2020年量子计算技术发展综述

朱小伶

2020年量子计算技术发展综述

朱小伶

（社会安全风险感知与防控大数据应用国家工程实验室，中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京 100041）

量子计算技术是当今世界最具颠覆性的前沿技术之一，已成为世界主要国家进行高新技术竞争的重要领域。对量子计算领域的研究进行了综合评述，并对其宏观发展趋势进行了分析。首先分析世界上主要国家均对量子信息技术寄予厚望，制定了雄心勃勃的国家级发展计划，以抢占新一轮科技革命的战略高地；随后介绍2020年世界范围内的量子计算机研发现状，成绩斐然、呈现“追逐战”趋势；然后概述量子计算在美国陆、海、空、网等多军兵种的军事应用。最后，分析未来量子计算发展趋势和宏观态势。综述表明，量子计算发展具有重大科学意义、战略价值、军用潜力，是一项对传统技术体系产生革命性冲击、进行颠覆式重构的重大技术创新，将引领新一轮科技革命、产业变革、军备变革方向。

量子计算；国家战略；量子计算机；量子霸权；人工智能；军事应用

1 引 言

2016年8月，中国墨子号量子科学实验卫星成功发射升空，“量子”这个神秘的概念，在公众面前掀起面纱。2019年10月，谷歌公司正式在《自然（Nature）》期刊上发表了关于验证“量子霸权”的论文[1-2]。近年来，量子计算技术发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。加快发展量子科技，对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用[3-5]。2020年10月，中共中央政治局就量子计算研究和应用前景举行第二十四次集体学习，习近平总书记指出，安排这次集体学习，目的是了解世界量子科技发展态势，分析我国量子科技发展形势，更好地推进我国量子科技的发展。

2 量子计算发展战略规划概况

近年来，在新一轮科技革命和产业变革之际，量子科技已经成为继人工智能之后，各国竞相角逐的又一关键性前沿科技领域[6]。以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子计算信息技术的研究与应用在全球范围内加速发展[7-10]，世界主要国家均对量子信息技术寄予厚望，制订了雄心勃勃的发展计划，以抢占新一轮科技革命的战略高地。根据美国国会通过的《国家量子计划法案》，未来十年内美国还将在量子技术上投入超过12亿美元。尤其是进入2020年以来，美国不断加快推进量子计划，促进量子计算与人工智能耦合式发展，开启抢占未来发展高地的新十年。

2019年以来，特别是美国《国家量子计划法案》颁布后，美国在量子计算上的投资与日俱增、量子技术渐入现实。2020年，美国（批复）成立多个量子研究机构和联盟：白宫科技政策办公室、国家科学基金会和美国能源部宣布未来5年投资10亿美元成立12个人工智能和量子研究机构；美国成立马里兰量子联盟，加强技术交流，共同确定量子信息科学未来发展中的关键问题和重大挑战，简化技术转化流程，旨在培育一个包含政府、学术界、产业界等多方在内的量子信息科学生态体系。美国出台多项报告或草案，规划和支持量子计算技术发展：美国量子协调办公室发布《美国量子网络战略构想》（图1），明确提出美国将开辟“世界首个量子互联网”，启动开发人类历史上首个“量子互联网”计划[11]。根据该份文件，美国计划未来5年内实现量子网络基础科学和关键技术的突破与改进，20年内利用量子安全、传感和计算模式等来实现传统技术无法实现的新功能；美国白宫向美国国会提交了2021年联邦政府预算报告草案，在联邦研发预算整体增幅不大的情况下，美国政府建议削减其他关键领域的联邦研究经费，大幅度增加各部门在量子信息科学等方面的投资，这是美国为维持全球领先地位、在量子信息科技和人工智能上的又一次加码；美国人工智能国家安全委员会（NSCAI）发布了2020年年中报告以及第三季度的建议，向国会提交的六方面建议就包括需要为与人工智能相关的技术发布互联的战略，其中包括量子计算和生物技术；此外，美国国家量子计划启动了其网站—— Quantum.gov（图2），该网站被定为该项目的大本营，并将报道正在进行的探索和促进量子信息科学的活动。

