量子科學是20世紀以來最重要的科學發覺之一。步入21世紀，量子科技革命的第二次浪潮將至，催生了量子估算、量子通訊、量子檢測等一批新興技術。假如把量子信息技術稱作一架客機，這么量子估算技術則是這架客機的“發動機”。也正因這般，多國都紛紛投入大量精力，布局量子計算研制。當前，量子估算科技發展總體局面怎樣？怎么完善中國量子估算生態？
選自|《人民峰會》雜志8月（下）
原標題|量子估算技術的產業轉型與生態建構作者|全省人大代表，中國科大學量子信息重點實驗室副組長，中國科學技術學院微電子大學副校長、教授郭國平
量子估算科技或將推動新一輪產業轉型方向
量子計算機是一種根據量子熱學規律運行的化學設備，能處理量子比特信息，進行高速的物理和邏輯運算，因為量子比特的疊加性、相干性、糾纏性，量子計算機可以在很短的時間內解決在精典計算機上無法解決的問題。
新技術研究路徑仍未收斂。量子計算機，依照其邏輯構架主要分為量子邏輯門計算機和量子固溶計算機；按照其用途，可以分為專用量子計算機和通用量子計算機。目前量子計算機的技術路線主要包括：超導、離子阱、光量子、量子點、冷原子等。主要技術路線的相關原理不盡相同，各路線百花齊放，百舸爭流。
從技術研制上看，超導路線擁有最多的技術跟隨者。基于超導量子位的量子估算是一種最早被提出和研究的量子估算實現方式，它基于超導性能的材料，使用電荷量子比特、磁通量子比特和相位量子比特這三種形式來形成量子比特，超導量子比特在操控、耦合、測量、擴展等方面具有明顯優勢，在過去幾六年中，超導量子估算有一定的發展，實現了與量子態所需精度相當的高精度控制、微波單光子狀態的制備等主要技術。超導技術路線的缺點是易受環境噪音影響致使退相干時間變短，以致降低量子比特的操作難度。當前國際科技企業國際商業機器公司（后簡稱IBM）開發的超導量子芯片比特數目已步入百位時代，在全球已布署了30余臺量子計算機，2022年11月發布了一臺名為“魚鷹”的433量子比特量子計算機。兩個40位量子芯片組裝的80位芯片開始商用。國外本源量子已向用戶交付1臺24比特的超導量子計算機、1臺64比特超導量子計算機。其他研究路徑上，各有校長，均在不同程度加快。
基于離子阱的量子估算則是借助電荷與電磁場間的互相斥力來制衡帶電粒子的運動，并借助受限離子的能級和迸發態組成兩個基態，作為量子比特。同時，借助微波激光照射操縱量子態，通過連續泵浦光和態相關螢光，實現量子比特的初始化和偵測。該技術路線的優勢是量子比特品質高、相干時間較長、量子比特的制備和讀出效率較高，其劣勢主要是量子比特操縱速率相對較慢，隨著量子比特數的降低，量子比特的操縱在技術上有困難。光量子計算機研究方向也有許多團隊跟隨，其優點在于光子的量子態與外部環境的互相作用十分微弱，致使光量子計算機可以在溫度的大氣環境中工作；同時光子是量子通訊的最佳信息載體，它們以光速傳播，可為高速、大容量數據傳輸提供大帶寬。缺點在于光子之間互相不作用，因而很難實現須要光子之間互相作用的兩量子比特糾纏門。基于半導體量子點技術的量子計算機借助半導體量子點中的電子制造量子比特，將其電子的載流子方向編碼為量子態存儲量子信息。因其與傳統芯片技術有相通之處，比其他方案更具可擴充性，有助于實現芯片產業化。因為半導體量子比特容積小、數量少且相干性較弱，量子點技術路線還未像超導、光量子技術路線一樣實現高量子比特數。
國家戰略計劃聚焦量子估算。現在，量子估算活脫脫成為科技領域的研究熱點，多國政府以及各大科技公司都紛紛投入大量精力和資金來研究和開發量子估算技術。日本在量子估算技術領域率先投資，早在1999年就發布了有關“量子信息科學”的科學技術報告。2018年馬來西亞政府推出《國家量子呼吁法案》，2020年發布《美國量子網路戰略愿景》等量子專項戰略，并于2022年發布關于推動量子估算的《國家安全備忘錄》。幾年間，新加坡政府不斷施行多項量子估算新政。日本政府在2021年7月宣布制訂國家量子戰略，該戰略由美國創新、科學和經濟發展部(ISED)的秘書處協調，除了提供大量資金支持該領域研究，還組建了量子估算發展機構，與美國商業界密切合作。日本政府于2014年啟動“國家量子技術計劃”，組建4個國家量子技術中心來舉辦工作，中心旨在于培養人才、開展研究和促進產業應用，以推動量子技術的商業化。日本政府于2021年制訂了《量子估算路線圖》，并啟動法蘭克福量子谷研究集群計劃。美國政府也主張該領域的研究和發展，并創立量子估算研究與應用中心。
