2021量子技術(shù)全景展望

2021量子技術(shù)全景展望第一章：主要國(guó)家的量子發(fā)展路線圖一、歐洲歐洲很早就意識(shí)到量子信息處理和通信技術(shù)的潛力。除了“量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”外，還通過(guò)調(diào)整其他計(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)。“量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”

全程開(kāi)放式運(yùn)作，不僅促進(jìn)了每個(gè)項(xiàng)目各成員國(guó)內(nèi)部的協(xié)作，還促

進(jìn)了項(xiàng)目之間的協(xié)作，通過(guò)出色的歐洲量子周之類的活動(dòng)展示了自己的形象，同時(shí)也使研究進(jìn)展更加透明。歐盟的關(guān)鍵政策目標(biāo)是確保歐洲成功進(jìn)行數(shù)字化過(guò)渡。地平線

2020（2014-2020）對(duì)歐盟的研究與創(chuàng)新計(jì)劃提供了支持，是量子技術(shù)旗艦計(jì)劃資金的主要來(lái)源，也是數(shù)字化議程中的優(yōu)先事項(xiàng)。該程序目前正面臨不利因素。英國(guó)脫歐，COVID-19

危機(jī)以及一些中歐國(guó)家向民權(quán)的轉(zhuǎn)移，

為歐盟的預(yù)算程序掀起了一場(chǎng)風(fēng)暴。這并沒(méi)有威脅到該計(jì)劃的現(xiàn)狀，但它限制了計(jì)劃中增加預(yù)算資金的范圍。傳統(tǒng)上，歐洲研究計(jì)劃倡導(dǎo)開(kāi)放科學(xué)，開(kāi)放創(chuàng)新和對(duì)世界開(kāi)放的價(jià)值觀。準(zhǔn)成員資格允許非

歐盟國(guó)家參加其研討活動(dòng)，QuantERA資助機(jī)制更鼓勵(lì)各國(guó)在整個(gè)歐洲研究領(lǐng)域進(jìn)行合作。

因此，量子技術(shù)旗艦計(jì)劃開(kāi)始探索與加拿大，日本和美國(guó)的潛在合作。但是，確保數(shù)字或技術(shù)主權(quán)已成為歐盟目標(biāo)中越來(lái)越重要的一部分，這包括限制中美兩國(guó)利益的依賴性和影響

力，這樣的限制為未來(lái)計(jì)劃開(kāi)展中的包容性和靈活性帶來(lái)了不確定性。1.德國(guó)德國(guó)政府已經(jīng)宣布，為應(yīng)對(duì)新冠肺炎疫情沖擊，將提供

20

億歐元用于量子科技研究，為

2018-

2022

年間計(jì)劃用于量子研究的預(yù)算支出打下了基礎(chǔ)。在

2020

年下半年再次強(qiáng)調(diào)量子技術(shù)在數(shù)據(jù)主權(quán)等方面的重要作用，同時(shí)，德國(guó)已經(jīng)對(duì)非歐盟國(guó)家的相關(guān)高科技公司進(jìn)行了更嚴(yán)格的限制。2.荷蘭荷蘭已經(jīng)成為量子研究活動(dòng)的重要中心。于

2014

年成立的

QuTech已經(jīng)具有“國(guó)家標(biāo)志”的

地位。它與專業(yè)公司、主要專家以及有趣的初創(chuàng)公司建立了牢固的行業(yè)關(guān)系。荷蘭堅(jiān)定不移地將本國(guó)定位為“通往歐洲的量子門戶”，并期望建立量子硅谷，強(qiáng)調(diào)其中心的地理位置：高度的商業(yè)便利性和高質(zhì)量的生活。目前，荷蘭與微軟和英特爾之間的合作關(guān)系穩(wěn)定，同時(shí)不斷從

