shù)的相關(guān)啟示。

1 主要國(guó)家和地區(qū)量子科技政策布局熱點(diǎn)

1.1 美國(guó)

美國(guó)在2018年發(fā)布《量子信息科學(xué)國(guó)家戰(zhàn)略概述》，正式將發(fā)展量子信息科學(xué)上升為國(guó)家戰(zhàn)略。同年，美國(guó)會(huì)眾議院審議通過《國(guó)家量子行動(dòng)計(jì)劃法案》，提出實(shí)施為期10年的“國(guó)家量子倡議項(xiàng)目”，以確保美國(guó)在量子信息領(lǐng)域持續(xù)領(lǐng)先。2020年，美眾議院審議通過《量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施法案》，撥款1億美元以支持構(gòu)建美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。2021年3月，美國(guó)在《國(guó)家安全臨時(shí)戰(zhàn)略指南》中強(qiáng)調(diào)，量子計(jì)算等新興技術(shù)有望改變各國(guó)之間的經(jīng)濟(jì)和軍事平衡[2]。隨后，美國(guó)會(huì)參議院審議通過《2021美國(guó)創(chuàng)新與競(jìng)爭(zhēng)法案》，明確將“量子信息科學(xué)與技術(shù)”列為國(guó)家科學(xué)基金會(huì)應(yīng)關(guān)注的10個(gè)“關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)領(lǐng)域”之一[3]。此外，美國(guó)會(huì)還通過了《量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施法案2021》和《科學(xué)技術(shù)的量子用戶擴(kuò)展法案》兩項(xiàng)法案，都旨在進(jìn)一步鞏固其在量子信息領(lǐng)域的全球競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 歐盟

歐盟在2016年推出為期十年的“量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”。2021年，所有27個(gè)歐盟成員國(guó)完成歐盟量子保密通信基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)議簽署，該協(xié)議將成為歐盟目前正在規(guī)劃的天基安全連接系統(tǒng)的一部分。同期，歐洲核子研究中心量子技術(shù)計(jì)劃公布中長(zhǎng)期量子研究計(jì)劃路線圖，詳細(xì)說明了其目標(biāo)和戰(zhàn)略，要大力推進(jìn)探索量子技術(shù)如何在量子計(jì)算和算法、量子理論與模擬、量子傳感/計(jì)量和材料，以及量子保密通信和網(wǎng)絡(luò)四個(gè)主要量子研究領(lǐng)域?yàn)楦吣芪锢韺W(xué)及其他領(lǐng)域帶來最大益處。其他國(guó)家量子科技政策布局見表1。

續(xù)表1

2 全球量子信息科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體態(tài)勢(shì)

2.1 美國(guó)在量子信息技術(shù)基金項(xiàng)目、專利及論文方面都位居世界前列

一個(gè)國(guó)家重要科研基金機(jī)構(gòu)資助的研究重點(diǎn)，往往代表該領(lǐng)域發(fā)展的較高水平和方向，了解基金機(jī)構(gòu)在科學(xué)研究的資助情況，有助于了解各國(guó)科研活動(dòng)的重心。在基金項(xiàng)目方面，本研究通過對(duì)美國(guó)基金項(xiàng)目(國(guó)家科學(xué)基金、能源部項(xiàng)目、國(guó)防部項(xiàng)目)進(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn)，自2015年以來，美國(guó)基金項(xiàng)目資助量子科技領(lǐng)域相關(guān)項(xiàng)目1 186個(gè)，資助經(jīng)費(fèi)共計(jì)5.48億美元，平均每個(gè)項(xiàng)目資助經(jīng)費(fèi)46.17萬美元，平均每年9 100萬美元，如圖1所示。

圖1 美國(guó)自然科學(xué)基金資助量子科技領(lǐng)域項(xiàng)目情況

專利是最能反映科技發(fā)展最新動(dòng)態(tài)的情報(bào)文獻(xiàn)，通過對(duì)專利文獻(xiàn)的深入分析，可以對(duì)特定技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展做出趨勢(shì)預(yù)測(cè)。如圖2所示，在公開專利數(shù)量方面，2015年以來，美國(guó)專利申請(qǐng)的重點(diǎn)側(cè)重于量子計(jì)算領(lǐng)域，專利申請(qǐng)數(shù)接近50%，總體上呈現(xiàn)量子計(jì)算>量子測(cè)量>量子保密通信的現(xiàn)狀。