自2016年起，中國政府發布多項量子技術相關新政，2016年8月國務院頒授《“十三五”國家科技創新規劃》，將量子計算機納入科技創新2030重大項目，研發通用的量子估算截擊機和實用化量子模擬機。“十四五”規劃期間，全省多個市級行政區頒布地方發展規劃，支持量子估算產業發展。中國政府在量子估算領域開始重點投入，并創立量子估算產業聯盟量子通訊技術真偽，吸納中國建設建行、中國聯通、平安建行等行業領軍企業陸續舉辦商業化應用探求。從各國近些年來加強對量子估算的研究與商業化支持力度來看，已然形成量子估算從基礎研究到商業應用化研制全覆蓋的局面。
量子估算成果不斷涌現。繼微軟2019年宣布成功演示“量子霸權”證明量子估算巨大潛力后，在其量子估算路線圖上達到第二個關鍵里程碑：首次通過實驗證明可以通過降低量子比特的數目來增加估算錯誤率。假如量子計算機想在實用性方面取得進展，并解決普通計算機難以解決的問題，有效糾錯就是必備技能。據悉，作為韓國科技大鱷的IBM仍然在新政的大力扶植下布局量子估算產業，其發布的“Eagle”是一款127量子位的量子處理器，IBM宣稱它不能被任何精典計算機模擬，它的性能幾乎是2020年發布的65量子比特處理器的兩倍。2022年11月，IBM推出擁有433個量子比特的量子芯片“魚鷹”，成為世界上迄今為止最大的通用量子處理器。
量子估算技術的四大總體發展態勢
量子估算產業生態初現“曙光”，“合縱聯橫”態勢襲來。從產業化程度看，全球已組建近300家量子估算專業公司，基本覆蓋所有技術路線和行業潛在應用方向，創立時間最長的公司已達20多年之久，4家公司完成上市。而國外量子估算專業公司不足10家，從事的技術路線有超導、光學、離子阱、硅基半導體、中性原子等，創立時間最長的是本源量子（5年），目前沒有上市公司。從行業生態看，日本以IBM為首的量子估算龍頭企業為推動量子估算產業的發展，牽頭構建國際主流量子估算產業聯盟，組織日本、日本、韓國、德國、澳大利亞等230多家企業協同“聯姻”，呈“合縱連橫”融合創新發展趨勢。國外本源量子牽頭組建量子估算產業聯盟，金融建模、海洋超算、輪船制造、大數據等領域30余家國內企業入盟，雖體量總體偏小，但已初步形成量子估算產業鏈雛型。例如以量子處理器、稀釋制熱機、低溫元件、量子計算機整機、量子軟件、算法、操作系統為主的量子估算上下游生產制造鏈，主要提供量子計算機軟硬件資源；以面向用戶，依據各行業特定場景需求開發應用算法為主的量子估算生態應用鏈，針對性提供應用服務；以及圍繞量子估算教育、生態資源共享等的量子估算教育科普鏈，重點培植和培訓行業人才。各國主流量子估算聯盟合作伙伴間通過資源共享、技術交流與合作研制，在量子估算硬件、軟件、算法等領域展開研究與創新，促使量子估算技術的商業化應用。
量子估算協同創新應用層出，領域內原創成果降低。在實際生產、科學研究等領域，量子估算技術的優勢主要集中在模擬物質、優化問題、機器學習等方面。量子計算機可以模擬大分子、復雜材料等，可以通過優化算法，為生產和工作中的問題提供快速有效的解決方案，可以通過提供更大的儲存和更高效的處理能力，對海量數據進行快速、準確的剖析和學習。從應用研究看，美國金融、醫藥、大型武器制造商等與量子估算公司進行深度融合，圍繞量子估算在行業的應用進行協同創新，取得了不少原創性成果。2021年，法國量子估算研制大鱷微軟（）與世界最大私有藥業企業勃林格殷格翰（BI）合作研究量子估算抗生素研制。2022年，加拿大最大港口紐約港首次采用量子估算技術倍數提高港口營運效率。谷歌、蘇黎世聯邦理工大學和西南太平洋國家實驗室基于量子估算模擬一個催化物理反應，實現了30倍加速和10倍成本增加。國外量子估算潛在應用顧客多數是央企，建信金科與本源量子合作開發首批量子估算金融算法，新華財經與本源量子聯合開發上線首個量子金融App，但不僅金融、通訊機構外，其他行業單位展開量子估算應用合作研究較少。