QIA和

iqClock等量子技術(shù)旗艦計(jì)劃項(xiàng)目中受益。2020

年，QuantumInspire成為荷蘭量子計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要里程碑，這是歐洲第一個(gè)基于量子云的平臺(tái)。3.法國(guó)法國(guó)已從量子領(lǐng)域集群以及相關(guān)的高科技產(chǎn)業(yè)專業(yè)知識(shí)中受益，與法國(guó)有著緊密聯(lián)系的大型

企業(yè)已經(jīng)在量子領(lǐng)域取得了顯著成績(jī)。2020

年初，法國(guó)推出了一項(xiàng)為量子技術(shù)構(gòu)建一個(gè)國(guó)家戰(zhàn)略的計(jì)劃，此戰(zhàn)略計(jì)劃為科研和工業(yè)部署尖端量子計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施投資。4.英國(guó)英國(guó)的

NQTP被認(rèn)為是世界上第一個(gè)以開(kāi)拓最廣泛的領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)的量子技術(shù)計(jì)劃，該計(jì)劃

橫跨量子計(jì)算、通信、計(jì)時(shí)、傳感和成像等領(lǐng)域。人才教育是英國(guó)量子計(jì)劃的另一個(gè)重點(diǎn)。NQTP希望使英國(guó)成為量子企業(yè)和量子人才的“理想之地”。在

NQTP的第二階段，英國(guó)量子計(jì)劃取得了顯著成就。充滿活力的量子研究環(huán)境已經(jīng)初步形成。英國(guó)繼續(xù)在全球各地建立牢固的研究合作關(guān)系，正不斷為量子融資尋找渠道。二、北美1.加拿大加拿大在現(xiàn)代量子科學(xué)方面有著杰出的貢獻(xiàn)。尤其是在

1984

年

GillesBrassard（蒙特利爾大學(xué)）提出了著名的

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。到

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。2.美國(guó)美國(guó)在量子科學(xué)方面的投資歷史悠久。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)。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)設(shè)立了三個(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。美國(guó)能源部擁有一個(gè)由

17

個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室組成的獨(dú)特網(wǎng)絡(luò)，在美國(guó)研究領(lǐng)域具有獨(dú)特的能力。

美國(guó)能源部已經(jīng)建立了五個(gè)國(guó)家量子信息科學(xué)(QIS)研究中心。同時(shí)，每個(gè)研究機(jī)構(gòu)還強(qiáng)調(diào)它們?cè)谂嘤?xùn)和勞動(dòng)力發(fā)展中扮演的角色。美國(guó)已對(duì)量子領(lǐng)域的研究做出了下一步計(jì)劃。新一代超導(dǎo)量子比特技術(shù)是一個(gè)重點(diǎn)研究領(lǐng)

域，緊隨其后的是離子阱和中性原子平臺(tái)的研究。對(duì)于算法、軟件平臺(tái)和量子感測(cè)也應(yīng)給予

關(guān)注。許多新研究中心也強(qiáng)調(diào)了對(duì)學(xué)科應(yīng)用的重視。科學(xué)應(yīng)用程序所開(kāi)創(chuàng)的先進(jìn)技術(shù)隨后會(huì)應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域，這確實(shí)代表了工業(yè)合作伙伴的潛在威脅，在某些情況下，這些合作伙伴在項(xiàng)目重點(diǎn)方面會(huì)與學(xué)術(shù)

研究者有所不同。NQI程序已完全啟動(dòng)并運(yùn)行。鑒于它堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)可以期望在未來(lái)的幾年中，會(huì)取得令

人振奮的成果?，F(xiàn)在的疑問(wèn)在于，美國(guó)計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)將在多大程度上依賴與國(guó)際伙伴的合作。三、中國(guó)中國(guó)“五年規(guī)劃”一直推動(dòng)著科學(xué)和技術(shù)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?！澳犹?hào)”衛(wèi)星和九章量子處理器是該計(jì)劃成功的標(biāo)志。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)。國(guó)家量子網(wǎng)絡(luò)將繼續(xù)發(fā)展，以使其更安全，更快速，更廣泛。量子技術(shù)將成為高科技領(lǐng)域的重點(diǎn)之一，強(qiáng)調(diào)發(fā)展量子科學(xué)和技術(shù)的重要性和緊迫性。同時(shí)，中國(guó)

