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| 本文作者： 我在思考中 | 2022-01-20 09:56 |
編輯丨青暮
超導(dǎo)量子計(jì)算過(guò)去宣稱(chēng)實(shí)現(xiàn)的量子霸權(quán)在最新的獲得戈登貝爾獎(jiǎng)被宣告打破，但谷歌和IBM依然在這一領(lǐng)域有著雄心勃勃的計(jì)劃。
離子阱則憑借高保真的量子比特，在穩(wěn)步前行，探索多樣化的技術(shù)路線(xiàn)；中性原子與之類(lèi)似，但具有更好的可擴(kuò)展性，這也是離子阱一直無(wú)法與超導(dǎo)量子比特相比的地方。硅量子點(diǎn)作為硅基技術(shù)的自然進(jìn)階，2021年也實(shí)現(xiàn)了目前為止最低的量子噪聲。
2021年表現(xiàn)最為亮眼的當(dāng)屬光量子比特，“九章二號(hào)”實(shí)現(xiàn)了比全球最快超算快10^24倍的計(jì)算速度，達(dá)成“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑。下一步，中科大團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始朝量子糾錯(cuò)進(jìn)發(fā)，而量子糾錯(cuò)正是量子計(jì)算機(jī)邁向?qū)嵱玫囊淮笳系K。
以上技術(shù)路線(xiàn)都要求接近絕對(duì)零度的環(huán)境，而金剛石NV色心可以在環(huán)境溫度下工作，在快速落地上也被寄予厚望，比如生物醫(yī)療等領(lǐng)域就出現(xiàn)了頗為可喜的進(jìn)展。
2021年至今，全球量子計(jì)算的當(dāng)下現(xiàn)狀如何，形成了什么局面，未來(lái)會(huì)如何發(fā)展？且看本文從硬件、軟件和算法以及各國(guó)政策等方面展現(xiàn)的量子技術(shù)最新進(jìn)展。
量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。在理解量子計(jì)算的概念時(shí)，通常將它和經(jīng)典計(jì)算相比較。
經(jīng)典計(jì)算使用二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算，每個(gè)計(jì)算單元（比特）總是處于0或1的確定狀態(tài)。量子計(jì)算的計(jì)算單元稱(chēng)為量子比特，它有兩個(gè)完全正交的狀態(tài)0和1。
同時(shí)，由于量子體系的狀態(tài)有疊加特性，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算基矢狀態(tài)的疊加，因此不僅其狀態(tài)可以有0和1，還有0和1同時(shí)存在的疊加態(tài)，以及經(jīng)典體系根本沒(méi)有的量子糾纏態(tài)，即在數(shù)學(xué)上的多量子比特體系波函數(shù)不能進(jìn)行因式分解的一種狀態(tài)。
一臺(tái)擁有4個(gè)比特的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，在某一時(shí)間僅能表示16個(gè)狀態(tài)中的1個(gè)，而有4個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)表示這16種狀態(tài)的線(xiàn)性疊加態(tài)，即同時(shí)表示這16個(gè)狀態(tài)。
隨著量子比特?cái)?shù)目的遞增，一個(gè)有n個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)處于2^n種可能狀態(tài)的疊加，也就是說(shuō)，可以同時(shí)表示這2的n次方數(shù)目的狀態(tài)。
在此意義上，對(duì)量子計(jì)算機(jī)體系的操作具有并行性，即對(duì)量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)操作，實(shí)現(xiàn)的是對(duì)2的n次方數(shù)目種可能狀態(tài)的同時(shí)操作，而在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中需要2的n次方數(shù)目的操作才能完成。因此，在原理上，量子計(jì)算機(jī)可以具有比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快的處理。
量子計(jì)算機(jī)
經(jīng)典計(jì)算機(jī)體積縮小和性能提升來(lái)源于計(jì)算機(jī)芯片集成度的提高。隨著計(jì)算機(jī)元器件從電子管到晶體管再到大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，如今的計(jì)算機(jī)可以薄如一張紙，運(yùn)算速度也能很好地滿(mǎn)足需求。
然而，大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨以及人工智能的發(fā)展，使得經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力越來(lái)越不能滿(mǎn)足海量數(shù)據(jù)處理的需求，目前主要有兩個(gè)方面制約經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展：能耗問(wèn)題和芯片高集成化的極限。
1961年，IBM 的 Rolf Landauer 提出了信息和能量的方案，這就是著名的 Landauer 原理：每刪除一比特的信息，需要消耗一定的能量。消耗的能量隨后會(huì)成為熱量，因此散熱問(wèn)題是制約芯片集成化程度的一個(gè)重要問(wèn)題。若要解決熱量耗散問(wèn)題，則必須在計(jì)算過(guò)程中采用可逆計(jì)算避免信息的擦除。
同時(shí)，經(jīng)典體系與量子體系服從不同的規(guī)律，經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足量子體系的計(jì)算需要?，F(xiàn)在對(duì)量子體系的計(jì)算都是在經(jīng)過(guò)大量簡(jiǎn)化后才得以進(jìn)行。因此，物理學(xué)家 Richard Phillips Feynman 提出使用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行量子模擬。
再者，微處理芯片的密度日趨極限，其中晶體管的密度越來(lái)越大，每個(gè)晶體管的體積越來(lái)越小，已經(jīng)接近物理上所允許的極限，摩爾定律失效。當(dāng)晶體管只由少數(shù)原子組成時(shí)，經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律不再適用，量子效應(yīng)將導(dǎo)致晶體管無(wú)法正常工作?；谝陨显?，量子計(jì)算機(jī)概念被提出。
