量子計算關鍵技術研究進展

來源：信息通信技術與政策

作者：王敬，張萌 等

摘要

量子計算具備可能超越經典計算的潛在能力，近年來在技術研究、應用探索及產業生態培育等方面取得諸多進展，整體發展進入快車道，已成為全球多國科研布局與投資熱點。重點梳理分析量子計算關鍵技術研究進展、應用探索開展態勢和產業生態培育等，并對未來發展趨勢進行展望。

0 引言

隨著人類對于量子力學原理的認識、理解和研究不斷深入，以及對于微觀物理體系的觀測和調控能力不斷提升，以微觀粒子系統為操控對象，借助其中的量子疊加、量子糾纏等量子物理現象進行信息獲取、處理和傳輸的量子信息技術應運而生并蓬勃發展。量子信息技術主要包含量子計算、量子通信和量子測量三大領域[1]，有望在提升運算處理速度、信息安全保障能力、測量精度和靈敏度等方面突破經典計算瓶頸。量子信息技術已經成為信息通信技術演進和產業升級的關注焦點之一，在未來國家科技發展、新興產業培育、國防和經濟建設等領域，將產生基礎共性乃至顛覆性重大影響。量子計算是遵循量子力學規律進行信息處理的新型計算范式，以量子比特為基本單元，具有為某些計算困難問題提供加速的能力，是未來算力跨越式發展的重要方向之一，有望滿足量子模擬、量化金融、組合優化、人工智能等領域日漸增長的算力需求。

近年來，全球多個國家與地區持續加強量子計算領域的規劃布局，不斷投入資金支持。量子計算領域熱度不斷升高，科研創新活躍，超導和光量子路線實現量子計算優越性試驗驗證[2-5]，實用化應用探索多方展開，產業生態逐步構建，全方位多元化的發展格局正在形成。本文重點梳理分析量子計算最新研究進展、應用探索開展態勢和產業生態培育等，并對量子計算未來發展趨勢進行展望。

1 主流技術路線研究進展

量子計算歷經數十年發展，多方面研究與探索同步開展，逐漸形成集理論研究、樣機研制、應用探索和產業培育為一體的體系化發展格局。近年來，量子計算在技術研究、樣機研制、軟件開發、算法研究等方面取得諸多進展，重要成果層出不窮，而技術路線選擇是樣機研制中的重中之重。量子硬件通過制備、操作和測量量子比特，并基于單比特疊加和多比特糾纏的耦合與狀態演化實現高效并行計算模擬等功能，是量子計算樣機研發攻關亟待突破的問題。超導、離子阱、光量子、硅基量子點和超冷原子等技術路線處于并行發展和開放競爭狀態，尚未呈現融合收斂趨勢，近年亮點進展頗多，競爭較為激烈。此外，金剛石氮-空位（NV）色心路線、拓撲路線等也取得進展，目前仍處于基礎研究階段，未來發展值得期待。下面對主流技術路線進行總結和分析。

1.1 超導

超導技術路線是發展相對迅速的一種路線，核心器件為二能級系統超導約瑟夫森結，已衍生出Transmon、Xmon、Fluxonium等多種新型超導量子比特，具有可設計、可擴展、易控制、易耦合等優勢。近年來，超導技術路線在量子比特數量和保真度方面均有一定突破。2022年，Rigetti推出80量子比特Aspen-M系統，IBM發布433量子比特芯片Osprey[6]。美國勞倫斯伯克利國家實驗室在超導量子信息處理器中進行三量子比特高保真iToffoli本機門首次試驗演示，保真度達98.26%，阿里巴巴在新型Fluxonium系統中實現99.72%的雙比特門操控精度[7]。

超導技術路線主要瓶頸在于極低溫制冷環境帶來的工程挑戰，需要新穎和高度集成化的測控系統支持大規模量子比特操控，以及結合材料科學等提高相干壽命和保真度等。超導技術路線是實現通用量子計算有力競爭者之一，已獲得諸多科研機構、科技企業和初創公司支持，比特數量穩步提升，每秒電路層操作數等指標占優。