AI和航空計(jì)劃的持續(xù)發(fā)展也互為補(bǔ)充，

也著重規(guī)劃了量子科技到

2035

年的路線圖。四、來(lái)自世界各地的量子科技發(fā)展1.澳大利亞澳大利亞的量子研究部門非?；钴S，形成了多元化的量子創(chuàng)業(yè)公司。在主要的量子國(guó)家中，澳大利亞幾乎沒(méi)有單獨(dú)的量子戰(zhàn)略計(jì)劃。然而，2020

年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)制定了發(fā)展澳大利亞量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略，并成立了澳大利亞量子技術(shù)論壇（AusQuantech）以促進(jìn)該行業(yè)發(fā)展。2.日本2018

年日本政府啟動(dòng)新的項(xiàng)目，包括超導(dǎo)量子比特

NISQ計(jì)算機(jī)和

NISQ軟件程序?！癕oonshot”研發(fā)投資計(jì)劃預(yù)計(jì)將投入約

150

億至

200

億日元，希望在

2050

年之前制造出

容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)。2020

年初，日本量子技術(shù)和創(chuàng)新戰(zhàn)略初步完成，優(yōu)先研究領(lǐng)域包括量子模擬與計(jì)算、通信和

傳感。3.俄羅斯俄羅斯量子中心（RQC）成立于

2010

年。俄羅斯的量子研究得到了當(dāng)?shù)卣凸I(yè)實(shí)體的

支持。到

2020

年，已形成三個(gè)單獨(dú)的量子研究路線圖，每個(gè)路線圖都針對(duì)不同的量子領(lǐng)域基礎(chǔ)。4.新加坡2007

年，新加坡政府幫助建立了

CQT（量子技術(shù)中心）。2020

年，它啟動(dòng)了一個(gè)新的為期

5

年的量子工程計(jì)劃，其中，QuantumSG的創(chuàng)建是該計(jì)劃的重點(diǎn)。五、全球?qū)W術(shù)合作六、量子投資的時(shí)機(jī)量子硬件、軟件、通信和傳感通過(guò)許多常見(jiàn)的技術(shù)鏈接在一起，無(wú)論是在宣傳程度還是獲取收益的時(shí)間線來(lái)講，它們?cè)谏虡I(yè)上都不是同步的。同樣，無(wú)論科學(xué)家是否有所突破，都會(huì)有無(wú)數(shù)人在填補(bǔ)量子理論的空白。七、2021

展望中國(guó)的“十四五”規(guī)劃——墨子號(hào)和九章的成功是建黨

100

周年的一份巨大獻(xiàn)禮。未來(lái)五年

中國(guó)在量子、人工智能和天基技術(shù)領(lǐng)域的投資細(xì)節(jié)即將浮出水面。該規(guī)劃將于

2021

年

3

月

獲得全國(guó)人大的正式批準(zhǔn)。歐洲的投資——越來(lái)越多的歐洲國(guó)家有自己的重要計(jì)劃。未來(lái)

7-8

年，整個(gè)歐洲的投資能否

超過(guò)

80-90

億歐元？地平線歐洲計(jì)劃——地平線歐洲的國(guó)際參與將如何發(fā)展？量子技術(shù)旗艦計(jì)劃——隨著

2021-2027

年歐盟最終預(yù)算協(xié)議塵埃落定，期待下一波歐洲量子

項(xiàng)目的投融資消息。歐洲量子財(cái)團(tuán)——QuIC是量子技術(shù)旗艦計(jì)劃中的一個(gè)核心財(cái)團(tuán)；EQIC是在歐洲光電子行

業(yè)協(xié)會(huì)EPIC支持下成立的一個(gè)財(cái)團(tuán)。這些財(cái)團(tuán)能幫助他們的成員一起做什么？注意加拿大、