從應(yīng)用范圍的角度，量子計(jì)算機(jī)可分為通用量子計(jì)算機(jī)和專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)。通用機(jī)用于解決普遍問(wèn)題，需要上百萬(wàn)甚至更多物理比特，并具備容錯(cuò)能力、以及各類(lèi)軟件算法的支撐，其實(shí)用化將是長(zhǎng)期漸進(jìn)過(guò)程。專(zhuān)用機(jī)用于解決特定問(wèn)題，只需相對(duì)少量的物理比特和特定量子算法，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易且存在市場(chǎng)價(jià)值。業(yè)內(nèi)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，未來(lái)五年左右量子專(zhuān)用機(jī)有可能在模擬、優(yōu)化等領(lǐng)域率先取得突破。
量子計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域
目前普遍預(yù)測(cè)量子計(jì)算有望在以下三個(gè)場(chǎng)景較早落地。第一個(gè)領(lǐng)域是模擬量子現(xiàn)象，量子計(jì)算可以為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模擬、藥物研發(fā)、新型材料研究、新型半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)等提供有力工具。生物醫(yī)藥、化工行業(yè)、光伏材料行業(yè)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)存在對(duì)大量分子進(jìn)行模擬計(jì)算的需要，經(jīng)典計(jì)算壓力已經(jīng)顯現(xiàn)。
第二個(gè)領(lǐng)域是人工智能相關(guān)領(lǐng)域。人工智能對(duì)算力需求極大，傳統(tǒng)CPU芯片越來(lái)越難以勝任。通過(guò)開(kāi)發(fā)新的量子算法，構(gòu)建優(yōu)秀的量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。
第三個(gè)領(lǐng)域是密碼分析。加密和破譯密碼是歷史長(zhǎng)河中的不間斷主題。量子計(jì)算破譯了RSA等公開(kāi)密鑰體系，而密碼學(xué)家又構(gòu)造了新的公開(kāi)密碼體系，而現(xiàn)在的密碼體系的絕對(duì)安全性還沒(méi)有得到證明。
因此，基于算法的密碼體系的安全性一直受到可能被破譯的威脅。開(kāi)展密碼破譯具有重要的戰(zhàn)略意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。應(yīng)對(duì)量子計(jì)算對(duì)通信安全攻擊的另外一種手段是量子保密通信，主要包括量子密鑰分發(fā)、量子直接通信。
自量子計(jì)算機(jī)概念提出，科學(xué)家就開(kāi)始致力于研制量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)體。至今已經(jīng)提出了多種可能實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的物理平臺(tái)，如超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)、離子阱量子計(jì)算機(jī)、固態(tài)核自旋量子計(jì)算機(jī)和拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)等等。這些物理平臺(tái)各有優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，一些方案已被淘汰，而大浪淘沙后剩下的幾種主要方案，如超導(dǎo)量子計(jì)算、離子阱量子計(jì)算、中性原子量子計(jì)算等等近年來(lái)發(fā)展較快。
實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理平臺(tái)要有編碼量子比特的物理載體，使不同量子比特之間可以可控地耦合，并對(duì)噪聲環(huán)境影響有一定的抵抗力。目前研發(fā)的主要方案有超導(dǎo)、離子阱、中性原子、硅量子、光量子和金剛石色心等。
超導(dǎo)量子計(jì)算
超導(dǎo)量子計(jì)算利用超導(dǎo)系統(tǒng)的量子態(tài)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。它的優(yōu)點(diǎn)是與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)兼容，但是，超導(dǎo)量子系統(tǒng)工作對(duì)物理環(huán)境要求較高，需要超低溫。許多科研機(jī)構(gòu)和國(guó)際大公司采用這一系統(tǒng)，如谷歌、IBM 等。
谷歌：在持續(xù)重金投入量子計(jì)算多年以后，2018 年 3 月，谷歌宣布推出 72 量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，他們發(fā)布的主要指標(biāo)是單比特操作的誤差是 0.1%，雙比特門(mén)操作的誤差是 0.6%。
2019年10月，谷歌在《自然》上發(fā)表一篇文章，稱(chēng)其開(kāi)發(fā)出一款 54 量子比特?cái)?shù)的超導(dǎo)量子芯片 Sycamore?；谠撔酒?，谷歌對(duì)一個(gè)53比特、20深度的電路采樣一百萬(wàn)次只需200秒。而目前最強(qiáng)的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī) Summit 要得到類(lèi)似的結(jié)果，則需要一萬(wàn)年?；谶@一突破，谷歌宣稱(chēng)其率先實(shí)現(xiàn)了「量子霸權(quán)」。
在今年的量子夏季研討會(huì)上，谷歌再次強(qiáng)調(diào)了其計(jì)劃的連續(xù)性，并概述了他們計(jì)劃在 2029 年前建立一個(gè)擁有 100 萬(wàn)個(gè)物理超導(dǎo)量子比特的「小型」FTQC 的里程碑。雖然谷歌首選的可調(diào)諧量子比特和快速邏輯門(mén)提供了極大的靈活性和性能，但是 Sycamore53Q 設(shè)備的校準(zhǔn)顯然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
有了額外的控制，就需要在芯片上和芯片外路有額外的控制線(xiàn)?？s放比例會(huì)自動(dòng)增加布線(xiàn)的挑戰(zhàn)和元件數(shù)量與總體故障率之間的關(guān)系。此外，谷歌在2020年報(bào)告的大部分工作都使用了Sycamore的23Q配置，因?yàn)樽詣?dòng)校準(zhǔn)最初無(wú)法在較大的設(shè)置中提供可接受的2Q門(mén)性能。谷歌將材料研究作為提高量子比特相干時(shí)間的一種方法。盡管前景很好，但這需要科學(xué)的進(jìn)步，而不僅僅是工程上的進(jìn)步。