1.2 離子阱

離子阱技術路線是另一種受關注程度較高的路線，基本原理是利用電荷與磁場間的交互作用力形成勢阱，從而操控帶電粒子構建二能級量子比特，具有無需極低溫冷卻、量子比特物理全同、相干時間長等優勢。近年離子阱技術路線研究進展主要體現在保真度提升和全連接比特數增長等方面。2022年，Quantinuum提升Model H1系統量子體積至8 192[8]。IonQ離子阱量子處理器保真度達99.96%，并推出32 Qubit離子阱量子計算機IonQ Forte。2023年，Quantinuum的H1-1系統量子體積提升至32 768[9]。華翊博奧（北京）量子科技有限公司（簡稱“華翊量子”）推出37 Qubit離子阱量子計算原型機。

離子阱技術路線主要瓶頸挑戰在于離子囚禁時間有限，捕獲離子的狀態制備時間和量子門操作時間較長，單比特多路激光讀寫需求和線性阱尺度規模制約比特數擴展等。離子阱技術路線是通用量子計算另一個有力競爭者，未來樣機研發在真空、激光、微波和電子學等多個工程領域需持續攻關。

1.3 光量子

光量子技術路線原理是利用光子的多種自由度（例如偏振、相位和時間位置等）進行量子態編碼和量子位構建。主要優勢在于，與周圍環境相互作用弱、可常溫工作、相干時間長、保真度較高。近年光量子路線科研進展主要是量子優越性證明、光子糾纏操控試驗等。2022年，Xanadu[5]在光量子計算機Borealis上完成216 光子高斯玻色采樣試驗。德國馬克斯普朗克量子光學研究所展示雙光子CNOT門并實現14 光子糾纏操控[10]。

光量子技術路線主要瓶頸挑戰在于不同光子態之間構建雙量子比特門和實現邏輯操作，以及高品質光源與光子探測性能待提升等。未來基于集成光學芯片的光量子計算方案或將成為發展演進的重要方向。

1.4 硅基量子點

硅基量子點技術路線的基本原理是在硅或砷化鎵等半導體材料制備門控量子點來編碼量子比特。優勢在于，可擴展性好、門操作速度快、與成熟集成電路工藝相兼容。近年亮點成果在于量子比特數量和保真度的提升。2022年，《自然》雜志發表三種不同實現方案的硅基量子處理器雙量子比特門保真度達到99%以上[11]。另外，Intel實現12位硅自旋量子比特[12]。

硅基量子點技術路線主要瓶頸挑戰在于噪聲影響明顯，保真度較低，需要提純材料以延長相干壽命，量子位間存在干擾與串擾等。由于硅基量子點技術路線與經典電子學可兼容，經典電子學的發展很有可能提升量子處理器擴展性。未來， 克服電子自旋易受電磁環境影響將是硅基量子點科研攻關的主要目標。

1.5 超冷原子

超冷原子技術路線通過被稱為光鑷的緊密聚焦激光束陣列，約束超冷原子在超高真空中懸浮，并基于此構建二能級系統。優勢在于長相干時間和超高維列陣構建能力。近年在超高維列陣構建能力與量子模擬方向得到應用。2022年，美國芝加哥大學實現512 位雙元素二維原子陣列[13]。Pasqal捕獲324 位量子比特的超冷原子大型量子處理器陣列[14]。

超冷原子技術路線主要挑戰是需要克服激光控制系統復雜性影響，進一步提升邏輯門操控能力和保真度等。超冷原子技術路線適用于求解量子哈密頓量和模擬量子處理，未來不但可用于研究和解決凝聚態物質中諸多物理問題的典型模型，還有望用于模擬研究分析量子化學、多體物理、凝聚態物理、核物理等諸多復雜體系和現象。

總體而言，量子計算樣機研制已成為全球主要國家和地區在前沿科技領域攻關突破的重點方向之一，不同技術路線具有自身的獨特優勢，超導與離子阱持續領跑，光量子實現量子計算優越性試驗驗證，硅基量子點與超冷原子的發展值得期待，技術路線發展整體仍呈現多元并行的態勢，尚未實現技術收斂。

2 應用探索方向概況

量子計算硬件的飛速發展使得含噪聲的中型量子（Noisy Intermediate-Scale Quantum，NISQ）時代已然來臨，以量子計算機為基礎開展的應用場景探索，已逐漸成為業界的研究熱點，旨在為諸多行業提供更高效的量子計算解決方案。近年來，應用探索主要集中在量子模擬、量子組合優化以及量子線性代數等方向，代表性行業應用探索情況如表1所示。