澳大利亞和新加坡會(huì)有類似的財(cái)團(tuán)。歐洲核子研究組織（CERN）、國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃或空中客車（AIRBUS）—

—?dú)W洲已經(jīng)推出了許多用于大規(guī)?？茖W(xué)、研究或商業(yè)合作的模式。請(qǐng)留意關(guān)于哪種模式最適

合量子技術(shù)的重大創(chuàng)新的爭(zhēng)論。英國(guó)——注意通過(guò)產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略挑戰(zhàn)基金(ISCF)以及其他的高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)計(jì)劃資助的更多量子

項(xiàng)目。英國(guó)能否調(diào)動(dòng)伙伴關(guān)系和資源來(lái)保持在量子方面的競(jìng)爭(zhēng)地位？日本——預(yù)計(jì)量子技術(shù)將在

2021

年初批準(zhǔn)的日本第六個(gè)科學(xué)和技術(shù)基本計(jì)劃（2021-26）中

發(fā)揮重要作用。俄羅斯——關(guān)注俄羅斯原子能公司(Rosatom)、俄羅斯鐵路公司和俄羅斯國(guó)家技術(shù)集團(tuán)(Rostec)

主導(dǎo)的路線圖的細(xì)節(jié)。美國(guó)——有了三個(gè)新的國(guó)家科學(xué)基金會(huì)研究所和五個(gè)新的美國(guó)能源部研究中心，請(qǐng)注意這些

美國(guó)發(fā)起的量子部門將掀起一場(chǎng)風(fēng)暴。該計(jì)劃能否證明它不僅僅是各部門的簡(jiǎn)單相加？美國(guó)國(guó)會(huì)——關(guān)注量子用戶擴(kuò)展(QUEST)法案和量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施法案的進(jìn)展。NQI的這些

延伸法案會(huì)在新一屆國(guó)會(huì)中被重新引入并通過(guò)嗎？第二章：2021

量子硬件展望中國(guó)的量子優(yōu)勢(shì)論證登上了頭條新聞，但尚未在量子計(jì)算競(jìng)賽中占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。領(lǐng)先的硬件團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為未來(lái)的馬拉松確定了發(fā)展路線，而糾錯(cuò)已成為故事的關(guān)鍵部分。擴(kuò)大規(guī)模的挑戰(zhàn)

仍然突出。越來(lái)越多的量子專業(yè)公司、初創(chuàng)公司和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始打造范圍越來(lái)越廣的量子硬件。從早期

的

NISQ（含有噪音的中型量子）設(shè)備到全規(guī)模的

FTQC（容錯(cuò)量子計(jì)算）設(shè)備。九章實(shí)驗(yàn)可能因完成了最復(fù)雜的計(jì)算而獲得第一名，但在頭條背后，這個(gè)新的里程碑有多重

要呢？IBM可以指出最大的云計(jì)算項(xiàng)目和高級(jí)用法的拐點(diǎn)。離子阱玩家爭(zhēng)相在量子體積上處于領(lǐng)先地位，但在量子比特?cái)?shù)量上仍然落后。一、超導(dǎo)量子比特為重大突破做好了準(zhǔn)備1.谷歌——過(guò)渡的一年在谷歌的量子夏季研討會(huì)上，Neven再次強(qiáng)調(diào)了谷歌計(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。即使在離任時(shí)，Martinis也一直在強(qiáng)調(diào)谷歌在程序和硬件方面的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。谷歌首選的可調(diào)諧量子比特和快速邏輯門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由額外的控

制線?？s放比例會(huì)自動(dòng)增加布線的挑戰(zhàn)和元件數(shù)量與總體故障率之間的關(guān)系。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，需要科學(xué)的進(jìn)步，而不僅僅是工程上的進(jìn)步。谷歌的近期目標(biāo)是證明物理量子比特錯(cuò)誤可以通過(guò)使用增大尺寸的原型邏輯量子比特系統(tǒng)地減少