值得一提的是，2021年11月18日，中國(guó)團(tuán)隊(duì)在2021戈登貝爾獎(jiǎng)上奪冠，獲獎(jiǎng)應(yīng)用超大規(guī)模量子隨機(jī)電路實(shí)時(shí)模擬（SWQSIM），可在304秒內(nèi)得到百萬(wàn)更高保真度的關(guān)聯(lián)樣本，在一星期內(nèi)得到同樣數(shù)量的無(wú)關(guān)聯(lián)樣本，打破谷歌所宣稱(chēng)的「量子霸權(quán)」。參見(jiàn)：2021戈登貝爾獎(jiǎng)揭曉！中國(guó)超算應(yīng)用一舉奪冠，打破谷歌所謂“量子霸權(quán)”！
谷歌路線(xiàn)圖：從現(xiàn)在到 2029 年：102Q（邏輯量子比特原型）、103Q（一個(gè)邏輯量子比特）、104Q（可平鋪邏輯模塊）、105Q（工程擴(kuò)大）、106Q（糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)）。通過(guò)表面代碼協(xié)議進(jìn)行錯(cuò)誤糾正。
圖注：谷歌路線(xiàn)圖
IBM：IBM 很早就開(kāi)始為其路線(xiàn)圖打下基礎(chǔ)。2016 年，IBM 推出 5 個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算平臺(tái)，打破了從 1998 年以來(lái)超導(dǎo)量子比特體系研究一直徘徊在 2 個(gè)量子比特的局面，開(kāi)啟了國(guó)際上量子計(jì)算機(jī)研發(fā)的第二次高潮。2017年11月，IBM 宣布研制成功 50 量子比特的量子計(jì)算機(jī)原理樣機(jī)，并在 2018 年初的 CES 大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)展示。
IBM 是推動(dòng)教育更廣泛的社區(qū)先行者，重要的不僅是量子比特?cái)?shù)量，還有量子比特連接、門(mén)集和可實(shí)現(xiàn)的電路深度。基于這些屬性，IBM 引入衡量量子計(jì)算機(jī)性能的指標(biāo)——量子體積（QV）。2017 年以來(lái)，IBM 已交付了 28 款性能穩(wěn)步提高的系列設(shè)備。每年 QV 翻一番的既定目標(biāo)，他們?cè)谶^(guò)去一年中實(shí)現(xiàn)兩次。
2021 年 11 月 15 日，IBM 推出全球首個(gè)超過(guò)100量子比特的超導(dǎo)量子芯片——Eagle，該量子芯片擁有 127 個(gè)量子比特，采用了全新的芯片架構(gòu)，基于 IBM 之前公布的六邊形量子芯片，堆疊了多層芯片，但減少了之間的鏈接，鏈接越少，干擾就越少，這是量子計(jì)算機(jī)研發(fā)中的重要難點(diǎn)之一。
目前的 Eagle 量子芯片實(shí)現(xiàn)了 127 量子比特，但還只是個(gè)開(kāi)始，IBM計(jì)劃在未來(lái)兩年中分別推出 433 量子比特的 Osprey 芯片及 112 量子比特的 Condor 芯片，屆時(shí)他們量子芯片將實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。
IBM路線(xiàn)圖：2021 年 127Q（Eagle）、2022年433Q（Osprey）、2023年 1121Q（Condor），從而形成 100 萬(wàn)量子比特的大規(guī)模系統(tǒng)。通過(guò)顏色代碼協(xié)議進(jìn)行糾錯(cuò)。
圖注：IBM路線(xiàn)圖
至于國(guó)內(nèi)進(jìn)展，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)研制出 66 比特的可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)祖沖之2.0，通過(guò)操控其上的 56 個(gè)量子比特，在隨機(jī)線(xiàn)路采樣任務(wù)上實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性，所完成任務(wù)的難度比 Sycamore 高 2—3 個(gè)數(shù)量級(jí)。前段時(shí)間，潘建偉研究團(tuán)隊(duì)又有了新的進(jìn)展，通過(guò)操控其上的 60 個(gè)量子比特，祖沖之2.1 所完成任務(wù)的難度比祖沖之2.0 又高出了 3 個(gè)數(shù)量級(jí)。
離子阱
離子阱體系的優(yōu)勢(shì)在于其有較好的封閉性，退相干時(shí)間較長(zhǎng)，制備和讀出效率較高，離子阱體系在一定程度上可以滿(mǎn)足量子計(jì)算機(jī)的多個(gè)條件，而可擴(kuò)展性問(wèn)題是基于離子阱系統(tǒng)的量子計(jì)算的主要障礙。國(guó)際上開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)的研究組有霍尼韋爾、IonQ等等。
霍尼韋爾：2020 年，霍尼韋爾成為第一個(gè)用其 6Q H0 和 10Q H1 處理器達(dá)到 QV 64 和 QV 128 的廠商。有些人可能會(huì)想，10Q 處理器怎么能聲稱(chēng)自己和 IBM 的 27Q 處理器一樣強(qiáng)大呢？這恰恰凸顯了離子阱研究者長(zhǎng)期以來(lái)所闡述的兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：與超導(dǎo)量子比特方法相比，它有優(yōu)越的連接性和更高的門(mén)保真度。這兩個(gè)優(yōu)勢(shì)可以保證更高的 QV。霍尼韋爾處理器也是首款實(shí)現(xiàn)中間電路測(cè)量的處理器，進(jìn)一步提高了靈活性。
霍尼韋爾路線(xiàn)圖（不同的量子比特布局）：2020-2030年，H1（線(xiàn)性離子阱），H2（跑道布局），H3（網(wǎng)格布局），H4（集成光學(xué)元件），H5（大規(guī)模平鋪）。
圖注：霍尼韋爾路線(xiàn)圖
IonQ：2018 年 12 月，IonQ 推出了一個(gè)離子阱體系量子計(jì)算機(jī)原型系統(tǒng)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：量子比特?cái)?shù)目方面，最多可以加載160個(gè)量子比特，能夠進(jìn)行單個(gè)比特操作的是79個(gè)量子比特，能夠進(jìn)行雙比特操作的是11個(gè)量子比特?？删幊塘孔佑?jì)算方面，實(shí)現(xiàn)了５個(gè)比特的可編程計(jì)算，在５比特上實(shí)現(xiàn)了４種量子算法。
2020年，IonQ 宣布了一款 32Q 設(shè)備，他們希望獲得比以前高得多的 QV，盡管他們現(xiàn)在更喜歡談?wù)撘环N新的衡量指標(biāo)——算法量子比特（AQ）。算法量子位比特（AQ）——IonQ 定義為可用于計(jì)算的有效量子比特的數(shù)量（注意：可用邏輯門(mén)深度仍有限）。在沒(méi)有糾錯(cuò)編碼的情況下，AQ = log 2（QV）。
