賽迪顧問
2019-09-23 10:52 來源：澎湃新聞
量子計算是一種基於量子力學的、顛覆式的計算模式，具有經典計算技術難以企及的並行計算能力和信息攜帶量，有望成為滿足未來計算需求、加速科技創新的新引擎。未來，量子計算可用於基礎科研、化工、能源、材料、人工智慧、信息安全、加密通信、太空探索等領域，對各國科技創新、產業發展乃至經濟社會的各個方面帶來顛覆性影響。因此，全球主要發達國家和科技巨頭企業紛紛加碼布局量子計算，技術研發和應用創新不斷提速。我國在量子計算研發領域發展較快，在產業化應用方面取得了階段性成果。
量子計算的內涵與發展歷程量子信息技術主要包括量子計算、量子通信和量子測量等三個技術領域，以及量子比特、量子疊加和量子糾纏等幾個基本概念。量子計算是以量子比特為基本單元，通過量子態的受控演化實現數據存儲的一類計算技術，具有經典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強並行處理能力。量子計算機就是遵循量子力學規律，基於上述原理進行信息處理的一類物理裝置。與經典計算相比，量子計算具有並行計算能力更強和能耗更低兩大主要特點。
迄今為止，量子計算的發展可分為三個階段。一是20世紀90年代以前的理論探索時期。二是20世紀90年代的編碼算法研究時期。三是21世紀以來的技術驗證和原理樣機研製階段。
量子計算技術與發展路線圖量子晶片即為量子計算機的物理實現與硬體系統。1982年，美國物理學家Feynman首次提出將量子力學理論與計算機技術相結合的概念。3年後，英國牛津大學的Deutsch團隊對量子計算機的概念進行了進一步闡述，並提出研究如何由量子邏輯門構成邏輯網絡是實現通用量子計算機的核心。
量子算法即為便於控制並使用通用量子計算機，而利用量子電腦程式設計語言作為人與量子計算機之間傳遞信息的媒介。現有量子算法一般固化於專用量子計算設備中，主要有兩類：第一是舒爾算法。1994年，美國麻省理工貝爾實驗室數學家彼得•舒爾（Peter Shor）提出一個針對整數分解問題的量子算法，將因子分解問題轉化成周期問題，並使用量子手段來搜尋這個周期。第二是格羅弗算法。1996年，同在麻省理工貝爾實驗室的格羅弗提出了格羅弗搜索算法（Grover’s Algorithm），該算法亦是概率性的，其實現基於概率幅放大。
雖然量子計算各種物理實現的原理性驗證發展迅速，但國際上公認短期內無法實現量子通用計算機。量子計算的發展預計將被分為近期量子霸權、中期量子模擬計算機與遠期量子通用計算機三個階段。
國際量子計算發展全球各主要國家紛紛加碼布局量子計算。美國從上世紀90年代開始將量子信息技術作為國家發展重點，在量子相關學科建設、人才梯隊培養、產品研發及產業化方面進行大量布局，政府每年對量子計算領域的支持在2億美元以上。英國已啟動「國家量子技術計劃」，計劃投資超過10億英鎊建立量子通信、傳感、成像和計算四大研發中心。德國提出「量子技術——從基礎到市場」框架計劃，推動實現量子技術產業化。日本於2013年成立量子信息和通信研究促進會以及量子科學技術研究開發機構，稱將在未來10年投入400億日元支持量子技術研發。韓國重點發展量子通信領域，於2014年發布《量子信息通信中長期推進戰略》，旨在2020年成為全球量子通信領先國家。
全球量子計算技術與產業發展水平不斷提升，主要表現在三個方面。第一，全球量子計算領域研究水平不斷提升。2000年至2017年，量子計算論文數年均增長10%。1998年至2004年量子計算專利申請量劇增。受谷歌研究的基於超導的量子計算機帶動，2014年至2016年全球專利申請數再次大幅上升。第二，美國綜合實力強勁，處於產業領先地位，歐洲發展較為迅猛，日、韓、澳等國均處於跟隨位置。第三，產業巨頭開展全球合作，推動技術與應用加速發展。谷歌、IBM、英特爾等巨頭與耶魯大學、麻省理工學院、加州大學等科研機構聯合攻關共性技術。戴姆勒使用谷歌量子計算機針對未來出行方案提供解決方案。
我國量子計算發展為搶佔量子技術革命的制高點，我國先後啟動「自然科學基金」、「863」計劃和重大專項，支持量子計算的技術研發和產業化落地。目前，我國主要以科研機構、高校開展的理論研究為主，核心論文數量、研究機構數處於世界前列，基礎研究能力僅次於美國。尤其在多光子糾纏領域，一直保持國際領先地位，已經實現18個光量子的糾纏，國內第一臺「波色取樣」在特定任務上超越最早期兩臺經典光量子計算原型機。阿里巴巴、騰訊、百度和部分ICT企業也積極參與產業生態建設，紛紛建立相關實驗室。
我國量子計算發展面臨的問題與挑戰目前我國通往通用量子計算時代的道路仍然極為坎坷，存在諸多問題與挑戰。首先關鍵技術研發仍屬起步階段，與國際水平存在差距。在量子計算機硬體、軟體等各方面仍然存在重大技術障礙。其次，市場尚在培育階段，商用條件苛刻且成本高，未來應用場景模糊，技術距離應用落地尚有很大距離。第三，與國外企業相比，我國企業參與度較低，在量子計算的技術累積、研發投入以及產業發展方向方面缺乏全面布局，將繼續保持跟跑態勢。第四，我國人才體系單一、集中，主要集中於中科大、清華、浙大等高校的研究團隊。中高層人才數量嚴重稀缺，人才知識結構單一，而高校缺乏針對量子計算技術發展的系統化學科布局和建設。
對策建議加強前沿科技領域產業化布局，培育一批量子計算領域的骨幹企業，支持企業跟蹤國際先進技術發展動態。加大對關鍵核心領域的研發支持，完善產學研協同創新機制，採取積極財政政策提供資金支持。前瞻布局高校在量子計算方向學科建設，培養一批本土的高端技術人才隊伍，通過政策導向集聚全世界最優秀的相關專家。積極構建量子計算應用生態體系，鼓勵行業龍頭企業發揮牽頭帶動作用，並支持產業上下遊企業通過參股合資、長期戰略合作等形式，暢通資源和信息對接渠道。支持企業、行業協會、科研機構等深化合作，成立量子計算聯盟，共同開展量子計算關鍵共性技術研究。
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