——有效地在實(shí)踐中證明使用表面編碼協(xié)議進(jìn)行糾錯(cuò)，而不僅僅是理論中。創(chuàng)建約

10,000

個(gè)物理量子比特的可平鋪模塊是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)核心的邏輯門的真正等價(jià)物，代表了“物理風(fēng)險(xiǎn)在降低”，投資者僅需擔(dān)心傳統(tǒng)工程的挑戰(zhàn)。谷歌的愿望是在

2025/2026

年左右達(dá)到這一目標(biāo)。2.IBM——藍(lán)色巨人自

2017

年以來(lái)，IBM已經(jīng)交付了

28

款性能在穩(wěn)步提高的系列設(shè)備。他們的

27Q處理器達(dá)到了

QV128

的水平，可以期待他們最近發(fā)布的

65Q處理器會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候超越。到

2023

年，IBM的目標(biāo)是生產(chǎn)

代號(hào)為

Condor的

1121Q處理器，將其容納在一個(gè)新的稀釋“超級(jí)冰箱”中。Goldeneye冰箱

目前處于原型階段，旨在容納多個(gè)芯片。IBM顯然專注于大規(guī)模的

FTQC。Condor最初的設(shè)計(jì)采用了與最近其他芯片相同的六邊形

的布局。這種低連通性設(shè)計(jì)是為了使具有固定頻率量子比特設(shè)計(jì)的芯片更易于制造，同時(shí)旨

在使用低連通性顏色代碼而非表面代碼來(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)。以確保他們的路線圖在

2023

年時(shí)比其

他公司更清晰。在保留固定頻率量子比特以利用其允許的長(zhǎng)相干時(shí)間的同時(shí)，IBM一直在嘗試在每個(gè)門使用額外的可調(diào)諧振耦合器和旁路電容耦合器。這保證了

2Q門的速度更快(誤差也更低)，但

是由于相比與其先前技術(shù)設(shè)計(jì)發(fā)生重大變化，到目前為止，只有在簡(jiǎn)單的

2Q實(shí)驗(yàn)設(shè)備中才

能實(shí)現(xiàn)。3.超導(dǎo)多樣性Rigetti使用了一種獨(dú)特的超導(dǎo)量子比特方法，尋求在

IBM長(zhǎng)壽命固定頻率量子比特和谷歌可調(diào)諧量子比特提供的快速門之

間找到一條中間道路。2020

年，Rigetti獲得由

DARPA的

ONISQ計(jì)劃提供的

860

萬(wàn)美元資助，參與一個(gè)

1000

萬(wàn)英

鎊的項(xiàng)目幫助英國(guó)部署第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)。Wave繼續(xù)走自己的道路，專注于量子退火。這使

D-Wave迅速擴(kuò)大規(guī)模，瞄準(zhǔn)早期客戶機(jī)

會(huì)。其最近推出的

Advantage系統(tǒng)是一個(gè)重大升級(jí)，5000

個(gè)量子比特中有

15

個(gè)量子比特互

相連接。但是，該技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是，它在理論上沒(méi)有很好的途徑來(lái)實(shí)施糾錯(cuò)，因此最終無(wú)

法擴(kuò)展到

FTQC。芬蘭的

IQM是一家提供差異化產(chǎn)品的初創(chuàng)公司。IQM將為研究機(jī)構(gòu)和高性能計(jì)算中心構(gòu)建

現(xiàn)場(chǎng)量子計(jì)算機(jī)，并為企業(yè)客戶提供協(xié)同設(shè)計(jì)方法。2020

年，IQM贏得了

VTT和芬蘭政府的聯(lián)合創(chuàng)新公開(kāi)招標(biāo)。這項(xiàng)耗資

2070

萬(wàn)歐元的項(xiàng)目

將于

2024

年在芬蘭交付一臺(tái)

