中美量子计算研发现状对比分析及启示*

于杰平 王 丽**，，2

（1.中国科学院文献情报中心，北京 100190；2.中国科学院大学经济与管理学院，北京 100049）

量子计算的概念最早始于20世纪80年代，物理学家保罗·贝尼奥夫（Paul Benioff）在1980年完整描述了图灵机模型并证明了可逆量子计算的理论可行性［1］，奠定了量子计算的基础；物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）于1982年在保罗·贝尼奥夫的基础上提出了通用量子模拟器。20世界90年代初，美国贝尔实验室的皮特·休尔（Peter Shor）和洛夫·格罗弗（Luv Grover）分别于1994年和1996年提出量子分解算法（Shor算法）和量子搜索算法（Grover算法），量子计算开始引起学术界和国防部门的重视。

量子计算是指利用量子态特性（如量子叠加或纠缠）进行计算，是量子信息科学的一个分支，执行量子计算的设备被称为量子计算机。美国已经将量子信息科技上升到国家战略层面，高度重视量子计算的发展，我国正在加强量子信息科技发展的战略谋划和系统布局。

1 中美量子计算领域重要科技规划

1.1 美国量子计算领域近期规划

1）重视战略部署和顶层设计

特朗普政府制定量子信息科学国家战略，量子计算备受重视。2018年9月，美国国家科学技术委员会（National Science and Technology Council，NSTC）发布《量子信息科学国家总体战略》［2］，将量子计算看作未来十年量子信息领域的重要技术机会。2018年12月，时任总统特朗普签署《国家量子计划法案》［3］，为促进量子计算等技术发展保驾护航。2019年以来，美国《国防授权法案》（National Defense Authorization Act，NDAA）持续引导和规划量子信息战略实施，其中NDAA 2021［4］要求国防部（Department of Defense，DoD）发展量子计算潜在优势。2020年2月，国家量子协调办公室（National Quantum Coordination Office，NQCO）发布《美国量子网络战略愿景》［5］，提出包括量子计算在内的6个重点研究领域；同年10月，NQCO发布《量子前沿报告》［6］，在量子模拟、量子精密测量、量子纠缠等8个前沿领域提出关键研究问题，该报告是美国量子信息科学发展的重要路线图。

拜登政府将量子计算视作美国未来科技不可或缺的一部分。2021年3月，白宫发布的《国家安全临时战略指南》［7］，强调量子计算等新兴技术有望改变各国之间的经济和军事平衡。拜登在上任后的首次新闻发布会上强调了量子计算对美国未来竞争力的重要性。2021年5月，美韩总统发表联合声明［8］，希望在量子计算等量子技术领域开展联合研究和专家交流。2021年3月，美国国会提交《量子网络基础设施法案2021》《科学技术的量子用户扩展法案》两项法案［9，10］，其中包含加强量子计算研发。

2）有效发挥国家战略科技力量优势

美国政府建立有效协调机制，并相继成立量子信息科学小组委员会（Subcommittee on Quantum Information Science，SCQIS）、国家量子协调办公室、量子科学经济和安全小组委员会（Economic and Security Implications of Quantum Science，ESIX）、国家量子计划咨询委员会（National Quantum Initiative Advisory Committee，NQIAC）等多个组织，来支持、协调、监督和评估量子信息研发活动。国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）、国 家 科 学 基 金 会 （National Science Foundation，NSF）、能源部（Department of Energy，DoE）、国防部等是美国量子信息领域的主要战略科技力量，积极推动量子计算发展。2020年，DoE新建五个国家量子信息科学研究中心，研发重点涉及量子纠错、量子相干、中性原子、囚禁离子、超导电路、拓扑材料等量子计算发展的关键方向。国防部高级研究计划局希望通过开发与经典系统结合的嘈杂中型量子系统来取得量子计算的早期胜利；近期启动量子基准项目，旨在为大型量子计算机提出有效的衡量标准。NSF建立量子计算方向的量子跃迁研究所，旨在设计先进的大型量子计算机，为现有和未来的量子计算平台开发有效的算法。NIST成立量子经济发展联盟（Quantum Economic Development Consortium，QEDC），以提升美国在量子计算等新兴量子产业方面的领导地位。

1.2 中国量子计算领域近期规划

1）国家战略层面高度关注

我国领导人高度关注量子计算。习近平总书记在2018年新年贺词中强调［11］，量子计算机研制成功是一项科技创新、重大工程。2021年5月28日，习近平总书记在两院院士大会上多次强调量子信息的重要性［12］，肯定了76个光子的量子计算原型机“九章”、62量子比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”成功问世等量子计算领域的重大基础研究任务。