圖注：IonQ路線(xiàn)圖
離子阱系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是，與超導(dǎo)量子比特相比，它們提供的門(mén)速度要慢得多（通常慢100到1000倍）。他們希望通過(guò)更長(zhǎng)的量子比特壽命和更高的保真度來(lái)彌補(bǔ)這一點(diǎn)，從而減少糾錯(cuò)成本。
IonQ 相信，高保真的物理量子比特足以使得離子阱比其他方法更快實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)。對(duì)于離子阱系統(tǒng)而言，真正的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)是再次擴(kuò)大規(guī)模，尤其是在它們依賴(lài)精細(xì)調(diào)諧的激光系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)其高保真量子比特門(mén)的情況下。就像超導(dǎo)量子比特方法不同一樣，離子阱也不盡相同。
例如，奧地利公司 AQT ，他們沒(méi)有使用霍尼韋爾和 IonQ 使用的在超精細(xì)躍遷上定義的量子比特，而是使用在光學(xué)躍遷上定義的量子比特。雖然保真度稍低，但這種量子比特的工作波長(zhǎng)是集成光子組件易于制造的波長(zhǎng)，因此有望實(shí)現(xiàn)更容易的擴(kuò)展。2020 年，這種集成設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室中以這些波長(zhǎng)進(jìn)行了演示。AQT 與歐洲量子技術(shù)（QT）旗艦計(jì)劃、AQTION 合作，首次構(gòu)建完整的「機(jī)架系統(tǒng)」。
其他離子阱初創(chuàng)公司的目光也不再局限于激光驅(qū)動(dòng)的門(mén)。Universal Quantum、NextGenQ 和 QT 旗艦計(jì)劃的 MicroQC 正在尋求將遠(yuǎn)場(chǎng)微波門(mén)帶出實(shí)驗(yàn)室，并應(yīng)用到商業(yè)設(shè)備。與激光驅(qū)動(dòng)門(mén)的許多關(guān)鍵性能記錄密切相關(guān)的 Chris Balance 和 Thomas Harty，已選擇以自己的初創(chuàng)公司作為基礎(chǔ)，建立近場(chǎng)微波門(mén)，如 Oxford Ionics。
離子阱架構(gòu)通常使用模塊之間的光子互連進(jìn)行擴(kuò)展。最近已經(jīng)出現(xiàn)了更快的互連，但似乎仍然是一個(gè)性能瓶頸。另一方面，Universal Quantum 已經(jīng)證明他們的離子穿梭方法原則上可以提供類(lèi)似于全連接的 QV。
中性原子
中性原子又叫作冷原子，因?yàn)樗褂眉す饫鋮s和高度真空來(lái)達(dá)到毫開(kāi)（mK）的溫度，遠(yuǎn)低于低溫冷卻的范圍。該技術(shù)與離子阱有許多相同的特性，它們的優(yōu)點(diǎn)是中性原子可以被包裹得更緊密。這意味著可以更快地?cái)U(kuò)展到 1000Q 模塊。
ColdQuanta 是采用這種方法的知名公司，已經(jīng)推出了 QuantumCore 作為一個(gè)基本單元，以瞄準(zhǔn)許多量子領(lǐng)域的機(jī)會(huì)。它也是云上的量子物質(zhì)系統(tǒng) Albert 的基礎(chǔ)。ColdQuanta 已經(jīng)被 DARPA（美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局）選中，作為 ONISQ 計(jì)劃的一部分，參與 1000Q 處理器的開(kāi)發(fā)工作，該獎(jiǎng)項(xiàng)的價(jià)值高達(dá) 740 萬(wàn)美元。
ColdQuanta 路線(xiàn)圖：到 2021 年達(dá)到 100Q，到 2022 年達(dá)到 300Q，到 2024 年達(dá)到 1000Q。其他選擇中性原子的公司還有 QuEra、Paswal 和 Atom Computing 等。
硅量子點(diǎn)
2020 年，QuTech 和新南威爾士大學(xué)（UNSW）在 1K 的溫度下用金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）量子點(diǎn)演示了量子比特操作。這有望成為一個(gè)操作和擴(kuò)大設(shè)備規(guī)模明顯更容易的機(jī)制，盡管在這些更高的溫度下，相干時(shí)間和保真度是否具有競(jìng)爭(zhēng)力仍有待觀察。
澳大利亞初創(chuàng)公司 Silicon Quantum Computing 一直是硅量子比特的早期推動(dòng)者。2020 年，它宣布了其路線(xiàn)圖的重點(diǎn)，放棄了 MOS 量子點(diǎn)，并加碼了磷原子量子比特。這些設(shè)備使用超尖端制造技術(shù)，提供了超越傳統(tǒng) CMOS 技術(shù)的原子精度方法。
在描述 SQC 的制造技術(shù)時(shí)，其創(chuàng)始人Michelle Simmons指出不僅能夠以原子精度設(shè)計(jì)量子比特，而且同樣的技術(shù)可以在同一器件襯底內(nèi)創(chuàng)建穩(wěn)定、簡(jiǎn)單和原始的控制線(xiàn)路。2021年，他們報(bào)道了硅量子比特實(shí)現(xiàn)迄今為止最低的噪聲。
2020 年，加拿大初創(chuàng)公司 Photonic Inc 發(fā)表了早期的研究，承諾給硅量子比特「軍械庫(kù)」增加一個(gè)重要的新工具。這有望改善基于硅中 T-centre 缺陷的光子的界面。
光量子比特
中國(guó)的九章實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明光量子比特可以實(shí)現(xiàn)比迄今為止在任何其他平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的都要復(fù)雜的計(jì)算。九章通過(guò)實(shí)現(xiàn)一種被稱(chēng)為高斯玻色取樣的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，成功構(gòu)建了 76 個(gè)光子 100 個(gè)模式的高斯玻色采樣量子計(jì)算原型機(jī)。在 200 秒的時(shí)間里產(chǎn)生的輸出樣本，聲稱(chēng)世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī) Fugaku 需要 6 億年才能實(shí)現(xiàn)。它的復(fù)雜程度大大超過(guò)了 Sycamore 最初的量子優(yōu)勢(shì)（量子霸權(quán)）演示。