圖2 2000—2021年美國(guó)量子信息領(lǐng)域公開專利數(shù)量分布圖

2021年11月，歐洲專利局在發(fā)布的《量子技術(shù)和空間專利洞察報(bào)告》中指出，量子技術(shù)及其空間領(lǐng)域?qū)＠脑鲩L(zhǎng)趨勢(shì)主要由量子密鑰分配的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，占比超過77%，其中大多數(shù)與空間相關(guān)的量子技術(shù)專利申請(qǐng)主要源自美國(guó)和中國(guó)[4]。

在論文發(fā)表方面，本研究以中國(guó)工程科技知識(shí)中心Aminer系統(tǒng)科技情報(bào)大數(shù)據(jù)挖掘與服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過對(duì)以SCI 數(shù)據(jù)庫(kù)為主的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，2000年以來，全球量子科技領(lǐng)域論文發(fā)表量整體呈現(xiàn)具有周期性特征的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，特別是2016年后，全球?qū)α孔涌萍嫉难芯繜岫乳_始再次上升，領(lǐng)域科研論文發(fā)文量持續(xù)上升，如圖3～圖4所示。

圖3 2000—2021年全球量子科技領(lǐng)域論文發(fā)表數(shù)量分布圖

圖4 世界主要國(guó)家在量子科技領(lǐng)域論文發(fā)表數(shù)量對(duì)比圖

2.2 各國(guó)通過教育體制創(chuàng)新、成立校企聯(lián)盟等方式加快構(gòu)建量子信息生態(tài)系統(tǒng)

科技競(jìng)爭(zhēng)本質(zhì)上是人才競(jìng)爭(zhēng)，在新興量子領(lǐng)域尤其如此。量子信息是融合了物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科前沿知識(shí)的新興學(xué)科，美國(guó)在2019年即明確提出將量子信息科學(xué)加入中小學(xué)教育的倡議計(jì)劃，2021年，哈佛大學(xué)推出量子科學(xué)與工程領(lǐng)域博士學(xué)位，并計(jì)劃招收35～40名學(xué)生；丹佛大學(xué)發(fā)起首個(gè)能源行業(yè)的量子計(jì)算校企聯(lián)盟“量子未來電力系統(tǒng)升級(jí)計(jì)劃”，旨在開發(fā)新的量子模型、方法和算法，以更快、更準(zhǔn)確地解決一系列電網(wǎng)問題；IBM舉辦量子教育行業(yè)峰會(huì)，推動(dòng)中學(xué)和本科教育工作者將量子相關(guān)概念納入跨學(xué)科的課程中；馬里蘭大學(xué)和量子計(jì)算公司IonQ聯(lián)合共建美國(guó)首個(gè)國(guó)家量子實(shí)驗(yàn)室，促進(jìn)高校研究人員與企業(yè)工程師在量子領(lǐng)域更多合作。同年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲批我國(guó)首個(gè)量子科學(xué)與技術(shù)方向的博士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)；清華大學(xué)成立量子信息班，讓學(xué)生形成從基礎(chǔ)到應(yīng)用的量子知識(shí)架構(gòu)，這些也標(biāo)志著我國(guó)量子科技領(lǐng)域?qū)W科建設(shè)邁入了系統(tǒng)布局、成熟發(fā)展的新階段。在商業(yè)領(lǐng)域，IBM、Intel、谷歌、阿里巴巴、華為、百度等大公司紛紛加入“量子爭(zhēng)霸”競(jìng)賽，以期在未來信息技術(shù)領(lǐng)域掌握主動(dòng)權(quán)[5]。此外，德國(guó)10家頭部企業(yè)聯(lián)合成立量子技術(shù)與應(yīng)用聯(lián)盟，計(jì)劃在量子計(jì)算現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展工業(yè)應(yīng)用，為量子計(jì)算在德國(guó)和歐洲實(shí)現(xiàn)工業(yè)化奠定基礎(chǔ)。荷蘭則計(jì)劃在代爾夫特理工大學(xué)校園內(nèi)建設(shè)“量子之家”作為荷蘭的量子總部，其帶有孵化園和實(shí)驗(yàn)室的性質(zhì)，以期打造為量子技術(shù)商業(yè)公司、投資者和研究人員提供全面服務(wù)的生態(tài)系統(tǒng)。