50Q量子計(jì)算機(jī)。二、進(jìn)擊的離子阱量子在

2020

年的發(fā)展非常順利。盡管

QV是

IBM率先提出的一種衡量方法，但是霍尼韋爾

已經(jīng)成為第一個(gè)用其

6QH0

和

10QH1

處理器達(dá)到

QV64

和

QV128

的廠商。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

高的門保真度。這兩個(gè)優(yōu)勢(shì)可以保證更高的

QV?；裟犴f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。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。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)演示了更快的互連，但是似乎

仍然是一個(gè)性能瓶頸。另一方面，離子穿梭方法原則上可以提供類似于全連接的

QV。三、云中的中性原子中性原子量子比特在

2020

年繼續(xù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。它們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)。四、長(zhǎng)期使用的硅2020

年，基于量子點(diǎn)的硅量子比特在實(shí)現(xiàn)其長(zhǎng)期承諾的優(yōu)勢(shì)之一方面取得了重大進(jìn)展。

量子比特操作有望成為一個(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。在描述

SQC的制造技術(shù)時(shí)，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)單和原始的控制線路，將開(kāi)發(fā)具有超快速門和可擴(kuò)展布線選項(xiàng)的設(shè)備。五、光子破壞者中國(guó)的九章實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明這一計(jì)算比迄今為止在任何其他平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的計(jì)算都要復(fù)雜。九章通過(guò)實(shí)現(xiàn)一種被稱為高斯玻色取樣的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(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)了谷歌

Sycamore最初的量子優(yōu)勢(shì)演示。九章并非憑空而來(lái)。至少?gòu)?/p>

2006

年起，中國(guó)就一直在增加對(duì)量子技術(shù)的投資。潘建偉團(tuán)隊(duì)

的專業(yè)知識(shí)是眾所周知的，在

2019

年，他們首次實(shí)現(xiàn)

20

個(gè)光子

60

個(gè)模式干涉線路的玻色

取樣量子計(jì)算。最新的實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)令人矚目的科學(xué)成就，并且是再次證明這個(gè)團(tuán)隊(duì)的科學(xué)與

工程技術(shù)的杰作。九章當(dāng)前的形式是不可編程的，它實(shí)現(xiàn)的是一種靜態(tài)算法，而不是通用的量子計(jì)算方法。也許更重要的是，它是通過(guò)“傳統(tǒng)”光學(xué)平臺(tái)安裝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所有的活性組件仍然是離散的。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的配置，需要進(jìn)行許多手動(dòng)調(diào)整。該方法在科學(xué)

上令人興奮，但對(duì)擴(kuò)大規(guī)模提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。西方國(guó)家多年來(lái)一直在追求集成光子技術(shù)，將其作為實(shí)現(xiàn)真正可擴(kuò)展的光量子計(jì)算的一條有

前途的途徑。這要求（幾乎）所有必需的組件集成到一個(gè)設(shè)備當(dāng)中。主動(dòng)可編程設(shè)備的演示

可以追溯到

2015

年。六、擴(kuò)大規(guī)模各種不同的量子比特技術(shù)突破

100

到

1000

量子比特唯一的問(wèn)題是可擴(kuò)展性，有足夠好的量子比特來(lái)解決你真正想要解決的商業(yè)問(wèn)題。大多數(shù)領(lǐng)先的硬件廠商都已經(jīng)制定了自己的路線圖，他們的硬件將花費(fèi)大部分時(shí)間進(jìn)行糾錯(cuò)。關(guān)于如何最好地做到這一點(diǎn)的爭(zhēng)論已經(jīng)與量子比特技術(shù)的爭(zhēng)論交織在一起。七、2021

展望量子霸權(quán)——無(wú)論計(jì)算難度的爭(zhēng)論最終結(jié)果如何，九章都會(huì)引起軒然大波。要注意這項(xiàng)技術(shù)

能否可編程和可擴(kuò)展。只有這樣才能使它真正具有顛覆性。QV——IonQ對(duì)其新

32Q量子計(jì)算機(jī)預(yù)期很高。實(shí)測(cè)性能真的會(huì)達(dá)到

400

萬(wàn)