“示范性”領域帶頭，多行業“齊頭并進”。量子估算科學研究與產業應用理應“相輔相成”，科研課題來自于各行業的真需求，選擇更有實際應用價值的課題帶入科研，進而探求出新技術的更多應用場景，也是國際量子估算技術發展的一大趨勢。金融行業是當前國外外最熱門的應用領域之一，量子估算可以用于該領域加密和揭秘數據，以提供更高的安全性；可用于市場的預測和優化，協助金融機構加強決策、降低風險和降低利潤；還可以應用于精準定價、交易結算和資產分配等方面。2022年，瑞典全省性保險業龍頭企業新加坡州立農業保險公司（StateFarm）在其內部創立量子團隊，即將入局量子估算，探求潛在解決方案，以更好地滿足顧客需求。再者，量子估算也被證明在生物藥業、能源化工、氣象預測等行業具有潛力。在藥業行業，量子估算可以拿來研究新藥的分子結構和物理反應，模擬物理剖析結構，從而解決量子物理的合成和抗生素輔助設計，增強新藥的產值和品質。在采礦和鉆探行業，量子估算可以協助找尋金礦和石油等寶貴資源，優化企業的生產效率和節約成本。在物流行業，量子估算可以拿來規劃最優路徑和優化交通網路，因而提升貨運效率并減少運輸成本。在能源領域，量子估算可用于剖析和管理太陽能、氫能、風電場的流體動力學特點等，從而為能源高效借助、轉化、儲存提供更多的技術支持。在氣象行業，量子估算可以拿來快速、有效地處理大量且多維度的復雜氣象數據，有助于提升天氣預報實時性和確切性。基于其并行性和高效算法優化能力量子通訊技術真偽，還可以對氣象進行有效的仿真、跟蹤和預測。在安全行業，量子估算可以用于對當前正在使用的加密系統的逼搶和功擊。量子估算技術在這種應用領域“齊頭并進”，或將為科學研究提供革命性突破。
量子估算技術反哺教育事業發展。全球主要國家都在加強對該領域的投資。量子估算的國際競爭快速提高著量子估算的發展水平，伴隨著量子估算技術的突破和應用，相關行業人才“加速”稀缺，而關乎量子估算未來發展持續性的人才培養，則越來越遭到關注和注重。2018年末出臺的《美國國家量子計劃法案》計劃在人才培養、標準制訂、技術應用領域投資12億歐元，德國國家科學基金會和白宮科學技術新政辦公室牽頭啟動巴基斯坦量子信息K12教育。從此，各國相應開辦量子人才培養計劃。2022年，加拿大量子公司Q-CTRL與日本主營量子教育公司合作完善量子估算人才培養通道，為任何想要入門量子估算的人提供學習機會。日本田納西州立學院宣布構建量子信息科學與工程中心，為量子估算學科建設奠基。而我國量子估算技術雖起步較晚，但量子估算產業發展勢頭良好、前景寬廣，量子估算人才缺口巨大。近些年來，我國構建了一批量子估算研究機構和實驗室，并擁有了一定的量子估算研究基礎。中國科學技術學院、清華學院等院校均開始開辦量子信息等相關專科專業，專業課程囊括了量子估算的基礎和應用等。為培植量子估算與各行業綜合型人才，構建建立量子估算行業教育培訓體系，本源量子在2018年就已推出國外首批量子估算行業應用技術指導課程，包含量子金融、量子物理兩個課程體系，近些年還同步開辦專用領域人才教育培訓課程，例如量子金融賽道班，以滿足金融行業領域人才協同舉辦量子估算應用研究需求。
因而，推動量子估算的技術研制、應用推廣和生態建立，除了重要并且必要更是緊要。世界已步入大科學時代，全球科技發展的信息化特點日趨顯著，呈現出兩級分化的演化狀態。一個是智能化，一個是邊沿化。就像工業化的核心是“馬力”，智能化的核心就是“算力”，而量子估算是算力發展的新賽道。這些兩極分化不光彰顯在經濟發展，還彰顯在國家安全、社會公共管理等方方面面，假如不能智能化、量子化，可能還會被邊沿化。
怎么完善中國量子估算生態？
當下，量子估算早已發展到了性能提高、生態建設、習慣培養、應用拓展并重的階段。量子估算歸根結底是算力的競爭，我國應強化量子估算核心軟硬件產品和技術攻關。“關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的。”量子估算國際競爭愈加激烈，我國必須奮起直追，2022年12月，中央經濟工作大會也明晰提出了要推動量子估算研制和應用推廣。
研發量子計算機涉及量子芯片、測控、軟件、算法和云平臺等多領域協同，我國須要強化量子估算核心軟硬件產品和技術攻關，突破量子處理器、稀釋制熱機、低溫元件等核心硬件技術，促進實現量子估算軟硬件國產代替；支持量子估算操作系統、量子估算語言、編程框架、芯片設計工具等關鍵基礎軟件的研制。