世界其他主要国家同样加紧量子布局步伐，以缩小与中、美之间的差距。欧盟24个成员国共同开展《欧盟量子通信基础设施计划》，在未来10年共同研发和部署欧盟量子通信基础设施，旨在提升欧盟在量子技术、网络安全和产业竞争的实力。早在2018年10月，欧盟已投资10亿欧元启动为期10年的“欧洲量子技术旗舰计划”，该计划涵盖五个领域：量子通信、量子计算、量子模拟、量子计量和传感以及量子技术基础研究。2020年5月，该计划官网发布《战略研究议程（SRA）》报告，明确指出未来三年将推动建设欧洲范围的量子通信网络，完善和扩展现有数字基础设施。此外，由12家欧洲机构联合发起的“下一个量子计算应用”项目启动，该项目汇集了量子计算、高性能计算、人工智能、化学和能源管理等多学科的学者与行业专家，旨在推动噪声中间尺度量子设备的实际使用案例的问世。英国方面，启动的量子计算商业化项目DISCOVERY计划是迄今为止英国最大的行业主导的量子计算项目，旨在解决量子计算在商业化道路上的技术障碍。光学和量子系统的国际供应商M Squared将与八个在各自领域中处于领先地位的合作组织（包括中性原子、离子阱和量子计算光学量子比特方法）协调DISCOVERY项目（图3）。俄罗斯方面，俄罗斯国家原子能集团公司与俄罗斯量子研究中心宣布，将联合建立俄罗斯第一个“量子‒人工智能”实验室，致力于研究和开发基于量子计算机的机器学习和人工智能技术及其在核工业领域的应用；俄罗斯圣彼得堡国立信息技术、机械与光学研究大学正在利用俄罗斯铁路公司的基础设施打造量子互联网平台，量子互联网平台试验区将在2021年启动。印度方面，印度科技部公布了《国家量子技术与应用任务》，计划将在5年内予以共计800亿卢比（约79亿元人民币）的经费支持，全面提升印度量子科学的发展。日本方面，日本启动“量子人才培养项目”，旨在用10年时间培养“量子原住民”，将为青年人提供从年轻时代起就习惯于量子技术的环境，就像“网络原住民”在电计算机和互联网环境中长大一样。

图1 《美国量子网络战略构想》

图2 美国国家量子计划启动网站Quantum.gov

图3 量子系统供应商M Squared将参与协调英国最大的行业主导的量子计算项目DISCOVERY项目

3 量子计算机研究进展概况

规范场理论是现代物理学的根基，如描述基本粒子相互作用的量子电动力学、标准模型等都是满足特定群对称性的规范场理论。伴随着规范场理论半个多世纪的发展，科学家发现各种规范场方程求解的计算复杂度非常高，对超级计算机的数值计算能力形成了严重的挑战。于是，科学家提出了开发专用量子模拟器——量子计算机，来构建晶格规范场模型，在实验中通过对模拟器的各种参数的精准调控制备目标量子物态，并用量子气体显微镜成像等手段，观测所模拟的量子物态的相变、量子关联等性质，获得待研究规范场模型的各种物理性质[12]。

继2019年谷歌53个量子比特的量子计算机实现“量子计算优越性”之后，2020年世界范围内的量子计算机研发成绩斐然，呈现“追逐战”趋势。2020年6月，美国霍尼韦尔公司宣布研发出世界上最快的量子计算机，其H0量子计算机的量子比特为64个，是当时IBM量子计算机Raleigh的2倍；两个月后，霍尼韦尔量子计算机的量子比特从64个增加到128个，测试显示，对于全连接量子比特，平均单量子比特保真度为99.97%，平均两量子门保真度为99.54%；2020年10月，霍尼韦尔推出最新一代的离子阱量子计算机System Model H1，使用了“离子阱技术”，拥有10个完全连接的量子比特，可以达到128的量子体积。离子阱量子计算机具有量子比特品质高、相干时间较长、量子比特的制备和读出效率较高等三大特点。同样是追求离子阱技术，美国量子计算公司IonQ，推出了拥有32个“完美的”量子比特、量子体积预计超400万的量子计算机，并开设了新的可容纳至少10台量子计算机量子数据中心。2020年12月，中国科学技术大学构建了76个光子100个模式的量子计算原型机——“九章”[13]（图4），该成果标志着我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑——量子计算优越性（Quantum Supremacy，又称“量子霸权”）。该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度，比目前世界上最快的超级计算机“富岳”快100万亿倍。此外，美国各大科技巨头纷纷在2020年公布量子计算机与模拟技术路线图。如2020年7月，美国谷歌公司发布了将在2029年前实现100万个物理量子比特处理器的计划；2020年9月，美国IBM公司公布其量子计算机发展路线图，计划到2023年建造一台包含1000个量子比特的量子计算机（IBM目前最先进的量子计算机仅包含65个量子比特）。