QV嗎？QV/s——量子體積可以用來(lái)衡量許多性能指標(biāo)，但它沒(méi)有辦法衡量不同量子比特平臺(tái)之間

的原始門速度差異。預(yù)計(jì)超導(dǎo)量子比特社區(qū)將采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行反擊，使他們能夠展示自

己的快速門。量子比特?cái)?shù)量——IBM是否會(huì)第一個(gè)將

100Q+處理器與

127QEagle一起放到云端？或者

Rigetti會(huì)用

4x32Q多芯片

Aspen模塊搶占、先機(jī)嗎？從谷歌的“100Q”設(shè)備中看到什么？注意同步

2Q門保真度的趨勢(shì)邏輯量子比特——關(guān)注主要玩家的糾錯(cuò)演示，這表明他們正在邁向一個(gè)新的重要里程碑——

操作邏輯量子比特。中國(guó)——本源量子能否在云產(chǎn)品中增加

60

量子比特的悟源

2.0

設(shè)備？歐洲——QT旗艦項(xiàng)目

OpenSuperQ預(yù)計(jì)將交付其第一臺(tái)設(shè)備。距離

100Q還有多遠(yuǎn)，對(duì)應(yīng)的QV是多少？AQTION將交付

50Q+設(shè)備；注意它的基于機(jī)架的靈活配置。英國(guó)——Rigetti正在英國(guó)建造一臺(tái)基于超導(dǎo)量子比特的機(jī)器，容納于牛津儀器公司最新的

Proteox系列稀釋冰箱之中。關(guān)注這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)可能公布的細(xì)節(jié)。超導(dǎo)技術(shù)——觀察初創(chuàng)公司的發(fā)展情況以及這種技術(shù)的新特點(diǎn)，如

SeeQC和

OQC。特別注

意

QCI計(jì)劃的細(xì)節(jié)。這是一支強(qiáng)大的隊(duì)伍，但仍在暗中運(yùn)作。他們選擇支持的內(nèi)容將成為他們?nèi)绾慰创磥?lái)擴(kuò)展挑戰(zhàn)的指南。量子退火——注意未來(lái)

D-Wave硬件計(jì)劃的細(xì)節(jié)。Qilimanjaro提出的“相干”量子退火器有

什么細(xì)節(jié)。離子阱技術(shù)——現(xiàn)有的領(lǐng)導(dǎo)者如霍尼韋爾和

IonQ將由

AQT推動(dòng)。關(guān)注來(lái)自微波門技術(shù)初

創(chuàng)公司的消息，如

OxfordIonics、UniversalQuantum和

NextGenQ。中性原子——2021

年會(huì)看到

ColdQuanta的

100Q設(shè)備登上頭條嗎？尤其關(guān)注保真度。

關(guān)注更多來(lái)自初創(chuàng)公司

QuEra、Pasqal和

AtomComputing的計(jì)劃。量子點(diǎn)——自旋量子比特原型通常基于硅襯底上的金屬氧化物半導(dǎo)體或硅鍺量子點(diǎn)。在過(guò)去

的兩年里，硅襯底上的鍺量子比特已經(jīng)取得了驚人的進(jìn)展。觀察哪種變體將成為領(lǐng)先的量子點(diǎn)量子比特平臺(tái)。硅保真度——展示真正高保真的

2Q門性能仍然是一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。關(guān)注

QLSI財(cái)團(tuán)透露的細(xì)

節(jié)。我們會(huì)看到

SQC或

PhotonicInc開(kāi)始趕上量子比特的高保真度嗎？光子平臺(tái)——已經(jīng)開(kāi)發(fā)了這種技術(shù)的多種變體，每種都有不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。絕緣體上硅

(SOI)是最成熟的技術(shù)，并得到了

PsiQ的支持。氮化硅(Si3N4)提供了一個(gè)強(qiáng)大的現(xiàn)有組件生

態(tài)系統(tǒng)，并受到

Xanadu和

QuiX的青睞。這項(xiàng)技術(shù)的其他變化正在出現(xiàn)。注意這些技術(shù)中

哪一項(xiàng)將在量子應(yīng)用中脫穎而出。Duality會(huì)選擇哪一個(gè)作為它的起點(diǎn)？專用設(shè)備——重視量子模擬器是歐盟量子旗艦的一個(gè)特點(diǎn)。注意