3 量子保密通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)及展望

3.1 量子保密通信領(lǐng)域各技術(shù)方向科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)持續(xù)活躍

量子保密通信領(lǐng)域技術(shù)包括量子密鑰分發(fā)(QKD)、量子隱形傳態(tài)(QT)、量子安全直接通信(QSDC)等協(xié)議與應(yīng)用。在QKD研究方面，2021年，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)基于“濟(jì)青干線”現(xiàn)場(chǎng)光纜，突破現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)距離高性能單光子干涉技術(shù)，分別采用兩種技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)500 km量級(jí)雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)[6]。隨后，又將光纖雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)的安全傳輸距離延長(zhǎng)至830 km以上，為實(shí)現(xiàn)千量級(jí)陸基廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)邁出了重要的一步。還有研究人員利用QSDC原理，首次實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中15個(gè)用戶之間的安全通信，傳輸距離達(dá)40 km[7]。在國(guó)外，英國(guó)研究人員利用量子物理的多方量子糾纏特性，通過量子會(huì)議密鑰協(xié)議(QCKA)，在光纖相隔50 km的四方之間同時(shí)共享密鑰，克服了傳統(tǒng)QKD系統(tǒng)只能在兩個(gè)用戶之間共享密鑰的局限性。印度拉曼研究所利用大氣信道在兩座相距50 m的建筑物之間實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)印度首個(gè)基于自由空間的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。意大利電信公司也在的里雅斯特舉辦的G20會(huì)議上首次公開演示了國(guó)際光纖量子連接。量子密鑰分發(fā)技術(shù)的核心是量子隨機(jī)數(shù)生成器，用于計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通信等領(lǐng)域的信息加密，具有不可預(yù)測(cè)性、不可重復(fù)性和無偏性等特征，是量子保密通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心器件。2021年，我國(guó)研究人員通過研制硅基光子集成芯片和優(yōu)化實(shí)時(shí)后處理，實(shí)現(xiàn)了速率達(dá)18.8 Gbps的實(shí)時(shí)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。此外，國(guó)家密碼管理局發(fā)布《GM/T 0108—2021誘騙態(tài)BB84量子密鑰分配產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范》和《GM/T 0114—2021誘騙態(tài)BB84量子密鑰分配產(chǎn)品檢測(cè)規(guī)范》，一方面填補(bǔ)了量子密碼，尤其是量子密鑰分配QKD在密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)上的空白；另一方面也解決了量子保密通信行業(yè)以往應(yīng)用中無相關(guān)量子密碼標(biāo)準(zhǔn)可依的問題，能夠進(jìn)一步推動(dòng)市場(chǎng)的大規(guī)模應(yīng)用[8]。

值得注意的是，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)一直在積極開發(fā)抗量子標(biāo)準(zhǔn)化算法。目前，NIST的抗量子密碼標(biāo)準(zhǔn)化在經(jīng)過前兩輪標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)議后，已遴選出15個(gè)抗量子密碼算法[9]。2022年1月，美國(guó)總統(tǒng)拜登簽署《關(guān)于改善國(guó)家安全、國(guó)防部和情報(bào)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全》的第8號(hào)國(guó)家安全備忘錄，是白宮國(guó)家安全機(jī)構(gòu)首次在正式文件中提及抗量子密碼。當(dāng)前，中國(guó)密碼學(xué)會(huì)也在全國(guó)密碼算法設(shè)計(jì)競(jìng)賽中征集抗量子密碼算法并逐步開展國(guó)產(chǎn)密碼算法標(biāo)準(zhǔn)化。預(yù)計(jì)我國(guó)將在2025年左右實(shí)現(xiàn)抗量子密碼算法的商業(yè)化應(yīng)用落地。

