量子计算领域发展现状与展望

2019-01-28郝晓雪王婷倪琰李向阳杜彦昌

中国学术期刊文摘 2019年10期

郝晓雪王婷倪琰李向阳杜彦昌

0 引言

量子计算是一种新型计算模式，由量子力学规律调控，基于量子信息单元完成计算，显著区别于传统计算模式的新方式。基于量子纠缠态计算建立的计算机则被称为量子计算机。事实上，量子纠缠态和稳态的研究促进了量子计算机的发展。与传统计算机不同，量子计算机的硬件基于纠缠态光量子的生成和湮灭，遵循量子计算理论，处理和计算的不再是简单电平信号而是量子信息，运行的是基本逻辑也不再是简单的与或非门电路，而是量子算法。1981年，美国阿拉贡国家实验室的Paul Benioff 最早提出了量子计算的基本理论。

传统计算机的运行速度受到温度、湿度等外界因素制约，散热不佳将极大的降低运算速度，而计算过程中的不可逆操作将带来极大的能耗，从而造成发热。反观量子计算，由于可以进行可逆操作，因而其功耗能够显著降低，解决了传统计算机能耗带来的发热问题。对于传统计算机而言，其发展由摩尔定律给定，即集成电路的性能能够于每18～24 个月的时间内翻一倍，与之相对，当材料与技术成本不变时，价格也会降为原价的0.5 倍。近些年来，由于半导体工艺发展受到制约，电路原理多年未曾进步，因此摩尔定律的极限也逐渐逼近，缺乏一种新型颠覆性技术来推动计算领域的高速发展。究其根本，CPU中光刻机刻蚀出的布线密度是重要的限制原因之一，一旦逼近极限密度，该芯片电路发展将不再遵循摩尔定律，此时电路中高速数据传输导致的波粒二象性不容忽视。根据海森堡不确定性关系，集成电路中电子位置的相当确定时，动量的不确定量会很大，从而造成量子效应显著，对电子的操纵难度极大，易造成CPU 故障。因此单一CPU 的集成度有限，单位体积运算速度受到很大影响，但量子计算机能很好的克服这一点。

1 量子计算国内外主要研究进展

2018年3月，谷歌宣布实现72个量子位的原型机，极大的拓展了量子计算的商业化应用。5月，我国阿里巴巴达摩院顶级科研机构量子实验室发布消息，称已成功模拟了81 比特40 层作为基准的谷歌随机量子电路，研发出当前世界最强的量子电路模拟器“太章”。因此，量子技术不仅事关国家网络安全，更有望催生全新且庞大的产业链条，对经济社会产生重大影响。

1.1 国内重要进展

我国在量子计算领域起步虽然落后于欧美国家，但是在国家支持下，还是取得了国际一流的研究成果。当前，由于物理、数学等基础较为薄弱，因此在关键技术突破等方面与欧美仍存在一定差距。

首先，从战略上讲，我国发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》，将“量子调控研究”列为4 个重大科学研究计划之一，提供持续性稳定性的国家层面支持，并且相关领域的专家已经开展了相应的研究，取得了不菲的研究成果。中国科技大学的郭光灿院士长期从事半导体量子芯片研究并取得了重大突破，实现了2个量子比特逻辑门电路，在操控比特数量和量子相干时间等方面达到国际先进水平。同属中国科技大学的潘建伟院士在量子保密通信和量子物理方面也取得了卓越成果，例如，潘院士首次在国际上使用光晶格技术生成并观测了了约600 对呈现纠缠状态的超冷量子比特。