在国家政策层面，我国关于量子计算的相关政策主要在综合性战略规划中出现。2016年8月，国务院印发“十三五”国家科技创新规划的通知［13］，要求相关部门和机构面向2030年启动部署新的重大科技项目，力争在量子通信与量子计算等重点方向率先突破。2016年11月，国务院关于印发“十三五”国家战略性新兴产业发展规划的通知［14］，要求相关部门和机构在信息网络领域统筹布局量子芯片、量子编程、量子软件以及相关材料和装置制备关键技术研发，推动量子计算机的物理实现和量子仿真应用。2017年8月，科技部、中央军委科学技术委员会联合编制《“十三五”科技军民融合发展专项规划》［15］，积极推动量子通信与量子计算机等新一轮军民融合重大科技项目论证与实施。2018年1月，国务院印发关于全面加强基础科学研究的若干意见，要求加快实施量子通信与量子计算机等“科技创新2030—重大项目”。2019年12月，国务院印发《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》［16］，面向量子信息等加快培育布局一批未来产业。2021年3月，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》［17］在强化国家战略科技力量、发展壮大战略性新兴产业、打造数字经济新优势等多个方面对量子信息发展进行了相关部署。

2）科技计划支持力度逐步加大

在重大科技计划方面，我国量子计算的相关项目主要出现在量子信息专项计划中。2016年，科技部设立国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项。2016—2019年，该重点专项围绕关联电子体系、小量子体系、人工带隙体系、量子通信、量子计算与模拟、量子精密测量等6个方面的研究任务共支持87个研究项目。2018年，国家自然科学基金委启动“微结构材料中声子的调控及其在超导量子芯片中的应用”“量子色动力学的相结构和新颖拓扑效应研究”重大项目；2020年，启动“第二代量子体系的构筑和操控”重大研究计划。2017年，我国开始筹建量子信息科学国家实验室，1月，国家发改委和科技部联合批复了合肥综合性国家科学中心建设方案，将创建量子信息科学国家实验室作为合肥综合性国家科学中心的重要基石和科技创新的“一号工程”，并由安徽省与中国科学院合作、中国科学技术大学具体承办。

2 中美量子计算领域基础研究现状分析

从查德·费曼提出量子模拟器［18］、大卫·道勅（David Deutsch）和理查德·约饶（Richard Jozsa）提出道勅-约饶量子算法［19］、到经典的量子分解算法（Shor算法）［20］、量子比特［21］的提出，再到量子优越性的证明［22，23］，这些开创性或突破性进展都在研究论文中有迹可循，让量子计算科技在开放的学术环境中不断进步。因此，本文以量子计算相关的研究论文作为基础研究现状分析的数据基础。以Web of Science SCIE为数据源，检索到相关期刊论文48201篇（截至2021年6月1日）。采用LDA主题模型对论文进行文本挖掘，对比分析中美量子计算领域的基础研究差异。检索式为：TS=（（quantum*-comput*or qubit*or quantum*-bit*or（quantum-information*and comput*）or quantum-algorithm*or quantumprocessor*or quantum-circuit*or quantum-logiccircuit*or quantum-dot-circuit*or quantum-gate*or quantum-logic-gate*or（Shor near/1 algorithm）or（Grover near/1 algorithm）or（Deutsch-Jozsa near/1 algorithm）or quantum-adiabatic-algorithm or topological-quantum or quantum-turing or quantudot-computer or（quantum-system near/1 simulat*）or（quantum near/0 simuat*））or（（（（trapped-ion or superconduct*or（neutral-atom near/1 opticallattice）or nuclear-spin*or trapped-atom*or（electron*near/0 spin））near/0 quantum）or（quantum-dot or quantum-annealing or josephsonjunction or quantu-dot or quantum-well or quantumwire*or optical-quantum or Bose-Einsteincondensate or quantu-island*or superconduct*-quantum*）or（quantum-entanglement or quantumcoherence or quantum-superposition*or quantumstate*or quantum-gate*））and comput*））。

2.1 中美量子计算研究趋势对比

中国、美国在量子计算领域的研究论文发文量处于全球领先位置（图1）。中国在量子计算领域的研究论文发文量排名第二，仅次于美国，并在2010年首次超越美国，2011年与美国持平，此后除2016年落后于美国外，年发文量持续领先美国。这离不开我国自2010年以来对量子计算的持续研发投入，以及相关政策支持。

图1 中美量子计算研究论文产出趋势对比（1952—2021）Fig.1 Comparison of Trends in Quantum Computing Papers between China and the United States（1952-2021）

