1、 量子计算简介

2020年10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。习近平总书记发表重要讲话，为当前和今后一个时期我国量子科技发展做出重要战略谋划和系统布局。以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术作为量子科技领域的重要组成部分，将为推动基础科学研究探索、信息通信技术演进和数字经济产业发展注入新功能。

量子计算是量子力学与计算机科学相结合的一种通过遵循量子力学规律、调控量子信息单元来进行计算的新型计算方式。它以量子比特为基本单元，具有量子叠加、纠缠的特性。并且，通过量子态的受控演化，量子计算能够实现信息编码和计算存储，具有经典计算技术无法比拟的巨大信息携带量和超强并行计算处理能力。

2、 量子计算相关政策

2.1 国际量子计算相关政策

（1）美国

2016年，美国国家科学和技术委员会（NSTC）公布《推进量子信息科学：国家挑战与机遇》。2020年8月，美国白宫科技政策办公室、美国国家科学基金会（NSF）和美国能源部共同宣布将在未来五年内建立12个多学科、多部门的国家中心，其中包含5个量子信息科学中心（图1）。2021年美国白宫公布了《国家安全战略中期指导方针》，指出量子计算机和人工智能会给经济、军事、就业、经济差距问题带来广泛影响。同时，美国公布了《人工智能与量子信息科学研发摘要：2020-2021财年》，美国在人工智能和量子信息科学领域的预算增加了30％。

（2）欧洲

欧盟2016年推出“量子宣言”旗舰计划，将在未来十年投资10亿欧元，支持量子计算、通信、模拟和传感四大领域的研究和应用推广。2019年7月欧盟10国签署量子通信基础设施（QCI）声明，探讨未来十年在欧洲范围内将量子技术和系统整合到传统通信基础设施之中。

英国2015年正式启动“国家量子技术计划”，投资2.7亿英镑建立量子通信、传感、成像和计算四大研发中心，开展学术与应用研究。2018年11月进行了第二阶段2.35亿英镑投资拨款。德国在2018年9月提出“量子技术——从基础到市场”框架计划，拟于2022年前投资6.5亿欧元促进量子技术发展与应用。2021年，法国宣布启动法国量子技术国家战略，计划五年内在量子领域投资18亿欧元。

2.2 国内量子计算相关政策

2018年5月28日，习近平总书记在两院院士大会上的讲话中指出，“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用。”

2016年，“十三五国民经济和社会发展规划”提到量子信息技术是体现国家战略意志的重大科技项目之一。2017年，“十三五”国家基础研究专项规划将量子计算机列为重大科技战略任务首位。2020年度国家自然科学基金委重大研究计划包括“第二代量子体系的构筑和操控”。2021年量子信息科学被列入普通高等学校本科专业目录的新专业名单。同时，《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》提出“瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目”，“加快布局量子计算、量子通信、神经芯片、DNA存储等前沿技术”。

3、 量子计算主要技术路线发展情况

3.1 超导量子计算发展

超导量子计算机具备芯片加工技术较成熟、系统集成度较高、可扩展性能好的优势。超导量子比特利用约瑟夫森结在低温下的非线性效应，构造出电荷量子比特、磁通量子比特、相位量子比特等。根据芯片设计思路和所选用耦合、布局扩展方式，阵列式的扩展方案实现的一维或者二维阵列，有利于实现量子算法编程，环绕式的扩展方案有利于实现最大纠缠和全耦合。实用化的量子计算面临着2个挑战，一个是扩展量子比特数目，需要同时提高退相干时间，另一个则是提高量子门调控保真度，需要在量子位的数量和量子比特的质量2个维度上不断推进。

超导体系备受谷歌、IBM、英特尔等科技巨头的青睐。2016年12月，中科大潘建伟团队首次实现了10个光子比特和10个超导量子比特的纠缠。2017年11月，IBM首次构建了50量子比特的处理器。2018年3月，谷歌量子人工智能实验室发布的Bristlecone量子芯片，可实现72个量子比特长度上的单比特门操纵，单量子比特门最佳保真度达到了99.9%。2018年8月，Rigetti Computing宣布在开发一个128量子比特量子计算系统。2019年1月，清华大学首次利用单量子比特实现了精度为98.8%的量子生成对抗网络。2019年4月，中科大潘建伟团队首次实现了12个超导比特的纠缠。2019年8月，中科大实现24量子比特处理器，并进行多体量子系统模拟。2020年9月12日，本源量子公司上线了中国首个接入实体量子计算机的量子计算云平台。