九章并非憑空而來(lái)。至少?gòu)?2006 年起，中國(guó)就一直在增加對(duì)量子技術(shù)的投資。2019 年，潘建偉團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn) 20 個(gè)光子 60 個(gè)模式干涉線(xiàn)路的玻色取樣量子計(jì)算。2021 年 10 月，他們又宣布了一則令人激動(dòng)的消息：量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”研制成功。這意味著我國(guó)已成為世界上唯一在兩種物理體系達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑的國(guó)家。
與目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，“九章二號(hào)”求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問(wèn)題要快 10 的 24 次方倍（億億億倍）。陸朝陽(yáng)教授解釋稱(chēng)，團(tuán)隊(duì)把之前九章光量子計(jì)算機(jī)的光子增加至 113 個(gè)，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，“我們主要有三大突破，首先顯著提高了量子光源的產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率，將光源關(guān)鍵指標(biāo)從 63% 提升到 92%。其次，將多光子量子干涉線(xiàn)路從 100 維度增加到 144 維度，操縱的光子數(shù)從 76 個(gè)增加到 113 個(gè)。第三，新增了可編程功能”。
圖注：“九章二號(hào)”整體裝置圖
潘建偉院士表示，團(tuán)隊(duì)的下一步任務(wù)是實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，并在這個(gè)基礎(chǔ)上，借助一些專(zhuān)用的量子計(jì)算機(jī)或量子模擬機(jī)解決一些具有重大應(yīng)用價(jià)值的科學(xué)問(wèn)題。
金剛石 NV 色心
金剛石 NV 色心可以在環(huán)境溫度下操作，雖然靈敏度不高，但卻可以實(shí)現(xiàn)小型化，并且其毒性質(zhì)使其特別適合現(xiàn)場(chǎng)生物測(cè)量。Qnami 受益于量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目 ASTERIQS 的參與。該項(xiàng)目的合作伙伴還包括泰雷茲集團(tuán)、博世、NVision 和比利時(shí)微電子研究中心，他們各自在金剛石技術(shù)上尋求不同的應(yīng)用。
HP-MRI 是一種先進(jìn)的核磁共振診斷技術(shù)，可以追蹤注入人體的糖分并顯示糖分變成什么。例如，在報(bào)告胸痛的患者中區(qū)分有生命或無(wú)生命的心臟組織時(shí)很有用。但是，由于生產(chǎn)該方法消耗的超極化分子緩慢且昂貴，因此該技術(shù)未被廣泛采用。使用金剛石 NV 色心有望實(shí)現(xiàn)更快、成本效益更高且可部署的解決方案。
量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目 MetaboliQs 正在尋求開(kāi)發(fā)基于 NV 金剛石的 HP-MRI 技術(shù)。他們最近從概念驗(yàn)證轉(zhuǎn)變?yōu)樾阅芴岣吡?1000 倍的原型。政府計(jì)劃將在加速該技術(shù)適應(yīng)各種應(yīng)用方面發(fā)揮重要作用。
軟件是連接人與機(jī)器的橋梁，通過(guò)軟件才能發(fā)揮機(jī)器的作用。在數(shù)字革命中，軟件被認(rèn)為是至關(guān)重要的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域，許多人期望在新的量子革命中同樣如此。各種各樣的參與者正在研究不同的策略。如今，早期的量子社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)初步形成。
量子計(jì)算云服務(wù)
IBM Q：過(guò)去四年中，IBM Cloud 上部署了 28 個(gè)量子計(jì)算系統(tǒng)，其中 8 個(gè)系統(tǒng)的量子體積達(dá)到 32。IBM Q Network 擁有 115 家客戶(hù)、政府、初創(chuàng)企業(yè)、合作伙伴及高校成員。IBM Quantum Experience 注冊(cè)用戶(hù)數(shù)超過(guò) 25 萬(wàn)，用戶(hù)定期通過(guò) IBM Cloud 在 IBM 量子系統(tǒng)運(yùn)行電路超過(guò) 10 億。研究人員利用 IBM 量子系統(tǒng)已發(fā)表 250 多篇學(xué)術(shù)論文。IBM 用于商業(yè)的量子計(jì)算機(jī)服務(wù) IBM Q 取得了階段性的成功。
當(dāng)其他競(jìng)爭(zhēng)者開(kāi)始建立自己的量子社區(qū)時(shí)，IBM 也不例外。他們指出在不斷發(fā)展的供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)中，可以提供與 Qiskit 兼容的庫(kù)和工具，而不只是 IBM 硬件。2021 年 11 月 1 日，IBM 提出了一個(gè)度量量子性能的新指標(biāo)-CLOPS（Circuit Layer Operations Per Second），稱(chēng)之為每秒線(xiàn)路層操作數(shù)，即衡量處理器可以執(zhí)行與用于測(cè)量量子體積的相同類(lèi)型的參數(shù)化模型線(xiàn)路層的速度。
除 IBM 外，D-Wave 在 2018 年 10 月推出了 Leap 云平臺(tái)，基于 D-Wave 量子退火處理器提供量子計(jì)算云服務(wù)。量子計(jì)算先驅(qū) Rigetti Computing 推出了Rigetti 量子云服務(wù)(QCS)，一個(gè)利用 Rigetti 的混合量子及經(jīng)典方法開(kāi)發(fā)和運(yùn)行量子算法的完整平臺(tái)。
量子優(yōu)勢(shì)是使用量子計(jì)算技術(shù)解決重要或有價(jià)值的業(yè)務(wù)問(wèn)題。最近，越來(lái)越多實(shí)力雄厚的量子公司開(kāi)始投入量子云服務(wù)平臺(tái)的研發(fā)當(dāng)中。亞馬遜 AWS 發(fā)布量子計(jì)算服務(wù) Braket，此外，AWS 還將啟動(dòng) AWS 量子計(jì)算中心和亞馬遜量子解決方案實(shí)驗(yàn)室，推動(dòng)更多量子計(jì)算的合作。
高性能模擬器