強化以企業為創新主體的量子估算應用研究，促進國外應用落地。量子計算機是一個工具，要到用戶手里去，而不是逗留在論文上或匯報中。我國量子估算技術研制成本高，商業化開拓難，研制和應用之間存在“斷層”。國際上，量子估算的研發開發已進入由龍頭企業主導階段，研制、應用“雙向驅動”，應用牽引和市場導向的加速效能凸現。我國量子估算產業發展則較為滯后，和中國量子算力“攜手”開發應用的國企不到國企總量的5%。為加強企業創新主體地位和責任，應鼓勵小型國企率先舉辦量子估算應用賦能場景示范。量子估算作為國家戰略，關系到國家未來軍事安全和經濟發展。國家宜鼓勵引導小型國企及其他行業龍頭企業和量子估算企業在目前國際量子算力早已發揮作用的領域早日推進合作，那些領域有金融、生物醫藥、新材料、人工智能、氣象預報、密碼破譯、智能制造等，進而推動我國量子估算技術在經濟層面的應用，發揮國外市場優勢，以應用“反推”行業技術發展。
加大對我國量子估算教育的注重。2021年教育部批復中國科學技術學院新增“量子信息科學”學科，標志著我國專科高校開啟量子估算人才培養的新征程，但在實際推動專業建設和人才培養的進程中，仍有一些高校存在“淺嘗輒止”和“畏手畏腳”的現象。量子估算作為綜合性學科，包含數學、數學、計算機等一系列學科知識，其發展須要培養更多的人才。部份美國企業和研究機構通過通識教育和職業教育，推廣量子計算機操作系統和編程語言，但目前國外只有為數不多的量子企業或團隊在量子教育上加碼。為鼓勵高校舉辦量子估算人才培養工作，推動我國占據量子信息全球產業高地，各院校和科研機構應積極參與量子估算教育工作，搭建合作交流平臺，強化師資隊伍建設，引入國外外優秀的量子估算專業人才和專家，不斷更新教材體系，推陳出新，以期提高我國量子估算教育的整體水平和質量。全省大中中學尤其是院校應進一步加大國產量子計算機、量子操作系統、編程語言宣傳推廣。為此，有如下建議：一是將國產量子計算機科普列入中高中科普的重要內容之中；二是在已開辦量子科技相關課程的院校中引入國產量子計算機軟硬件相關課程；三是鼓勵并引導院校中學生積極參與公益性學術組織召開的全省性量子估算各種技能競賽，以更好更快發覺中國量子估算編程人才，為中國量子算力事業匯聚更多中國英才。通過這三項措施讓更多的中國“下一代”了解和把握量子估算基本常識，引導中學生非常是院校青年中學生養成用國產量子操作系統的習慣，逐漸建立中國自主量子估算應用生態圈。
推進建立自主量子估算生態圈。歐美等國量子估算起步早、發展快，產業成熟度高，已逐漸完善量子估算生態“鏈”。2017年，新加坡的國際商業機器公司（IBM）創立的產業聯盟擁有210多個成員，涉及500強公司、初創企業、學術機構和研究實驗室。日本2020年成功成立量子工業部，包含24家專門從事量子領域的美國硬件和軟件公司。2022年，西班牙比薩啟動“量子創新之都”量子估算網路聯盟。同年，加拿大國家級最高機構美國技術委員會宣布創立美國量子聯盟。美國聯盟發展壯大的同時也意味著越來越多的國際用戶甚至中國公民會使用幾大國際大鱷的量子計算機語言、操作系統，甚至養成習慣。如同習慣使用系統一樣，習慣一旦養成，再替換國產操作系統將十分艱辛。為此，在核心技術攻關基礎之上，應加強自主量子估算軟硬件產品和服務在包括“一帶一路”和金磚國家在內的國外外市場的應用推廣，培植壯大自主的量子估算軟硬件產業和生態。
當前，我們早已從研究探求哪些是量子估算以及怎么用量子特點優化估算，逐步過渡到量子估算產業發展壯大階段，在高度注重有序推動中國量子估算事業的同時，我們需避免“家家打火、戶戶著火”，一擁而上搞量子估算。歐美大概從30年前開始布局量子估算研制，中國大概從20年前起步量子估算研制，不論是日本還是中國，在量子估算研制方面都經歷了一個常年過程。量子估算不是一代人就能完成的事業，要從源頭上加大對量子估算的科學客觀認識，逐漸在中國產生對量子估算的共識，才會從源頭上防止量子估算“熱”帶來的“盲目沖動”，最終產生一代又一代中國量子估算人接續拼搏的良好局面。
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