表1 量子計算行業應用探索概況

2.1 量子模擬

量子模擬能夠在原子尺度模擬微觀系統相互作用，對微觀世界行為產生洞察力，對科學研究、工業制造和社會發展均有望產生巨大影響，近年來已成為研究熱點。2022年，IBM展示“Entanglement Forging”技術用于量子模擬并使得量子比特數量減半[15]。中國科學技術大學搭建超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺實現均勻費米氣體的制備[16]。Google實現16 bit費米子量子蒙特卡羅模擬[17]。

量子模擬應用探索主要集中在物理模型、化學工業、生物制藥、材料研究等領域，使用量子計算機模擬量子系統的運行狀態，具備真實接近系統自然狀態原貌的優勢，目前正在從提供物理現象的定性演示向為應用問題提供解決方案的方向發展。

2.2 量子組合優化

數學中的優化問題，簡而言之即利用數學方法尋找離散事件中的最優解或進行最優的編排、分組，組合優化問題是目前算法中最熱門的問題之一，搜索空間往往隨著搜索規模呈指數級增長，導致有效時間內難以求解,或難以獲得全局性最優解。目前，在涉及復雜多變量組合優化的量化金融、交通規劃、氣象預測等領域，量子計算應用探索也在廣泛開展。2022年，Multiverse Computing推出奇點投資組合混合求解器用于量化投資優化分析[18]。Quantum-South發布基于量子計算的航空貨運優化應用程序[19]。PsiQuantum啟動Qlimate計劃旨在提供氣候相關計算問題的量子解決方案[20]。

量子組合優化有助于提升尋找優化方案的效率和準確性，對諸多復雜數學問題進行高效計算，具有將計算時間大幅縮小以實現實時優化等優勢，未來需要持續加大應用探索的深度和廣度，實現更多行業領域的量子組合優化案例。

2.3 量子線性代數

量子線性代數包含多種量子技術和方法，主要應用于量子機器學習、密碼破譯、信用評分等領域。其中，量子機器學習通過構建新型數據處理模型，將傳統機器學習算法中的部分關鍵步驟由經過驗證的量子算法代替，有望提升目前機器學習算法處理大數據的計算效率。2022年，Google使用40位超導量子處理器驗證量子主成分分析過程中的原理性優勢[21]。美國哈佛大學利用里德堡原子陣列構建量子遞歸神經網絡的認知任務學習試驗[22]。

量子線性代數利用量子計算的高效、解決復雜數學問題的能力，分析求解多行業領域的復雜數學問題，具有提升復雜數學問題計算效率等優勢。

綜上所述，量子計算相關領域的應用探索正在逐漸深入，總體處于發展的早期階段，在應用落地和產出實際價值方面仍面臨挑戰。未來應用探索的攻關方向主要集中在量子比特集成規模、應用算法設計等方面，并需要在加強量子計算與已有應用場景結合的同時，探索更多具有潛力的應用方向，并通過理論及試驗等方式判斷實際應用中量子計算相較于經典計算的優勢。

3 產業生態培育進展

近年來，量子計算領域熱度不斷升高，已成為全球前沿技術領域投資焦點之一，且投入力度不斷加大。與此同時，產業生態構建培育也成為近期熱點，各國和地區企業、研究機構不斷通過成立產業聯盟等方式，逐步培育量子計算產業生態系統。

3.1 市場融投資

量子信息領域市場融投資近兩年來呈爆發式增長趨勢，量子信息領域企業獲得市場高度關注以及大量資金支持，且投資高度集中于量子計算領域（見表2）。量子計算初創企業在歐洲和美國聚集度和關注度更高。大量的資金涌入既為量子計算樣機硬件研發、軟件開發、應用探索等方向提供創新支持和資源保障，也引發了技術炒作、夸大宣傳和行業泡沫等不同觀點和爭議。

表2 國內外量子計算企業融投資概況

2022年，美國Scorpion Capital[23]發布對量子計算上市公司IonQ的做空報告，指出其量子計算產品與應用局限，以及管理運行方面的問題，質疑其交付能力與商業模式。英國牛津大學學者[24]指出，資金涌入導致量子計算成就和前景夸大宣傳，行業泡沫不容忽視。以上觀點也引發業界回應，從技術發展成就、科技巨頭投入和應用探索前景等方面展開討論，各方對行業泡沫爭議的看法觀點不一。