對(duì)于量子開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，高性能模擬是關(guān)鍵一環(huán)。隨著要模擬的量子比特?cái)?shù)量增加，量子模擬器的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。IBM Quantum 支持一系列離線(xiàn)和在線(xiàn)模擬器。谷歌的高性能開(kāi)源量子電路模擬器 Qsim 已證明能在 111 秒內(nèi)在一個(gè)谷歌云節(jié)點(diǎn)中以 14 柵極深度模擬一個(gè) 32 量子比特量子電路。Amazon Braket 和 Azure Quantum 則非常重視靈活配置傳統(tǒng)云硬件以滿(mǎn)足用戶(hù)需求的能力。Amazon Braket 提供完全托管的高性能張量網(wǎng)絡(luò)模擬器 (TN1)，這種基于張量網(wǎng)絡(luò)的電路模擬器可以支持高達(dá) 50 個(gè)量子比特的量子計(jì)算模擬。
Atos 是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的全球領(lǐng)導(dǎo)者，同時(shí)也是第一個(gè)成功模擬量子噪聲的公司。其開(kāi)發(fā)的量子模擬器Atos 量子機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)（Atos QLM）被稱(chēng)為世界上性能最好的商用量子模擬器，該模擬器將高功率、超緊湊的機(jī)器與通用編程語(yǔ)言相結(jié)合，使研究人員和工程師能夠開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)量子軟件。Atos 已在奧地利、丹麥、法國(guó)、德國(guó)、荷蘭和美國(guó)等國(guó)家安裝了量子學(xué)習(xí)機(jī)，量子模擬器能夠模擬多達(dá) 40 個(gè)量子比特。
國(guó)內(nèi)云產(chǎn)品目前強(qiáng)調(diào)研發(fā)量子計(jì)算模擬器。華為的 HiQ 2.0（出于監(jiān)管原因僅在亞洲使用）最多可模擬 42 量子比特 。阿里巴巴的 AC-QDP 聲稱(chēng)即使在 50 量子比特時(shí)也可用于某些應(yīng)用。本源量子最近通過(guò)訪(fǎng)問(wèn) 6 比特量子處理器之一（計(jì)劃擴(kuò)展到 24 比特，正在進(jìn)行中）推出了基于真實(shí)量子計(jì)算機(jī)的云。
量子編譯器
與傳統(tǒng)編譯器相比，優(yōu)化量子編譯器是量子研發(fā)階段的一大挑戰(zhàn)。量子計(jì)算設(shè)備存在物理量子比特之間的有限連接，使得只能在有限的量子比特對(duì)上應(yīng)用雙門(mén)。現(xiàn)實(shí)世界中的量子設(shè)備是存在噪音的，但是可以研發(fā)一種用于表征大型量子計(jì)算機(jī)噪聲的算法以解決這一問(wèn)題。從技術(shù)上講，我們實(shí)際上經(jīng)常在談?wù)撧D(zhuǎn)碼操作，因此互操作性是一個(gè)有用的功能。
編譯器市場(chǎng)中出現(xiàn)了幾個(gè)富有前景的方向，都是建立在深厚的專(zhuān)業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)上，這些專(zhuān)業(yè)知識(shí)在許多情況下是互補(bǔ)而不是競(jìng)爭(zhēng)。隨著在早期在量子硬件上實(shí)施糾錯(cuò)代碼的競(jìng)爭(zhēng)日漸激烈，編譯器創(chuàng)新又將迎來(lái)新的浪潮。
量子操作系統(tǒng)
量子軟件行業(yè)的前景令人印象深刻，但是在量子計(jì)算機(jī)硬件高速增長(zhǎng)的今天，如果沒(méi)有操作系統(tǒng)，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用性將會(huì)大打折扣。
Deltaflow.OS是一個(gè)新的全棧量子操作系統(tǒng)。由量子計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)商 Riverlane 牽頭的財(cái)團(tuán)從英國(guó)政府獲得 760 萬(wàn)英鎊的撥款，用于部署高度創(chuàng)新的量子操作系統(tǒng) Deltaflow.OS。與其他旨在吸引早期用戶(hù)的軟件平臺(tái)形成鮮明對(duì)比的是，Deltaflow.OS 解決了一個(gè)非常重要的問(wèn)題：實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的交互，并充分利用量子計(jì)算性能。為此，它提供了加速開(kāi)發(fā)、低延遲以及在應(yīng)用程序和控制層之間進(jìn)行靈活交互的潛力。
Deltaflow.OS：量子處理器通常由常規(guī)主機(jī)處理器驅(qū)動(dòng)。在這兩者之間，設(shè)想一個(gè)由全局和本地控制節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)。Deltaflow.OS 簡(jiǎn)化了將自定義代碼獲取到由 FPGA 實(shí)現(xiàn)的控制節(jié)點(diǎn)上的任務(wù)，強(qiáng)調(diào)了簡(jiǎn)化的指令集實(shí)現(xiàn)，這些實(shí)現(xiàn)更易于調(diào)試。這種方法有望縮短研發(fā)周期。它還使用分布式而不是分層的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)概念，并公開(kāi)了整個(gè)量子計(jì)算堆棧的不同元素，這些功能有望最大程度地減少運(yùn)行時(shí)的延遲。
Deltaflow.OS現(xiàn)已發(fā)布第一個(gè)版本，該版本與 ARTIQ（一種流行的離子阱控制系統(tǒng)）集成為「Deltaflow-on-ARTIQ」。這是該公司開(kāi)發(fā)支持量子計(jì)算的技術(shù)的最新里程碑，標(biāo)志著 Riverlane 朝著構(gòu)建高性能、可移植于所有量子比特技術(shù)、可擴(kuò)展到數(shù)百萬(wàn)量子比特的量子操作系統(tǒng)的目標(biāo)邁出了重要一步。
量子算法
隨著 IonQ 和霍尼韋爾推出的量子技術(shù)新設(shè)備，人們也在努力探索量子計(jì)算的具體實(shí)現(xiàn)路徑。QC Ware 在 IonQ 的 11 量子比特設(shè)備上展示了他們最近使用的質(zhì)心算法和 Forge 數(shù)據(jù)加載器；Zapata 建了企業(yè)級(jí)、量子賦能的軟件，可以針對(duì)大量行業(yè)和用戶(hù)，允許用戶(hù)建立量子工作流，并在一系列量子和經(jīng)典設(shè)備上自由執(zhí)行；Rahko 展示 VQE 和 QML 技術(shù)的有趣組合，在霍尼韋爾 HS0 量子計(jì)算機(jī)上發(fā)現(xiàn)了 2Q 和 4Q 分子的第一個(gè)激發(fā)態(tài)。
VQE（變分量子特征值求解算法）：用于模擬化學(xué)反應(yīng)過(guò)程——分子級(jí)電子能量的 HartreeFock 計(jì)算上。盡管所執(zhí)行的計(jì)算也可以在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，但該實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了許多用于量子化學(xué)模擬的關(guān)鍵構(gòu)建模塊，為實(shí)現(xiàn)針對(duì)化學(xué)問(wèn)題的量子計(jì)算鋪平了道路。