3.2 量子保密通信產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景尚處探索階段，大規(guī)模工程化方向尚未明確

作為保障未來信息社會(huì)通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，量子保密通信極有可能進(jìn)入公眾安全網(wǎng)和云安全領(lǐng)域，服務(wù)電子政務(wù)、電子商務(wù)、電子醫(yī)療等各領(lǐng)域。據(jù)日本東芝公司預(yù)測(cè)，量子保密通信全球市場(chǎng)到2035年有望達(dá)到1 200億元人民幣規(guī)模。在國(guó)內(nèi)，得益于率先開展廣域量子保密通信的技術(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用示范，目前我國(guó)量子保密通信核心器件的國(guó)產(chǎn)化和設(shè)備的小型化已初步實(shí)現(xiàn)，具備了在關(guān)鍵部門先行先試的條件。在國(guó)外，在2021七國(guó)集團(tuán)峰會(huì)上，美國(guó)、英國(guó)、日本、加拿大、意大利、比利時(shí)和奧地利領(lǐng)導(dǎo)人宣布將聯(lián)合開發(fā)基于衛(wèi)星的量子安全網(wǎng)絡(luò)。同期，歐洲空客公司研發(fā)建造的在軌可編程量子衛(wèi)星“Eutelsat Quantum”成功發(fā)射，其在軌可重新編程功能設(shè)定了靈活性新標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)示著商業(yè)衛(wèi)星服務(wù)時(shí)代的到來。美國(guó)能源部宣布為量子信息科學(xué)的基礎(chǔ)設(shè)施和研究項(xiàng)目提供6 100萬美元研究資金，以創(chuàng)造新的量子設(shè)備和發(fā)展量子安全網(wǎng)。量子安全網(wǎng)將使未來的量子傳感器連接在一起，并在量子計(jì)算機(jī)之間共享數(shù)據(jù)，將實(shí)現(xiàn)新的安全級(jí)別。俄羅斯宣布其量子保密通信線路將在10～15年后進(jìn)入工業(yè)使用，目前，俄鐵路公司已開通俄首條也是歐洲最大的、位于莫斯科與圣彼得堡之間長(zhǎng)達(dá)700 km的量子保密通信干線。此外，俄首個(gè)開放訪問的“生態(tài)系統(tǒng)校際量子網(wǎng)絡(luò)”也已在莫斯科啟動(dòng)。此外，量子初創(chuàng)公司Quantinuum在2021年推出了基于量子計(jì)算機(jī)生成的隨機(jī)數(shù)的“完全不可預(yù)測(cè)的加密密鑰”服務(wù)，并稱其為NISQ(中型含噪量子計(jì)算)計(jì)算機(jī)時(shí)代的首個(gè)商用量子密碼學(xué)產(chǎn)品。據(jù)報(bào)道，正在建設(shè)商業(yè)空間站的Axiom Space已使用該產(chǎn)品對(duì)國(guó)際空間站和地球之間的抗量子加密通信進(jìn)行了測(cè)試?？偟膩砜?，當(dāng)前全球量子保密通信技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化層面的應(yīng)用場(chǎng)景仍在探索階段，部分已成熟技術(shù)的商用化前景還存在較為明顯的局限性，大規(guī)模工程化方向尚未明確。