3.2 半导体量子计算

量子点（quantum dot）是在把激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。通过向纯硅中加入电子，科学家们造出了硅量子点这种人造原子，运用微波控制电子的量子态。硅量子比特比超导量子比特更加稳定，但量子纠缠数量较少，需要保持低温。2017年开始，英特尔先后推出17量子比特和49量子比特的超导芯片，随后在2018年2月展示了一个2量子比特自旋量子计算机，它可以实现执行两个简单的量子算法的编程。2019年5月，新南威尔士大学实现了保真度为98%的双比特逻辑门。本源量子成功研制半导体2比特量子处理器玄微。2020年，新南威尔士大学的量子计算研究人员在一篇论文中描述了他们如何在一个硅量子点中创造人工原子。同年，新南威尔士大学研究人员研制出了迄今最安静，及噪音最低的半导体量子比特，为进一步研制出大规模纠错量子计算机奠定了基础。2020年9月，前谷歌量子硬件开发团队负责人John Martinis加入了Slicon Quantum Computing（SQC）公司，Martinis加入SQC的决定是对该公司在原子尺度构建硅基量子计算机这一方法的重要肯定。

3.3 离子阱

离子阱的技术原理是利用电荷与电磁场间的交互作用力牵制带电粒子体运动，并利用受限离子的基态和激发态组成的两个能级作为量子比特，是一种将离子通过电磁场限定在有限空间内的设备。在应用于量子计算机中时，离子阱量子计算机相比于超导量子计算机最大的优势就是全连接性。由于使用了完全相同的、完全连接的量子位，再与精确控制相结合，所以离子阱量子计算机拥有了高质量的量子位和最低的错误率。

2018年12月，IonQ实现79位处理量子比特和160位存储量子比特。霍尼韦尔在2018年宣布进军量子计算领域，采用离子阱技术实现量子计算，并于2020年6月推出了64量子体积的量子计算机。8月，美国杜克大学和马里兰大学的研究者设计出了在低温下运行的全连接的32比特离子阱量子计算机寄存器，相比霍尼韦尔6比特全连接提高了5倍，是目前公开最多量子比特全连接的技术架构。10月，霍尼韦尔将量子体积提升为128，但IonQ宣布在32量子比特离子阱量子计算机上实现预期超过400万量子体积。UQ在2020年获得了450万美元的超额种子轮融资，被投资机构评价为“UQ是全球唯一能够将量子计算的效率提高到指数级的公司”。同年，北京启科量子在中国光博会上透露“天算1号”离子阱可扩展分布式量子计算机项目。

3.4 光学

光量子，是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子，光量子计算是量子计算中的一种，其原理是使用光子进行“多粒子纠缠的操纵”。因为光子不易与环境相互作用，所以它们反而很擅长维持叠加。但同时，它们很难被控制。因此，找到使光子相互作用的一种有效方法可以打开经典光学和量子计算的新前景，加速一些计算类型。

2017年5月，中科大潘建伟和陆朝阳等人宣布造出了世界上第一台超越早期电子计算机的光量子计算机。2018年5月，上海交通大学物理与天文学院金贤敏团队发表了节点数达49×49的光量子芯片的研究成果。2018年7月中科大首次实现18位光量子纠缠操控。2019年12月，中科大在国际上首次实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算，输出了复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，其维数高达370万亿。2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。

3.5 量子拓扑

拓扑量子比特是通过基本粒子的拓扑位置和拓扑运动来处理信息的。2005年，在微软首席研究战略官Craig Mundie的支持下，拓扑数学家Michael Freedman在加州圣芭芭拉建立了一个实验室——StationQ，并开始招募凝聚态物质和理论物理学家、材料学家、数学家和计算机科学家，一起构建拓扑量子比特。拓扑量子比特的构建需要马约拉纳费米子，它的反粒子就是自己本身，状态非常稳定，2018年，代尔夫特理工大学的Leo Kouwenhoven团队（微软资助）在Nature发文，给出了马约拉纳费米子存在的强有力证据。然而，在2021年3月研究团队已经撤回了该篇有争议的论文，原因是研究团队称这项研究遗漏了关键数据，没有足够的科学严谨性证实马约拉纳费米子的真实存在。

4、量子计算的现有的挑战以及发展方向

量子计算机可分为通用机和专用机两类，通用量子计算机需要上百万甚至更多物理比特，具备容错计算能力，需要量子算法和软件的支撑，其实用化是长期渐进过程。专用量子计算机用于解决某些经典计算难以处理的特定问题，只需相对少量物理比特和特定算法，实现相对容易且存在巨大市场需求。

在与经典计算的比较和发展定位方面，量子计算目前只在部分经典计算不能或难以解决的问题上具备理论优势，且尚未得到充分证明，并非在所有问题的解决上都优于经典计算。此外，量子计算机的复杂操控仍需要经典计算机辅助，在未来相当长时间内，量子计算都无法完全取代经典计算，两者将长期并跑、相辅相承。