量子計算是未來科技與產業發展變革的重要變量之一，已成為全球各國學術界、產業界和利益攸關方的普遍共識，近年來在技術研究和樣機研制等方面取得一系列重要進展，但樣機比特數量、質量和操控速度等性能指標仍有很大提升空間，軟硬件技術發展遠未成熟，應用探索與產業培育尚處起步階段。泡沫質疑是量子計算發展過程中的必經之路，也是量子計算在學術界和產業界反差氛圍中產生的必然結果。在政策與資金不斷涌入時，對量子計算領域的捧殺需要保持清醒和警惕。在無人區探索和技術應用成果的短期交付達不到預期時，對量子計算領域的發展需要保持戰略定力與信心，避免對未來構建技術產業競爭力產生不利影響。

3.2 生態培育

近年來，量子計算領域熱度不斷升高，各國和地區相繼出臺戰略政策以推動國內外科技公司和初創企業的發展。目前，全球已有數百家量子計算企業，研究覆蓋量子計算軟硬件、基礎配套、應用探索、用戶培育等多個方面，產業集聚度以美國和歐洲最高，量子計算產業生態體系正在逐步構建。

美國占據全球量子計算產業發展優勢，以科技公司Google、Microsoft、IBM、Intel、Honeywell、HP，以及初創企業IonQ、Rigetti等眾多具備較強技術實力和資金支持的企業為首，加速世界量子計算產業發展。從量子計算產業上層的應用服務、軟件開發到下層量子處理器研發和支撐系統配套研發等各層面，均有企業深入參與。企業積極進行量子計算原型機及軟件算法相關研發，積極與科研背景強大的科研院所和高校開展廣泛合作，對量子計算成果轉化和加速發展助力明顯。歐洲各國及地區也紛紛支持量子計算領域發展，積極制定量子計算發展戰略，部署諸多研究項目。歐洲量子企業大多為初創企業，代表性企業包括IQM、Atos、Qu&Co等，近年呈加速發展態勢。歐洲量子計算企業與美國等企業之間合作緊密，各企業通過與其他量子企業合作、與產業界企業合作等方式取得諸多研究進展與成果。除美國和歐洲大力發展量子計算外，加拿大、澳大利亞、日本、新加坡等也涌現出一批量子初創企業?？傮w而言，國際企業具有較強的技術實力，全方位推動基礎科學研究、應用場景探索和產業生態培育等方面的發展，激烈競爭的同時保持分工協作，有力推動量子計算的加速發展。國內的多家科技公司也致力于量子計算的研究，包括華為、百度、阿里巴巴、騰訊等。近年來，通過與科研院所合作或聘請知名科學家等方式成立相關實驗室，在硬件、軟件、算法、應用和量子計算云平臺等方面積極布局。除此之外，國內的量子初創企業也正大力推進量子計算各環節的研究與應用，代表性初創企業包括本源量子計算科技（合肥）股份有限公司、國開啟科量子技術（北京）有限公司、華翊量子、深圳量旋科技有限公司、上海圖靈智算量子科技有限公司等。我國科技企業在樣機研制、應用推動及產業培育等方面與國際企業相比存在差距，但正在積極追趕，產業培育等工作逐步得到重視和加強。

通過成立產業聯盟等方式發展和完善產業生態系統，已逐漸成為近期發展熱點。近年來，多個國家及地區均成立量子計算領域產業聯盟，成員單位涵蓋量子信息領域企業、眾多研究機構以及各應用領域重點企業。IBM成立的IBM Q Network目前已有包含政府及科研機構、初創企業、行業應用合作伙伴等在內百余家成員，覆蓋航空、銀行、能源等應用領域。Microsoft發起Microsoft Quantum Network與Northwest Quantum Nexus，主要包括解決方案合作方、下游潛在客戶及研究機構三類成員，致力于推進量子計算發展并探討實際應用。日本24 家企業聯合成立量子戰略產業革命聯盟，旨在評估與量子計算相關的基本原則與法律，并就其適用性和必要產業結構提出建議。德國10 家企業成立量子技術與應用聯盟，旨在明確現階段可能實現的行業應用，評估量子計算工業化實施潛力。芬蘭建立量子計算產業聯盟項目BusinessQ，目標在于擴大量子計算對芬蘭工業與商業的影響。加拿大成立量子產業部，旨在加速技術創新、實現人才轉化及推進量子計算商業化進程。我國本源量子建立本源量子計算產業聯盟，加速技術開發和探索應用落地。中國信息通信研究院聯合國內量子信息領域高校、科研機構和企業發起量子信息網絡產業聯盟，組織推動論壇交流、案例征集、報告研究、驗證測評等工作。

