量子计算技术产业发展现状与应用分析(量子计算技术应用领域)

下面要带大家了解的是量子计算技术产业发展现状与应用分析，希望能给网友您带来不错的体验。

1 引言相比于经济社会中已取得广泛应用的经典计算，量子计算是一种新型计算方式，以微观粒子构成的量子比特为基本处理和存储单元，不同于经典计算中比特位非“0”即“1”的确定特性，量子计算在希尔伯特空间中可表征出更多状态，其计算和存储能力可随量子比特数量的增加而呈指数级规模扩展。

量子计算在理论上具有攻克经典计算无解难题（NP）的巨大潜力，以破解RSA加密体系为例，RSA加密体系的安全性依赖于大数分解复杂度，使用经典计算机分解300位大数约需数十万年，而使用同样规模的量子计算机分解300位大数仅需几秒。

量子计算技术所带来的算力飞跃将为高温超导等复杂度较高的物理化学科学研究、新型材料研发、医药研究、能源勘探与人工智能研究等领域开拓新局面，并有可能在未来引发改变游戏规则的计算革命，成为推动科学技术加速发展演进的“触发器”和“催化剂”。

近年来，量子计算技术与产业呈现加速发展态势，已得到美国、欧洲、加拿大、澳大利亚等国家和地区的普遍关注与重视，“量子优越性”（Quantum Supremacy，也译作“量子霸权”）等热点话题不断将其推向公众视野，已成为科技界和商业界热议的焦点。

在此背景下，各大科技巨头、初创公司、科研机构和不同领域的行业需求者纷纷开展量子计算相关的研究与应用布局，产业生态得到不断培育、发展态势良好。

2 量子计算技术发展现状量子计算技术研究始于20世纪80年代，关键技术包含量子处理器的物理实现、量子编码、量子算法、量子软件、外围保障和上层应用等多个环节（见图1）。

图1 量子计算关键技术2.1 量子处理器的物理实现量子处理器的物理实现是现阶段量子计算技术的主要研究热点和核心瓶颈，包含超导、离子阱、光量子、硅量子点、中性原子、拓扑、分子自旋和谷量子比特[1]等多种方案路线。

超导技术路线方面，Google已推出72位量子比特处理器，在量子比特数量上全球领先。

量子比特间的纠缠或连接程度是影响量子计算处理能力的重要因素之一，目前报道的处理器结构设计和量子比特纠缠程度不尽统一，大部分并未实现全局纠缠。

我国中国科学技术大学已实现24位超导量子比特处理器。

离子阱技术路线方面，IonQ公司已实现79位处理比特和160位存储比特:我国清华大学已实现相干时间超过10 min的单量子比特储存。

光量子技术路线方面，我国中国科学技术大学已实现18位比特的纠缠操控，在全球处于领先水平。

硅量子点技术路线方面，澳大利亚新南威尔士大学已实现99.96%保真度的单比特逻辑门和98%保真度的双比特逻辑门:我国中国科学技术大学也实现了高保真的单比特逻辑门。

此外，我国本源量子研发了适用于20位量子比特的量子测控一体机，用于提供量子处理器芯片运行所需要的关键信号，实现量子处理器操控。

目前，超导和离子阱路线在所有量子处理器物理实现技术方案中相对领先，但尚未能够完全满足量子计算技术的实用化条件而实现收敛。

判断特定系统是否适合用于量子计算物理实现，可以借助著名理论物理学家DiVincenzo提出的几个条件[2]，主要包括：具有良好特性量子比特的可扩展物理系统、具有将量子比特初始化为简单基准态的能力、具有长相干时间、具有一组“通用的”量子门、具有特定量子比特的测量能力。

除量子比特的物理实现技术外，量子操控与量子测量也是目前业界重点攻坚的技术方向。

美国物理学家在2011年提出了“ 量子优越性”（Quantum Supremacy）概念，随着近年来量子计算技术进步加快，引起社会媒体的广泛关注。

2019年10月，《Nature》报道了Google公司基于可编程超导处理器Sycamore实现量子优越性的重要研究成果，这是证明量子计算原理优势和技术潜力的首个实际案例。

然而，目前量子计算的发展水平距离实用化仍有距离。

量子计算的优势来源于其独特的量子叠加、纠缠特性，这些特性必须在相干状态下才能得以保持，但量子系统较为脆弱，容易受到环境温度、噪声等因素影响而引发退相干效应，使计算准确性受到影响。

2.2 量子编码与经典计算类似，将多个“物理量子比特”编码构造为可容错的“逻辑量子比特”，可有效应对量子系统的退相干问题，所以量子编码是未来通用量子计算机的实现基础。

纠错编码的实现需要量子计算本身的出错率满足一定阈值，现有研究报道中的物理量子比特数量和保真度与实际需求仍有距离，逻辑量比特仍未突破，目前正处在由“量子物理比特”向“量子逻辑比特”过渡的发展阶段[3]（见图2）。

图2 量子处理器发展现状2.3 量子算法和量子软件量子算法和软件是量子处理器硬件充分发挥计算能力和解决实际问题的神经中枢。

量子计算相比于经典计算的加速能力与量子算法息息相关，20世纪90年代中期提出的Shor算法和Grover算法是量子计算发展的里程碑，在破译密码和数据搜索方面分别具备指数量级和平方根量级的加速能力。