化學(xué)公式（Trotterisation）：用于模擬 8 位 1D Fermi-Hubbard 模型在材料科學(xué)中很受歡迎。令人驚訝的是，Google 能夠成功實(shí)現(xiàn)量子算法所需的量子電路深度接近 500，比當(dāng)前設(shè)備所期望的深度還要深得多。在多次化學(xué)量子模擬的情況下，Google 展示基于 N 表示性的錯(cuò)誤緩解決策，極大地改善了實(shí)驗(yàn)的有效保真度。
隨機(jī)數(shù)和抽樣：作為早期的量子計(jì)算服務(wù)產(chǎn)品，許多學(xué)者正在研究隨機(jī)數(shù)。
? 可證明的隨機(jī)數(shù)——Google 報(bào)告了通過(guò)質(zhì)詢(xún)和響應(yīng)協(xié)議提供隨機(jī)數(shù)的進(jìn)展。這是 Google 第一個(gè)用于商業(yè)領(lǐng)域的量子設(shè)備，主要缺點(diǎn)在于成本較高。
? 可驗(yàn)證的隨機(jī)數(shù)——CQC 展示如何使用現(xiàn)有的量子設(shè)備來(lái)實(shí)施基于云技術(shù)的 QRNG 服務(wù)。通過(guò) Bell 測(cè)試，可驗(yàn)證產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)來(lái)自量子源。beta 版 QRNG 服務(wù)已可用于 IBM Quantum 網(wǎng)絡(luò)。但在該協(xié)議中，用戶(hù)仍然必須信任云服務(wù)提供商，因此該應(yīng)用程序目前正在與其他擁有 QRNG 解決方案的公司進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。
? 高斯玻色取樣——九章提出了「量子優(yōu)越性」這一定義，再次吸引了人們對(duì)高斯玻色取樣的關(guān)注，并將其作為早期量子設(shè)備的候選算法。
伯克利的 Umesh Vazirani 將經(jīng)典密碼學(xué)與量子領(lǐng)域進(jìn)行結(jié)合，解決了量子計(jì)算中最根本的問(wèn)題之一，即如果你讓一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)為你執(zhí)行一個(gè)計(jì)算，那么你如何確定它確實(shí)執(zhí)行了你的指令，甚至如何得知它是否做了與量子相關(guān)的事情。
優(yōu)化基準(zhǔn)測(cè)試 ：早期的優(yōu)化算法有 QUBO 和 QAOA 以及在傳統(tǒng)硬件上運(yùn)行的量子啟發(fā)算法。BBVA已完成一系列針對(duì)金融領(lǐng)域應(yīng)用的前期項(xiàng)目，其中包括初創(chuàng)公司 Multiverse Computing 和 Zapata。BBVA 與 Multiverse 的合作是動(dòng)態(tài)投資組合優(yōu)化的一個(gè)經(jīng)典案例，該投資組合現(xiàn)在已用于各種早期量子硬件的評(píng)估中，包括對(duì) NISQ、量子退火解決方案和量子啟發(fā)算法的測(cè)試。BBVA 的結(jié)果表明，量子退火解決方案和量子啟發(fā)算法可以很好地解決投資組合問(wèn)題。
量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法
許多人認(rèn)為 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)是量子計(jì)算的關(guān)鍵。量子計(jì)算的未來(lái)，就像量子狀態(tài)本身一樣， 仍然是不確定的。但量子計(jì)算的前景是光明的。
IBM 的最新理論工作首次證明，即使僅訪(fǎng)問(wèn)經(jīng)典數(shù)據(jù)，也可以在某些受監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)加速。QC Ware QC Ware 開(kāi)發(fā)了兩種類(lèi)型的數(shù)據(jù)加載器，即并行數(shù)據(jù)加載器和優(yōu)化數(shù)據(jù)加載器，它們都將經(jīng)典數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為量子狀態(tài)以用于機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用，而且還可以使用一種優(yōu)化的距離估計(jì)算法。微軟提出了一個(gè)普遍的觀點(diǎn)，為避免「輸入瓶頸」，應(yīng)著眼于「小數(shù)據(jù)，大計(jì)算」。例如，CQC成立了一個(gè)團(tuán)隊(duì)來(lái)研究量子自然語(yǔ)言處理的相關(guān)問(wèn)題。
迄今為止，量子機(jī)器學(xué)習(xí)的大部分成功的實(shí)驗(yàn)都采用了一種不同的方法，那些實(shí)驗(yàn)里量子系統(tǒng)不僅只是模擬了網(wǎng)絡(luò)；它們本身就是網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)量子比特代表一個(gè)神經(jīng)元。盡管缺乏指數(shù)化的力量，但是這樣的裝置可以利用量子物理學(xué)的其他特性。
當(dāng)前，量子技術(shù)研究已成為世界科技研究的一大熱點(diǎn)，世界各主要國(guó)家高度關(guān)注量子信息技術(shù)發(fā)展，紛紛加大政策和資金支持，力爭(zhēng)搶占新興信息技術(shù)制高點(diǎn)。
歐盟
歐洲國(guó)家很早就意識(shí)到量子信息處理和通信技術(shù)的潛力。2014 年英國(guó)已啟動(dòng)「國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃」，計(jì)劃投資超過(guò)10億英鎊建立量子通信、傳感、成像和計(jì)算四大研發(fā)中心，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研合作。2016 年德國(guó)提出「量子技術(shù)——從基礎(chǔ)到市場(chǎng)」框架計(jì)劃，并預(yù)計(jì)投資 6.5 億歐元。
2016 年，歐盟推出的「量子技術(shù)旗艦計(jì)劃」，并通過(guò)調(diào)整其他計(jì)劃（例如其數(shù)字和太空計(jì)劃）的支出，增加其可用資金，為實(shí)現(xiàn)未來(lái)的「量子互聯(lián)網(wǎng)」遠(yuǎn)景奠定基礎(chǔ)。2020 年 5 月，歐盟「歐洲量子技術(shù)旗艦計(jì)劃」官網(wǎng)發(fā)布了《戰(zhàn)略研究議程（SRA）》報(bào)告。估計(jì) 10 年內(nèi)歐盟在整個(gè)量子技術(shù)旗艦計(jì)劃中的相關(guān)量子支出為 30-40 億歐元。