作为全球十大著名量子初创公司的IonQ则率先提出了区别于谷歌在2019年和中国科学技术大学在2020年取得的“量子霸权”里程碑的新术语、新概念——“广义量子霸权”，并计划于2023年实现量子机器学习、2023年建成一台机架式量子计算机（计划在室温下高功率运行，所有计算机都会在量子网络上）、于2025年实现“广义量子霸权”，同时不同于传统物理量子位，该公司还设计出全新衡量量子计算能力的“算法量子位”，取以2为底数的IBM量子体积的对数。IonQ公司认为72个量子位会成为“广义量子霸权”的起点，同样也是量子计算机开始成为超级计算机的起点。整体而言，IonQ公司的量子计算技术与应用路线图专注于提高量子逻辑门操作的质量，以继续增加算法量子位元或可用量子位元，并致力于实现低开销的量子错误校正，并缩小物理量子位的数量，以进一步增强其度量值。

图4 量子计算原型机“九章”的光量子干涉实物图

4 量子计算应用概况

量子计算技术已在探测、通信、计算等领域初显身手，同样可以广泛应用于军事领域，并有可能引起战争基因的重大突变——通过技术重组或与其他技术融合，量子计算技术将对现代战争形态和制胜机理产生深远影响。目前，量子计算的军事应用领域已遍布陆、海、空、网等多军兵种。

陆军方面，美国陆军研究实验室正在量子技术领域探索研发新型作战系统。战场上，一旦全球定位系统（GPS）遭到干扰或者破坏，就会导致依赖传统GPS设备的美军士兵无法获取位置数据。美国陆军研究实验室正在进行的量子实验旨在为士兵提供便携式的定位、导航和授时系统，不使用GPS也能实现定位、导航、通信、授时以及战场探测。目前，美国陆军研究实验室量子研究工作的应用主要集中于原子钟、隧道或掩体探测器、通信和计算安全三个方面：第一，开发更便携的原子钟、计时设备以及惯性传感器（如加速计、旋转传感器和陀螺仪等）是陆军研究实验室近期量子研究工作的重点，该成果是未来替代全球定位系统的技术装备的核心部分；第二，基于量子计算技术的隧道或掩体探测器可对地下环境进行探测，通过发现由隧道或掩体等引起的环境质量异常变化，准确测定敌方隧道或掩体的信息，为实施后续打击提供情报信息；第三，通信和计算的安全性受益于量子纠缠（两个相距遥远的粒子之间具有的独特关联）研究，这方面的研究成果可直接用于满足陆军的需求。按照计划，未来战场上士兵的每一个动作都将使用陆军部队的量子技术装备完成。但是，目前量子装备研发的许多工程问题仍然停留在基础研究和组件层面上，只有把这些问题解决了，量子技术才能走出实验室，形成能在真实战场上使用的加固型装备。该实验室还与其他国防实验室、工业和学术界开展合作，共同探索可以直接应用于战场的量子技术。空军方面，美国空军研究实验室在2020年授出量子通信、计算、授时及感知等领域合同36份（总价值达540万美元）并计划在纽约成立一个新的量子信息科学创新中心，认为量子信息科学将在诸多方面影响未来的美国空军能力，主要包括在没有GPS信号或信号质量严重下降的定位导航中寻求类似GPS的精度、超安全的全球通信网络、与量子网络连接在一起的高精度传感器以及用于优化资产和资源分配的新计算范例、发现新材料以及人工智能的新颖应用等。美国空军研究实验室还发布一份全球100万美元挑战，为国际量子研究界寻求新兴领域的新解决方案。海军方面，美国海军部指定美国海军研究实验室为美国海军的量子信息研究中心。美军已将量子通信技术运用在核潜艇上，除了优越的加密性外[14]，此举也弥补了核潜艇因为通信发射出的电波可以被检测到这一致命缺点，被认为是应对中国在2020年初建成的世界首个民用低频大功率电磁波发射台，该发射台覆盖范围极其广泛、可让核潜艇无处遁形。此外，美国国防信息系统局（DISA）将抗量子加密技术列为2021财年重点关注的领域，宣布已开始密切关注其加密能力，以保护国防通信免受强大的量子计算机攻击。