其次，我国量子计算研究基础薄弱，经费和人力投入与欧美国家相比远远不足。虽然我国在量子计算领域投入了相当的人力物力，然而，实用化的量子计算机的应用是一个复杂的系统工程，既要对量子物理基础学科进行原理性创新，又要进行量子计算所需的普适材料、制程、架构和控制软件等实现创新。当前，由于我国精密工业领域发展的限制，造成我国在传统计算和量子计算工艺技术上基础薄弱，从而导致核心电子元器件、高端计算芯片、操作系统和高级计算软件、增材制造装备等长期落后，受到西方国家的制裁和禁运，最终导致我国量子计算的研究主要处于原理验证和演示层面，无法深入进行脱离实验室环境的量子计算模拟和深层次计算，以至于直到现在，我国都尚未研发出可以商业化使用的量子计算芯片，而同期IBM 的量子计算已经提供商业化服务。此外，我国从事量子计算领域的单位较少，由于基础设施的缺乏，量子计算领域入门门槛较高，目前仅有中国科学技术大学、阿里巴巴达摩院、中国科学院、清华大学等单位开展了量子计算方面的研发，导致我国在量子计算实用化方面进程缓慢。

2017年5月3日，我国成功研发出世界上第一台光量子计算机，这标志着我国在量子计算机领域取得世界一流的入场券。该光量子计算机由中国科技大学、中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中国科学院物理研究所等协同完成参与研发。经初步实验测试，该原型机的取样速度比国际同行类似的实验快约24000 倍，比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10 倍至100 倍。

1.2 国外重要进展

由于欧美一直重视基础学科的发展，因此在量子领域一直走在世界前列。自量子计算机概念被提出以来，欧美学术界和工业界不断加大资本和人力投入，并取得举世瞩目的重大进展。量子信息科技将引领下一场技术革命，给国家安全、经济发展、基础科研等带来重大变革。

首先，欧美在国家战略布局层面上显著高于国内。自2014年以来，欧美研究机构与企业投入力度不断加大，欧盟于2018年启动总额10亿欧元的量子技术项目，旨在进一步加强欧盟量子领域的力量；9月24日，美国白宫科技政策办公室（OSTP）会同国家科学技术委员会（NSTC）发布《量子信息科学国家战略概述》，标志着特朗普政府将量子霸权提升到国家战略。此外，英国政府投入约2.5 亿美元在牛津大学等高校建立量子研究中心，培养该领域的顶尖人才，荷兰政府向国内顶尖大学代尔夫特理工大学资助1.4 亿美元开展量子计算研究，加拿大政府也资助滑铁卢大学 2.1亿美元开展量子领域的研究，澳大利亚政府、银行等出资8300 万澳元在新南威尔士大学成立量子计算公司。

其次，欧美量子技术研发取得一系列重大突破。在量子芯片方面，美国加州大学圣塔芭芭拉分校在国际上首次实现了9 量子比特的超导量子芯片，美国新南威尔士大学成功研发出2 量子比特的硅基半导体量子芯片，应该牛津大学则实现了5量子比特的离子阱量子芯片；在量子计算方面，美国IBM 公司于2016年5月发布了5 超导量子比特的量子计算机，并在2017年将20 量子比特的计算机完成了商业化，西班牙巴斯克大学于2016年6月公布了具有9 超导量子比特的模拟量子计算机，马里兰大学与美国国家标准与技术研究院于2016年8月发布5量子比特的可编程量子计算机。

2017年11月11日，IBM 宣布20 量子位的商用量子计算机研制成果，并于同年完成50 量子位的量子计算机原理样机。该20 量子比特的计算机是商业化版本，其纠缠态量子相干时间较长，稳定性得到极大的增强，平均相干时间提升到90 微秒，并具备柔性的扩展设计，可以增加量子位，基于相同技术的50 量子位的量子计算机能够达到更加强大的性能，帮助IBM 构建量子霸权。美国哈佛大学的卢金教授，格雷纳教授和麻省理工学院的武菜蒂奇教授则在量子模拟方面取得较大进展，他们通过激光捕捉到超冷铷原子，并利用磁场将冷原子进行排序，最终研发出一种51 量子位的模拟器，可以实现特定的量子计算。

2 量子计算未来发展展望

目前，量子计算机的产业化和军事化应用已经进入关键时期，世界主要国家和龙头企业都投入巨大人力和物力开展量子计算方面的研究。我国也十分重视量子领域的发展，期待在本次科技革命中占据先机，因此发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》，将“量子调控研究”列为重点方向，计划在量子保密通信、量子计算等领域开展预研，取得重要的研究成果。近5年来，我国量子领域的研究已经处于国际领先地位，尤其是中国科学技术大学潘建伟院士领衔的基于量子物理的新型量子保密通信技术。