「旗艦計(jì)劃」——在拓展階段，這個(gè)計(jì)劃中的 19 個(gè)項(xiàng)目遍及量子計(jì)算、通信、模擬、傳感和計(jì)量以及基礎(chǔ)科學(xué)。2020 年，這些項(xiàng)目通過(guò)了中期審查，同時(shí)啟動(dòng)了兩個(gè)新項(xiàng)目——QLSI 將硅自旋量子比特添加到已經(jīng)成為目標(biāo)的超導(dǎo)和離子阱量子比特的行列中；NEASQC 專(zhuān)門(mén)針對(duì) NISQ 應(yīng)用程序，解決許多人認(rèn)為缺乏軟件重點(diǎn)的程序的平衡問(wèn)題。
北美
加拿大在現(xiàn)代量子科學(xué)方面有著杰出的貢獻(xiàn)，尤其是 Gilles Brassard 1984 年提出的著名的 BB84 量子密碼協(xié)議。2002 年，加拿大首創(chuàng)的量子計(jì)算研究所（IQC）在滑鐵盧大學(xué)成立。在 2008-2018 年，量子科學(xué)和技術(shù)投資超過(guò)10 億加元。
2017 年，加拿大國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）發(fā)起了一個(gè)名為「Quantum Canada」的計(jì)劃。對(duì)于加拿大來(lái)說(shuō)，總部位于加拿大或與加拿大有緊密聯(lián)系的知名量子公司的數(shù)量眾多。例如 D-Wave、Xanadu、1QBit、Quantum Benchmark、evolutionQ、Zapata 和 ISARA。其中，創(chuàng)意破壞實(shí)驗(yàn)室（CDL）一直是量子行業(yè)初創(chuàng)企業(yè)的標(biāo)桿。
2020 年，加拿大量子產(chǎn)業(yè)通過(guò)成立新的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，來(lái)鞏固這一地位。2020 年，溫哥華的數(shù)字技術(shù)超級(jí)集群也宣布共同投資資金達(dá) 1.53 億加元。
美國(guó)在量子科學(xué)方面的投資歷史悠久，從 20 世紀(jì) 90 年代即開(kāi)始將量子信息技術(shù)作為國(guó)家發(fā)展的重點(diǎn)，在量子相關(guān)學(xué)科建設(shè)、人才梯隊(duì)培養(yǎng)、產(chǎn)品研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)行大量布局，聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)對(duì)量子計(jì)算領(lǐng)域的支持在每年 2 億美元以上。近兩年來(lái)，美國(guó)政府頻繁參與量子計(jì)算布局。
2018 年 12 月，美國(guó)政府正式頒布《國(guó)家量子計(jì)劃法案》，制定長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，計(jì)劃在未來(lái) 5 年向相關(guān)領(lǐng)域投入 12 億美元研發(fā)資金。2019 年 2 月，白宮發(fā)布未來(lái)工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，將量子信息科學(xué)視為美國(guó)未來(lái)發(fā)展的四大支柱之一。
2020 年是美國(guó)國(guó)家量子倡議(NQI) 計(jì)劃的第二年，并且隨著該計(jì)劃的真正成形，人們也看到了量子科技發(fā)展的亮點(diǎn)。NQI 將在 2019-2023 年支出 13 億美元，大量私人資金也已投入其中，在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)設(shè)立了 3 個(gè)新的量子飛躍研究所。這些以學(xué)術(shù)為主導(dǎo)的研究所將支持不同領(lǐng)域的研究。在美國(guó)能源部啟動(dòng)量子戰(zhàn)略之后，美國(guó)國(guó)防部根據(jù)美國(guó)能源部的 17 個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的初始骨干網(wǎng)絡(luò)，提出了量子互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略藍(lán)圖。
中國(guó)
「五年規(guī)劃」（尤其是2006年）以來(lái)，中國(guó)一直推動(dòng)著科技領(lǐng)域的發(fā)展，中央和省級(jí)資金已經(jīng)投入超 15 億美元，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)已經(jīng)成為世界上主要的量子研究中心。迄今為止，中國(guó)擁有全球最大的已部署 QKD 網(wǎng)絡(luò)，并在先進(jìn)空間量子通信技術(shù)方面繼續(xù)保持世界領(lǐng)先地位?！改犹?hào)」衛(wèi)星和九章量子處理器是該計(jì)劃成功的標(biāo)志。
據(jù)官方媒體報(bào)道，到 2022 年，對(duì)量子科學(xué)領(lǐng)域的投資將達(dá)到近 150 億美元（1000 億元人民幣）。目前，正在建立量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（NLQIS）的網(wǎng)絡(luò)：
? NLQIS 合肥：將成為世界上最大的量子研究機(jī)構(gòu)以及該計(jì)劃的總部。將重點(diǎn)關(guān)注光子、金剛石 NV 色心和硅自旋量子比特技術(shù)以及量子通信和量子感測(cè)。
? NLQIS 北京：該分支將專(zhuān)注于理論、離子阱和拓?fù)淞孔颖忍亍?/span>
? NLQIS 上海：該分支將專(zhuān)注于超導(dǎo)量子比特和超冷原子以及自由空間量子通信。
阿里巴巴、百度、騰訊和華為都在量子技術(shù)上進(jìn)行了量子投資。國(guó)盾量子和本源量子是著名的創(chuàng)業(yè)公司?！甘奈逡?guī)劃」詳細(xì)介紹了該計(jì)劃，計(jì)劃將于 2021 年正式通過(guò)。一個(gè)關(guān)鍵概念是「雙循環(huán)」，包括減少對(duì)外國(guó)高科技的依賴(lài)，同時(shí)增加對(duì)外國(guó)投資的開(kāi)放度。同時(shí)，創(chuàng)新也是一個(gè)關(guān)鍵主題。
參考鏈接：
http://www.rmlt.com.cn/2021/0818/622293.shtml
https://news.mydrivers.com/tag/liangzijisuanji.htm
https://mp.weixin.qq.com/s/IuHO44NX6ietEfcklZ7MBA
2021-11-26
2021-11-19
2021-07-15
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