全球量子計算企業數量不斷增多，呈加速發展態勢，整體數目已超百家，量子計算領域研究覆蓋量子計算軟硬件、基礎配套和應用探索等多個方面，產業集聚度仍以北美和歐洲最高，量子計算產業生態體系正在逐步構建。相較美國和歐洲而言，我國企業在技術研發水平與整體產業生態構建等方面仍有提升空間，未來需要組織開展產業需求、供應鏈建設等方面深入交流，探索科研、工程和產業各領域的分工合作協同機制，突破和掌握核心使能技術，為用戶習慣培養和產業生態構建奠定基礎。

4 未來發展趨勢展望

總體而言，量子計算技術研究處于早期快速發展階段，多種技術路線呈現多元化開放性的競爭態勢，這種競爭態勢短期內將持續存在。量子計算應用探索在諸多行業廣泛開展，距離應用落地尚有一定距離，相關探索必將是一個長期過程。量子計算產業生態正在逐步構建，處于早期培育階段，產業整體發展勢頭良好，未來將持續探索合適的商業模式。

在技術研究方面，量子計算研究發展迅速，不斷取得突破性進展，硬件研制、軟件算法、量子糾錯、支撐保障等方面取得一系列重要成果。量子計算仍處于早期快速發展階段，各研究領域仍存在較多亟需解決的問題。在硬件研制方面，需要在可擴展性、操作復雜度、噪聲抑制能力和集成化水平等方面重點突破，集中力量加強研發攻關。在軟件算法方面，需要在注重軟件本身的研究與開發的基礎上，重視應用生態的培育以及用戶習慣的培養。在量子糾錯方面，需要結合理論研究與樣機試驗，進一步設計和改進糾錯程序，同時降低糾錯所需的資源開銷。在支撐保障方面，需要明確不同路線量子計算機所需支撐保障系統面臨的挑戰，重點攻關稀釋制冷機、測控系統、真空腔等關鍵部分。

在應用探索方面，基于NISQ樣機開展量子算法研究和應用場景探索，逐漸成為業界研究熱點，涵蓋化學模擬、量化金融、交運航空、人工智能、氣象預測等多個行業領域。量子計算應用成果層出不窮，但已發布成果大多偏向于預研性質，處于原理性與可行性驗證的探索階段，量子計算距離應用實際落地和產生變革性價值仍有一定距離。近期，數學工程與先進計算國家重點實驗室、清華大學等[25]提出亞線性資源量子經典混合大數分解算法，有望推動NISQ量子樣機的實際應用。在具有實用價值的問題上，明確展現量子優越性是下一步努力的目標。

在產業生態培育方面，以美國、中國、歐洲、加拿大等為首的各國和地區企業紛紛開啟量子計算上下游各環節的系列研究與產品研發，全球量子計算生態體系正在逐步構建。量子計算產業推進處于早期階段，產業力量不斷壯大的同時，發展仍具有一定的不確定性，產業發展與生態構建需要業界共同研究探討和持續推進。未來產業發展的關鍵主要集中在生態系統構建、產業聯盟、開源社區、市場投融資等方面，通過整合多方力量構建具有競爭力的量子計算產業。

5 結束語

量子計算領域是目前各方關注與期望的焦點，全球主要國家及地區紛紛加大公共研發資金的支持投入力度?？茖W研究和技術研發亮點紛呈，多種技術路線并行發展，量子計算優越性獲得試驗驗證，量子糾錯研究欣欣向榮。行業應用探索廣泛開展，多領域應用探索蓄勢待發。產業創新與投融資增長迅速，發展趨勢強勁。未來業界需要結合量子計算關鍵技術、應用與產業生態的現狀與需求，持續加強基礎科研攻關，開展行業應用探索，促進產、學、研、用協同，培育產業生態系統，多措并舉，共同聚力推動量子計算領域發展。

審核編輯：湯梓紅