4 量子計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)及展望

4.1 量子計(jì)算技術(shù)研發(fā)取得突破性進(jìn)展，量子計(jì)算優(yōu)越性得到實(shí)驗(yàn)性驗(yàn)證

量子計(jì)算是一種基于量子疊加和糾纏特性的新質(zhì)計(jì)算，兼具可逆計(jì)算和并行計(jì)算能力，使其具有超越經(jīng)典計(jì)算的低功耗、高速度等的巨大發(fā)展優(yōu)勢(shì)，有望在信息安全、數(shù)字經(jīng)濟(jì)、科研文教、生物醫(yī)藥、能源材料等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性應(yīng)用。量子計(jì)算對(duì)環(huán)境要求極高，雜散光、磁場(chǎng)、熱輻射和振動(dòng)等極其微弱的噪聲都會(huì)干擾量子體系，當(dāng)前研制量子計(jì)算機(jī)的一大技術(shù)挑戰(zhàn)是提高量子比特的操控精度，保障運(yùn)算正確率。量子計(jì)算的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑有超導(dǎo)、光量子、離子阱、半導(dǎo)體、拓?fù)涞?，目前仍處并行發(fā)展和開放競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。2021年，中國(guó)科大超導(dǎo)量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“量子隨機(jī)線路取樣”任務(wù)的快速求解；光量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”，增強(qiáng)了光量子計(jì)算原型機(jī)的編程計(jì)算能力，同年，IBM公司發(fā)布具有127個(gè)量子比特處理能力的量子處理器“Eagle”，根據(jù)IBM在2019年發(fā)布的量子計(jì)算路線圖，該公司計(jì)劃在2022年推出具有433個(gè)量子位的“Osprey”芯片以及具有1 121個(gè)量子位的“Condor”芯片[10]。在離子阱技術(shù)方向，霍尼韋爾公司提供支持的Quantinuum H系列量子計(jì)算機(jī)繼續(xù)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)性能提升，其最新離子阱系統(tǒng)H1-2首先達(dá)到2 048量子體積；量子初創(chuàng)公司IonQ公司計(jì)劃在其系統(tǒng)中使用鋇離子作為量子位，以構(gòu)建更快、更強(qiáng)大、更易于互連且為客戶提供更多正常運(yùn)行時(shí)間的系統(tǒng)，該公司2021年在紐約證券交易所上市，成為第一家上市的量子計(jì)算公司，一定程度上意味著離子阱技術(shù)的商業(yè)化潛力取得了資本市場(chǎng)的認(rèn)同。中山大學(xué)物羅樂教授提出，從技術(shù)路徑來看，超導(dǎo)技術(shù)制備量子物理比特?cái)?shù)量“從10到100”走的較快，但“從100到1 000”則面臨較大瓶頸；離子阱技術(shù)“從10到100”的起步階段相對(duì)困難，但“從100到1 000”的難度要低很多，有望領(lǐng)先超導(dǎo)技術(shù)。在量子軟件和算法領(lǐng)域，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)研發(fā)出新型量子特征提取算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)未知量子系統(tǒng)矩陣的分析與信息提取，可將量子算法的并行加速特性應(yīng)用于人工智能領(lǐng)域中，提升人工智能系統(tǒng)的效率與能力。劍橋量子公司開發(fā)一種新的量子算法，可使用更少的量子比特來解決優(yōu)化問題。此外，中國(guó)科學(xué)院發(fā)布了用于量子計(jì)算物理系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)控的指令集QCIS，將支持用戶遠(yuǎn)程調(diào)用其開放接口，在真實(shí)量子計(jì)算原型機(jī)上進(jìn)行“云端”量子編程實(shí)驗(yàn)?？傮w說來，每種技術(shù)架構(gòu)方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，為應(yīng)對(duì)不同環(huán)境需求和解決不同的計(jì)算問題，對(duì)各方向的探索和競(jìng)跑仍在繼續(xù)。

4.2 各主要國(guó)家大力推進(jìn)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育，但工程化仍面臨挑戰(zhàn)