然而，目前核心算法依然有限，且已有算法只在特定问题上具有理论优势，量子计算尚不能像经典计算那样普适于解决各类问题。

软件方面，业界正在进行量子编程语言、开发工具和模拟器等研究，由于量子计算的逻辑与经典计算有很大不同，需要软件编程者和应用开发者具备量子计算的思维和工程适配能力，因此量子软件的开发与应用仍然是非常有挑战性的工作，尚处于起步阶段。

目前，业界已推出了适用于各自量子计算系统的汇编语言、开发套件和应用软件包，如IBM开发了适用于IBM Q模拟器[4]的全栈式量子软件 Qiskit[5]，且已更新至0.19版本:Google除了拥有已更新到0.8版本的开源量子计算框架Cirq[6]外，还利用TensorFlow原本在机器学习领域中的强势地位推出了量子机器学习库图3美国量子计算研究与应用发展模式TensorFlow Quantum[7]，抢占量子机器学习领域的先机:Microsoft也推出了量子编程语言Q#和与之配套的Microsoft开源量子开发工具包[8]。

国内本源量子已推出OriginIR量子指令集、Qurator量子软件开发插件和QPanda量子软件开发套件:中科院软件所也紧跟步伐，发布了量子程序设计平台 isQ[9]。

此外，考虑到量子计算资源的稀缺性与计算结果的非理想性，多个企业也开发出量子计算模拟器软件，可利用模拟器在经典计算运行环境下进行量子计算的仿真推演以及量子算法开发、量子硬件效果评估等。

3 量子计算产业发展现状政府方面，从全球范围来看，多国政府纷纷出台支持量子信息技术的发展战略，下拨大量资金用于以量子计算为主的量子信息技术研究。

美国近年来持续投入，政府部门、高校及科研院所、科技巨头和初创企业等多方力量形成合作协同的良好局面，并在基础理论研究、量子处理器研制和应用探索等方面占据领先地位（见图3）:欧洲、日本、加拿大和澳大利亚等国家和地区紧密跟随，且领先主体之间通过联合攻关和成果共享等方式，正在形成并不断加强联盟优势:此外，印度、韩国、俄罗斯、以色列等国家也开始重视量子计算技术的发展，并相继将其列入国家技术计划、加大研发投入:我国对包括量子计算在内的量子信息技术发展较为重视，已在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中将“量子调控”列为基础研究领域重大科学研究计划，并建设了量子信息科学国家实验室。

图3 美国量子计算研究与应用发展模式科技巨头方面，美国Google、IBM、Intel、Microsoft、Honeywell相继在量子计算领域投入布局，强化资金配置、工程实现和软件控制等能力，积极进行量子处理器原型产品及软件算法的技术研发，并与科研背景强大的科研院所和高校广泛合作，对量子计算成果转化和加速发展助力明显。

在量子处理器物理实现方案方面，Google和IBM均基于超导路线，Intel同时布局硅量子点和超导两种路线，Microsoft则看好全新的拓扑路线，Honeywell侧重离子阱路线。

我国科技公司阿里巴巴、腾讯、百度、华为相比于美国巨头进入量子计算领域的时间相对较晚，近年来通过与科研院所合作或聘请知名科学家等方式成立相关实验室，在量子计算云平台、算法、软件和应用等方面研究布局。

华为发布了HiQ量子计算云平台，并推出昆仑量子计算模拟原型机:阿里巴巴与中国科学技术大学合作推出量子计算云平台:腾讯在量子AI、药物研发和科学计算平台等应用领域开展相关研究:百度成立了量子计算研究所，积极开展量子计算软件和信息技术应用等技术研究。

整体而言，我国科技公司在量子处理器研制和量子计算应用推广方面与美国相比仍有较大距离。

初创公司方面，近年来，来自政府部门、行业巨头和投融资机构的投资机会大大增加，全球初创公司快速发展，积极开发实现量子计算所需的软件、硬件、算法库等。

目前，全球已有上百家量子计算领域的初创企业，研究范畴覆盖量子计算软硬件、基础配套和应用探索等多个方面，企业集聚度以北美和欧洲最高（见图4）。

图4 量子计算领域科技公司和初创企业分布[10]尽管量子计算目前仍处于产业发展的早期阶段，但军工、金融、化工、材料、生物、航空航天、交通等众多行业已开始关注到其巨大的应用发展潜力，空客、摩根大通、JSR等纷纷开始通过投资或合作等方式探索相关应用，量子计算的产业生态链日渐壮大。

在量子计算研究和应用发展的同时，其产业基础配套也在不断完善。

2019年，英特尔与Bluefors和Afore合作推出量子低温晶圆探针测试工具，加速硅量子比特测试过程:中国本源量子创立本源量子计算产业联盟，携手中船重工鹏力（南京）超低温计算有限公司共建量子计算低温平台。

4 量子计算云平台量子计算的接入途径主要有两种，一是使用专门搭建的量子系统，二是通过量子计算云平台。

由于量子处理器对环境的要求十分苛刻，运行条件和维护成本高，目前只有少数企业和科研机构能够独立拥有量子计算系统，应用发展受限。