2.1 军事应用前景分析

（1）在破解加密算法中的应用

量子技术不仅可以通过纠缠态的不可测技术确保自身通信安全，也可以通过极高的并行度破解现有密码体系，产生颠覆性的影响。随着新型计算技术的快速发展，尤其是巨型机、并行计算的发展，使得密钥加密的破解难度逐渐降低，而对于并行度极高的量子计算，更是可以利用先天优势，快速破译以因式分解为数学基础的传统密码体系。例如，传统的无线网络WPA-128加密方案，如果使用“量子搜寻算法”进行暴力破解，所需时间不到 4 min，而传统摩尔架构的计算机则需要1000年。

（2）在反隐身作战中的应用

随着吸波材料计算的发展，隐身战机也逐步成为未来战场的颠覆性作战装备。而量子纠缠理论则有望突破这一优势，即基于量子技术的量子雷达可将量子比特调制到雷达波形中，利用纠缠态的光量子产生极其敏感的探测信号，其灵敏度远高于传统射频波段雷达，是未来战场隐身战机的终结者。利用光量子则有可能实现高分辨率成像，对对地高分侦察、复合习制导等起到积极作用，并在光路上探测目标图像，拥有极其可观的战场应用需求。此外，光量子信号对环境变化非常敏感，因此也有望在无源导航等方面产生颠覆性影响。

（3）在智能作战中的应用

由于量子信息领域展现出强大的生命力和颠覆性的物理效能，因此其有望在战场人工智能、军事大数据、战场气象水文环境侦察、智能联合指挥控制领域发挥重要作用，是未来战争的重要颠覆性技术。因此，必须直面量子技术的机遇与挑战，才有可能在未来战争中占据有利位置。

2.2 国际格局影响分析

量子技术是一种潜在颠覆性技术，需要10年甚至更长时间的培育才能影响到整个世界，但是这种潜在的颠覆性技术关系到我国未来发展，关系到未来数据驱动的国家基础计算能力，有望帮助我国迅速建立起全域战略优势，引领量子信息时代的国际发展。首先，规模化商用量子计算机的有望满足未来大数据和互联网发展需求，对国际政治经济格局产生重大影响。量子计算作为当前潜在的颠覆性技术，其重要性可以比肩工业革命的蒸汽机和信息时代的数字化计算，能克服现代半导体工艺的热耗效应带来的瓶颈，还可以利用量子纠缠实现超越巨型机计算能力的并行计算。因此，商业化量子计算机的应用，有望进一步提高计算速度和海量信息处理能力，有力的支撑生物、核等新领域带来的计算和仿真瓶颈，从而进一步对国际格局产生影响。其次，商用量子计算机难以在短期内大规模应用，于通用计算机相比还有很大差距，仅仅在相关领域具备颠覆性优势。

2.3 产业化影响分析

量子计算将突破摩尔定律代表的现代计算机限制，打破现有信息系统产业格局，构建全新的产业体系和生态圈。首先，量子核心产业体系有望重构。作为计算技术的潜在颠覆者，量子计算将通过20年甚至更长时间形成庞大的技术和产品产业链，同时形成对应的生态圈，为各领域的发展开辟广阔空间，带动包括增材制造、信息与通信、新能源等一大批产业和技术的跨越式发展。量子计算在专业领域展现出的强大计算和模拟仿真能力，也将为密码破译、气象水文、石油勘察、生物制药等领域提供解决方案，进一步形成新的产业体系。其次，为我国提供引领世界发展潮流的机遇。摩尔时代的计算机兴起过程中，欧美国家成为技术和产业的主导者，并长期掌握产业发展的主导权，造成我国在计算机领域发展常年的被动地位。而量子计算技术的发展为我国提供了千载难逢的机遇，我国有望在未来掌握该产业发展的主导权和决策权，从根本上实现量子领域的霸权。