根據(jù)波士頓咨詢預(yù)測(cè)，全球量子計(jì)算應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模2035年將達(dá)20億美元，2050年將飆升至2 600多億美元[11]。美國(guó)科技政策智庫(kù)數(shù)據(jù)創(chuàng)新中心發(fā)布報(bào)告，呼吁美國(guó)會(huì)在五年內(nèi)提供5億美元支持具有近期應(yīng)用的學(xué)術(shù)研究項(xiàng)目，以確保美國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。各大量子企業(yè)也紛紛發(fā)布量子計(jì)算路線圖，不但強(qiáng)調(diào)改進(jìn)量子比特?cái)U(kuò)展和糾錯(cuò)的方法，更尋求更多新的融資機(jī)會(huì)。其中，IBM計(jì)劃在2023年實(shí)現(xiàn)超過1 000位量子物理比特、能夠穩(wěn)定運(yùn)行并且抗噪聲的量子處理器，將量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。該公司與德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)合作，在2021年推出歐洲首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)“IBMQ System One”，這款具有27個(gè)量子比特的商用量子計(jì)算機(jī)可提供基于量子的計(jì)算策略實(shí)驗(yàn)，企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)可以在該計(jì)算機(jī)上開發(fā)和測(cè)試與應(yīng)用程序相關(guān)的量子軟件并擴(kuò)展技能。量子初創(chuàng)公司Quantum Brilliance著力加速金剛石量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)化進(jìn)程，其開發(fā)的量子計(jì)算機(jī)基于合成金剛石技術(shù)，無需接近絕對(duì)零度的溫度或復(fù)雜激光系統(tǒng)就可像大型量子計(jì)算機(jī)一樣運(yùn)行，其目標(biāo)是到2025年提供一個(gè)午餐盒大小、超過50個(gè)量子比特的量子加速器?；旌狭孔咏?jīng)典計(jì)算先驅(qū)Rigetti Computing推出下一代“Aspen-M”80量子位量子計(jì)算機(jī)，它由兩個(gè)40量子位芯片組裝而成，是世界上首個(gè)商用多芯片量子處理器，解決了容錯(cuò)量子計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵的規(guī)模挑戰(zhàn)。中國(guó)信息通信研究院發(fā)布《量子云計(jì)算發(fā)展態(tài)勢(shì)研究報(bào)告(2021)》藍(lán)皮書，提出量子計(jì)算云平臺(tái)是技術(shù)實(shí)驗(yàn)、接口開放、數(shù)據(jù)提供和技術(shù)研討的綜合體，在量子計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)制定過程中將會(huì)發(fā)揮重要作用[12]。京東公司也發(fā)布以經(jīng)典云平臺(tái)為依托、量子計(jì)算設(shè)備為終端的量子并行處理框架QUDIO，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度現(xiàn)有量子計(jì)算資源去求解超越經(jīng)典計(jì)算的大規(guī)模任務(wù)。2022年1月19日，世界經(jīng)濟(jì)論壇(WEF)發(fā)布首份有關(guān)量子計(jì)算指南的報(bào)告——《量子計(jì)算治理原則》，列出了負(fù)責(zé)任地設(shè)計(jì)和采用量子計(jì)算技術(shù)為社會(huì)帶來積極成果的第一套原則，同時(shí)概述了利益相關(guān)者為激勵(lì)技術(shù)發(fā)展同時(shí)降低可能風(fēng)險(xiǎn)而采取的關(guān)鍵行動(dòng)?？偟膩砜矗蛄孔佑?jì)算產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期，各主要國(guó)家目前還處于大力推進(jìn)量子計(jì)算從科學(xué)研究和概念驗(yàn)證轉(zhuǎn)向構(gòu)建未來幾年具有商業(yè)前景產(chǎn)品的生態(tài)培育階段，大規(guī)模工程化仍面臨較大不確定性挑戰(zhàn)。

4.3 與實(shí)際應(yīng)用問題相結(jié)合，量子計(jì)算進(jìn)入多領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景探索新階段