2.2 中美量子计算研究方向对比

基于量子计算基础研究论文数据进行文本挖掘，识别量子计算领域主要研究主题，结合定性调研对当前热点研究方向进行判断和分析。目前量子计算领域的主要研究方向有：量子算法、量子计算模型（如量子逻辑门、单比特测量、绝热量子计算、拓扑量子计算等）、量子计算机的物理实现（如离子阱、超导、光、量子点、金刚石色心等）等。近年来量子计算领域飞速发展，但仍面临量子比特数量少、相干时间短、出错率高等诸多挑战。

对比分析中美两国的研究主题可看出（图2），我国在量子纠缠、量子退相干、超导量子计算、量子传输协议、光量子计算、（后）量子密码、量子图像处理等研究主题上较美国占有优势，尤其是在量子传输协议研究主题上优势突出，与我国在量子通信领域的优势相吻合；在其他研究主题上与美国存在一定差距：实现量子计算的量子算法，量子计算主流模型（量子逻辑门、拓扑量子计算、量子态测量等），量子计算机的其它物理实现（离子阱量子计算、基于自旋的量子计算（电子自旋、核自旋、金刚石色心）、约瑟夫森器件、量子点制备等），量子计算机的核心问题量子纠错，量子计算相关理论（拓扑量子场论和其它相关理论等），以及量子计算发展与挑战等。

图2 中美量子计算研究主题对比（1952—2021年）Fig.2 Comparison of Quantum Computing Research Topics between China and the United States（1952-2021）

2.3 中美量子计算主要研发机构对比

在量子计算发文量排名前二十的研发机构中，美国机构有七个，中国机构有三个，如图3所示。

美国机构的研究主题主要集中在量子算法、拓扑量子计算、基于自旋的量子计算、超导量子计算等。其中麻省理工学院在量子算法主题上的论文较多，哈佛大学和马里兰大学在基于自旋的量子计算主题上的论文较多，加州大学圣巴巴拉分校和密歇根大学分别在拓扑量子计算、超导量子计算主题上的论文较多。

中国机构的研究主题主要集中在拓扑量子计算、量子传输协议、光量子计算、超导量子计算、基于自旋的量子计算等。其中，中国科学院在拓扑量子计算、量子传输协议、超导量子计算等主题上的论文较多，中国科学技术大学在光量子计算、基于自旋的量子计算、量子传输协议、超导量子计算等主题上的论文较多。中国科学院和中国科学技术大学是我国量子计算领域的主要研发力量，在一些整体稍弱的研究主题上如拓扑量子计算，机构研发力量较强。

3 中美量子计算产业的最新进展

3.1 美国

以谷歌、国际商业机器公司（International Business Machines Corporation，IBM）、IonQ公司、英特尔等为代表的企业纷纷进军量子计算，这使美国量子计算产业发展迅速。

谷歌、IBM主要致力于超导量子计算。2019年10月，谷歌量子人工智能实验室研制出54量子比特的可编程超导Sycamore处理器，宣称实现了“量子霸权”［23］。2020—2021年，谷歌利用超导量子计算机（Sycamore处理器）陆续完成了全球首次最大规模的化学反应模拟［24］、量子近似优化算法［25］。2020年9月，IBM发布65量子比特的Hummingbird处理器；同月，发布《量子技术发展路线图》［26］，计划在 2021—2023年分别推出127、433、1121量子比特的处理器，目标是推出超过百万量子比特的处理器。

IonQ公司和霍尼韦尔重点探索囚禁离子量子计算。其中，IonQ公司是囚禁离子量子计算路径的领军者，2020年10月，公布32量子比特的量子计算机系统［27］。霍尼韦尔在商用量子计算机系统上多次创造了量子体积记录，2021年3月，推出量子体积达512的商用量子计算机H1（10量子比特）［28］。

英特尔重点研发基于硅自旋量子比特的商用量子计算机。2019年12月，英特尔公布的首款低温控制芯片Horse Ridge［29］，能够控制多种量子比特（超导量子比特和自旋量子比特），采用的是英特尔22nm FinFET低功耗制造技术，是英特尔商用量子计算机发展的里程碑。2020年12月，英特尔推出的第二代低温控制芯片Horse Ridge II是英特尔克服量子计算可扩展性的里程碑［30］，利用硅自旋量子比特来完成计算，对传统半导体制造商有较大的吸引力。

微软的量子计算之路主要是拓扑量子计算，致力于研发可扩展量子比特技术。2021年3月，微软从Nature撤回2018年发表的关于发现马约拉纳费米子的论文，其未来拓扑量子计算之路暂不明朗。