随着主要竞争对手努力研发足以突破当前加密技术的量子计算能力，抗量子加密正变得越来越重要——尽管相关研发还需要数年时间，但量子计算机将使安全通信变得几乎“不可能实现”。因此，美国国防信息系统局积极寻求与美国国家标准技术研究所（NIST）和美国国家安全局（NSA）的合作，后两个机构目前正在开展抗量子计算的工作；同时通过扩大“基于云技术的互联网隔离（CBII）”项目，在美国国防部用户的互联网流量与美国国防部网络之间建立一个保护性的“缓冲区”从而提高电子邮件的安全性。此举的动因包括新冠疫情影响，由于美国国防部居家办公带来了新的网络安全风险，迫使美国国防信息系统局重新思考美国国防部的网络边界并组织“零信任”网络安全概念（从根本上不信任用户）的讨论。在美国国防信息系统局公布的修订后的2021—2022财年战略规划中，确认“零信任”对其修订后的网络防御重点领域而言是一项有利的工作。

图5 极低频发射系统调谐设施

5 量子计算发展趋势与宏观态势分析

量子力学及量子计算是人类探究微观世界的重大成果。量子计算发展具有重大科学意义、战略价值、军用潜力，是一项对传统技术体系产生革命性冲击、进行颠覆式重构的重大技术创新，将引领新一轮科技革命、产业变革、军备变革的方向。对未来量子计算发展趋势和宏观态势分析概述如下。

一是量子信息科学将迎来密集政策期，形成量子技术与人工智能的优势互补已成为世界主要国家的共识。在摩尔定律逐渐失效、冯·诺依曼架构遇到瓶颈、传统计算机计算能力有限等情况下，量子计算为进一步提高人工智能的数据分析处理能力、进一步获取高阶智能提供了有效途径。另外，量子计算的关键突破势必需要人工智能的参与——量子技术与人工智能的结合相辅相成，重点体现在量子计算赋能的人工智能、量子机器学习、量子模拟、量子启发式机器学习、智能控制量子硬件等方面。目前部分人工智能技术成果已经进入应用层，而量子计算尚处于早期。为抢占量子计算先机，世界主要国家自顶向下、通过出台国家战略等手段，不断强化量子计算在国家科技实力建设中的布局，例如，在美国2020年推出“量子互联网计划”之前，欧盟、日本、俄罗斯等世界主要经济体已经在积极布局。

二是世界范围内将在数据层面寻求与盟友更深度的合作，数据资源竞争加剧。当前人工智能与量子计算研究领域，数据“富国”和数据“穷国”阶层划分明显。例如，中国有足够庞大的市场需求和数据支撑，这是中国人工智能竞争特有的优势所在；而对于美欧等发达国家，其数据资源较为薄弱，因此为积累更多数据资源，势必将积极与其他国家达成合作：从技术竞赛到商业对垒，数据资源的争夺将是全方面、多主体的。

三是量子计算、人工智能等前沿科技领域的国际话语权的争夺将更加激烈。面向全球制定人工智能使用规范和技术标准[15]，通过与拥有共同利益和相同价值观的国家合作，推广本国的监管规范和技术标准、扩大影响力，是输出本国价值规则的常用路径——在目前量子计算竞赛刚刚打响的今天，这一趋势适用于任何试图在此赛道上领跑的国家。例如，美国白宫于2020年10月发布的《关键和新兴技术国家战略》（图6）就包括了量子信息技术，而且强调“引导全球技术发展的规范、标准和治理模式，使其反映民主价值观和利益”。此外，在技术标准、技术监管、科技伦理等领域的量子计算领域国际治理任务中，加强国家层面、企业层面的国际合作，寻求人工智能和量子计算技术发展的最大共识，也已列在世界主要国家的量子计算发展路线图中。