量子計(jì)算技術(shù)具有改變行業(yè)和解決社會(huì)最緊迫問題的潛力，有望為多個(gè)行業(yè)帶來變革性利益，并在未來幾年對(duì)改善世界狀況產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。在藥物和材料開發(fā)方面，量子計(jì)算機(jī)能夠通過量子模擬同時(shí)審查多種分子、蛋白質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)，從而能夠更快速、更有效地的研發(fā)藥物。此外，量子計(jì)算機(jī)可以有效地模擬其他量子系統(tǒng)，例如分子中的電子，從而對(duì)復(fù)雜材料的化學(xué)和物理特性進(jìn)行更可預(yù)測(cè)和準(zhǔn)確的洞察，為開發(fā)更具可持續(xù)性和環(huán)境安全性的產(chǎn)品鋪平道路。2021年12月，微軟投資初創(chuàng)公司PsiQuantum和日本量子初創(chuàng)企業(yè)QunaSys宣布一項(xiàng)聯(lián)合研究項(xiàng)目，評(píng)估用于工業(yè)化學(xué)計(jì)算的容錯(cuò)量子計(jì)算的能力，以加速可持續(xù)材料的開發(fā)。在金融領(lǐng)域，許多主要機(jī)構(gòu)都在尋求量子計(jì)算來提高貿(mào)易、交易和數(shù)據(jù)速度。IBM和摩根大通等銀行一直在對(duì)量子技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，以評(píng)估其在不久的將來能夠大規(guī)模執(zhí)行的具體行動(dòng)。2021年11月，國(guó)際貨幣基金組織發(fā)布《量子計(jì)算與金融系統(tǒng)》報(bào)告，指出量子計(jì)算有可能改變?nèi)蚪?jīng)濟(jì)和金融部門，對(duì)全球經(jīng)濟(jì)和金融體系產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。報(bào)告中還特別提到，中國(guó)建立了從北京至烏魯木齊間的量子密鑰分發(fā)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)了商業(yè)銀行跨境人民幣收付信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)加密傳輸。在氣候變化領(lǐng)域，量子模擬能夠幫助各國(guó)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國(guó)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。例如，量子計(jì)算機(jī)可能加快新的二氧化碳催化劑的發(fā)現(xiàn)，從而確保二氧化碳的有效回收。此外，量子計(jì)算與人工智能相結(jié)合也是發(fā)展的趨勢(shì)。美國(guó)康奈爾大學(xué)通過創(chuàng)建基于量子計(jì)算的“智能系統(tǒng)”方法來構(gòu)建故障診斷框架，從而準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的問題。研究發(fā)現(xiàn)，與電壓變化或大面積停電等巨大問題相比，融合人工智能的快速計(jì)算能夠快速診斷故障并在幾秒鐘內(nèi)找到解決方案。隨著量子計(jì)算不斷朝著商業(yè)可行邁進(jìn)，其在航空航天、物流等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷拓展。

5 結(jié) 語

量子信息技術(shù)是國(guó)際科技前沿領(lǐng)域，是大變局時(shí)代的關(guān)鍵科技變量，也是大國(guó)科技、國(guó)力和軍事競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略高地。當(dāng)前，我國(guó)量子信息技術(shù)研發(fā)已到了深化發(fā)展、快速突破的歷史階段，迫切需要完善創(chuàng)新全面的布局，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的密切交叉和各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)集成。

1) 要加強(qiáng)頂層謀劃，持續(xù)加大量子信息領(lǐng)域技術(shù)攻關(guān)。匯集量子技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研相關(guān)力量，加快制定一部符合中國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀和需求的國(guó)家層面綜合性量子技術(shù)發(fā)展規(guī)劃；把量子信息技術(shù)作為推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新的重要突破口，統(tǒng)籌好基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)、工程技術(shù)研發(fā)，加快補(bǔ)齊短板，著力夯實(shí)量子科技躍升發(fā)展的基礎(chǔ)條件，超前布局量子領(lǐng)域的前沿技術(shù)。

2) 要提升產(chǎn)學(xué)研協(xié)同，加速量子信息研究成果向?qū)嵱没⒐こ袒D(zhuǎn)化的速度和效率。積極組織相關(guān)企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)，以需求為導(dǎo)向引領(lǐng)技術(shù)的研發(fā)；聚焦有產(chǎn)業(yè)化預(yù)期的量子相關(guān)技術(shù)，廣泛挖掘量子科技的應(yīng)用場(chǎng)景，推動(dòng)其在大數(shù)據(jù)搜索、人工智能、生物制藥、金融、醫(yī)療及政務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，在應(yīng)用中迭代完善相關(guān)的技術(shù)，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化能力形成和產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)。

3) 要持續(xù)擴(kuò)大交流，繼續(xù)用好各類的合作平臺(tái)提升發(fā)展戰(zhàn)略主動(dòng)權(quán)。進(jìn)一步鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研各界代表走出去、引進(jìn)來，廣泛開展技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、安全方面的交流合作，主動(dòng)參與量子科技領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定；完善相關(guān)人才的引進(jìn)和培養(yǎng)機(jī)制，鼓勵(lì)重點(diǎn)高校開展量子科學(xué)相關(guān)學(xué)科建設(shè)，吸引和培養(yǎng)更多量子技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人才和后備力量。