3.2 中国

我国量子计算产业布局稍显薄弱。2017年10月，合肥本源量子计算科技有限公司（以下简称“本源量子”）联合中国科学院量子信息重点实验室上线“本源量子计算云平台”，该平台是世界上首例上线投用的基于半导体量子芯片的量子计算云平台，采用了超导量子芯片，于2018年4月升级到64位量子虚拟机。2020年9月，“本源量子”推出超导量子计算机——本源悟源（搭载了6比特超导量子处理器夸父KF C6-130）。此外，“本源量子”正在研制2比特半导体量子计算机。

在中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、国家自然科学基金委、科技部和教育部等资助下，2017年5月，中国科学技术大学、浙江大学、中国科学院物理研究所等协同研发出世界首台超越早期经典计算机的光量子计算原型机（基于10光子纠缠操纵）；在超导体系，该团队自主研发了10比特超导量子电路样品。

4 对我国量子计算未来创新发展的启示

1）加强顶层规划，引导量子计算快速发展

美国高度重视量子信息科技，多举措促进量子计算等领域发展。而在我国，虽然量子信息科技已引起国家层面的高度关注，但相关政策是随综合性战略规划出现，作为国际战略必争领域缺乏专门的顶层战略规划。此外，我国主要通过制定重点研发计划、筹建量子信息科学国家实验室等举措促进量子信息科技发展，侧重支持量子通信领域，对量子计算的支持相对薄弱。

在量子计算领域我国需要制定系统性研发路线图，突出我国优势技术方向，整合国内分散的研发力量和资源，指导我国量子计算有效、持续、快速地发展。

2）发挥优势方向的带动作用，评估未来关键技术问题予以重点布局

得益于量子通信优势，我国在量子纠缠、量子退相干、量子传输协议、光量子计算等领域有着一定的优势，对主流的超导量子计算的攻关优势也较为显著，但是在量子算法、量子计算模型（如量子逻辑门、拓扑量子计算等）、量子比特的物理实现（如离子阱、量子点、金刚石色心等）、量子计算机的核心问题——量子纠错等研究方向与美国相比稍显落后。

我国量子通信领域居世界领先地位，带动了光量子计算的发展。未来我国需要：继续发挥在量子科技领域的相关优势以驱动我国量子计算整体发展；合理评估量子计算领域的未来技术方向，寻找最有价值的实现路径进行重点攻关，理清实现这些技术的挑战和可行性，避免夸大；针对量子计算领域的关键共性技术如量子纠错等瓶颈技术，进行重点布局、协同攻关以寻求突破。

3）构建量子计算研发生态系统，促进量子计算产业发展

美国政府与各联邦机构有力推动了量子技术研发生态系统的形成与发展，以IBM、谷歌、IonQ公司、英特尔等为代表的企业使美国的量子产业发展如火如荼。我国量子计算还处于产业化的早期，代表性企业仅有“本源量子”一家。

为此，我国应该：（1）依托新型举国体制，加大支持优势战略科技力量的创新研发，整合优化量子计算领域的科技资源配置，调动民企投资量子计算研发的积极性，为学术研究人员提供与政府部门和产业界合作的机会，逐步形成健康的量子计算研发生态系统；（2）通过扶持初创企业、成立产业界-学术界联盟、培育地方生态系统等促进研发成果的转移转化；（3）营造公平的竞争环境，重视知识产权保护，在权衡国家安全利益的基础上鼓励国际合作，支持企业通过海外技术并购、参股、合作等方式弥补技术短板；（4）制定多样化的政策，提供或建设先进的量子科研基础设施，创造开放、包容、公平的科研环境，吸引、驻留、发展量子计算领域世界各地的优秀人才和研发团队。

4）加强军民融合研究，保障国家安全

量子计算结合量子密钥是极具颠覆性的军民两用技术，涉及国家和社会安全。2021年10月，美国国土安全部（Department of Homeland Security，DHS）发布后量子密码路线图［31］，认为需要为“向后量子密码过渡”做好准备，以保护当前及未来仍然敏感的数据和设施。

我国在量子密钥及后量子密码研发方向处于世界领先水平，需要继续探索量子密钥与量子计算相结合的研究领域，同时加强后量子密码的研究和规划，以对抗未来可能存在的风险。相关研究需要评估量子计算对关键安全基础设施的潜在风险以及未来应用的迁移成本。

数据可用性声明

支撑本研究的科学数据已在中国科学院科学数据银行（Science Data Bank）ScienceDB平台公开发布，访问地址为https://www.doi.org/10.11922/sciencedb.j00053.00010或http://resolve.pid21.cn/31253.11.sciencedb.j00053.00010。