图6 美国《关键和新兴技术国家战略》

6 结束语

量子技术是当前世界上最具颠覆性的前沿技术之一，已成为世界主要国家进行高新技术竞争的重要领域。量子计算在未来不但使计算机的计算能力提高、通信更快，还能使传感技术更灵敏、信息精度更精确。

我国于2016年发布的《国家“十三五”规划纲要》支持战略性新兴产业发展中，就明确将量子通信作为重要发展方向；2017年，国家发展和改革委员会组织实施了量子保密通信“京沪干线”技术验证及应用示范项目；2019年底，国家信息中心、国科量子、国家数据通信工程技术研究中心联合组建了电子政务量子安全工程实验室；2019年12月中共中央、国务院发布的《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中明确，“加快量子通信产业发展，统筹布局和规划建设量子保密通信干线网，实现与国家广域量子保密通信骨干网络无缝对接，开展量子通信应用试点”；2020年3月，科技部《关于科技创新支撑复工复产和经济平稳运行的若干措施》中表示，要加大5G、人工智能、量子通信、脑科学、工业互联网、重大传染病防治、重大新药、高端医疗器械、新能源、新材料等重大科技项目的实施和支持力度——总体来看，我国已具备了在量子计算领域的世界领跑科技实力和创新能力。同时也要看到，我国量子计算发展存在不少短板、面临多重挑战：第一，我国在量子科技上的短板与现在信息技术的短板类似，如支撑设备、关键核心元器件等，也涉及量子计算技术的一些问题，因此，加强关键核心元器件这种高端技术材料、设备的研发是今后一段时间需要解决的关键问题[16]；第二，需要系统总结我国量子科技发展的成功经验，借鉴国外的有益做法，深入分析研判量子科技发展大势，找准我国量子科技发展的切入点和突破口，统筹基础研究、前沿技术、工程技术研发，培育量子通信等战略性新兴产业，抢占量子科技国际竞争制高点；第三，目前量子技术的应用前景尚不完全清晰，从“实验室”走向“产业链”还需要较长时间，因此需加强量子技术领域的产学研合作，将研究机构与产业界联系起来，促进技术、人才、产品、市场等要素的有效沟通，推动量子通信、量子网络等产业化应用，实现技术突破与产业化并行。

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Survey of Quantum Computing Technology in 2020

ZHU Xiaoling

(National Engineering Laboratory for Risk Perception and Prevention (RPP), China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China)

Quantum computing technology is one of the most disruptive cutting-edge technologies in the world, and has become an important field of high-tech competition among major countries. In this paper, the research in the field of quantum computing is reviewed, and the further macro development trend is presented. This paper firstly analyzes that the major countries in the world place high hopes on quantum information technology and formulates ambitious national development plans, to seize the strategic highland of the current new round of scientific and technological revolution. Then the world-wide research and development of quantum computer in 2020, with remarkable achievements and “chasing war” trend, is introduced. Besides, this paper summarizes the military applications of quantum computing technology in the U.S. land, sea, air, network and other military services. Finally, this paper analyzes the development trend and macro situation of quantum computing in the future. This survey shows that, the development of quantum computing has great scientific significance, strategic value and military potential. It is a major technological innovation which has a revolutionary impact on the traditional technology system and carries out subversive reconstruction. Hence, it will lead a new direction of scientific and technological revolution, industrial revolution and armament revolution.

Quantum Computing；National Strategy；Quantum Computer；Quantum Superiority；Artificial Intelligence；Military Application

O641

A

2096–5915(2021)02–26–07

10.19942/j.issn.2096‒5915.2021.2.015

朱小伶. 2020年量子计算技术发展综述[J]. 无人系统技术，2021，4(2)：26–32.

2021–01–03；

2021–03–03

全国一体化国家大数据中心先导工程（17111001）

朱小伶（1993‒），女，硕士，工程师，主要研究方向为人工智能、大数据、前沿信息技术等。