PASQuanS和

Qombs等項(xiàng)

目的結(jié)果。通過(guò)

ATOS、法國(guó)電力和空客等公司，終端用戶的參與度在這里尤其高。關(guān)注來(lái)自初創(chuàng)公司的原型計(jì)劃。拓?fù)淞孔颖忍亍?020

年經(jīng)歷了一次重大的挫折，對(duì)之前

TUDelft關(guān)于馬約拉納準(zhǔn)粒子的

結(jié)果提出了質(zhì)疑。繼續(xù)關(guān)注相關(guān)爭(zhēng)論。控制硬件——R&D市場(chǎng)將成為蘇黎士?jī)x器和

QuantumMachines等控制專家的重要跳板。

IBM、谷歌、英特爾和微軟等巨頭都將目光投向了距離量子硬件更近的低溫

CMOS控制硬

件。Seeqc正在開(kāi)發(fā)自己的具有潛在顛覆性的“數(shù)字”控制技術(shù)。英國(guó)國(guó)家量子計(jì)算中心(NQCC)——關(guān)注

2021

年初多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的資助計(jì)劃。新的量子比特技術(shù)——AWS對(duì)混合電聲(electro-acoustic)量子比特感興趣。QuantumBrilliance正在研究一種基于金剛石

NV的處理器。EeroQ在尋找氦上的電子。注意這些和其他新技術(shù)

平臺(tái)的細(xì)節(jié)。新代碼——AWS的混合電聲量子比特不僅因其新的技術(shù)平臺(tái)，還因其提出的“級(jí)聯(lián)

cat碼”

糾錯(cuò)方案而聞名。注意受這種方法啟發(fā)的其他方案。擴(kuò)展——對(duì)于大多數(shù)設(shè)備來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵問(wèn)題不是它們能做什么，而是它們展示了平臺(tái)不斷向量子優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展的能力。第三章：2021

量子軟件展望一、量子計(jì)算云服務(wù)市場(chǎng)升溫1.IBMQIBM宣布實(shí)現(xiàn)其量子計(jì)算研發(fā)版圖中的全新里程碑，過(guò)去四年中，IBMCloud上部署了

28

個(gè)

量子計(jì)算系統(tǒng)。IBM用于商業(yè)的量子計(jì)算機(jī)服務(wù)

IBMQ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根據(jù)自身在早期階段搭建量子社區(qū)的經(jīng)驗(yàn)

出版書(shū)籍。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。2.來(lái)自競(jìng)爭(zhēng)者的追趕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)

RigettiComputing推出了

Rigetti量子云服務(wù)(QCS)。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。微軟能夠通過(guò)“QStation”繼續(xù)從事量子計(jì)算基礎(chǔ)研究。AWS也在努力趕超。Google一直保持對(duì)其先進(jìn)硬件的訪問(wèn)權(quán)，但現(xiàn)在已啟動(dòng)了一項(xiàng)早期訪問(wèn)計(jì)劃，以允許特定的

外部人員訪問(wèn)其量子云服務(wù)?？傮w而言，量子云服務(wù)平臺(tái)市場(chǎng)參與者的增加反映出各公司技術(shù)專業(yè)人才的廣泛籠絡(luò)。想要

打贏量子領(lǐng)域的硬仗，還需投入大量的資金。二、教育的重要性建立量子算法平臺(tái)用戶群的第一步是用戶參與和教育。2020

年的一大亮點(diǎn)是首屆

IBM量子編程挑戰(zhàn)賽。比賽設(shè)置了四個(gè)任務(wù)供程序員試用其基于云的量子計(jì)算機(jī)，以擴(kuò)展量子編程技能。來(lái)自

QuantumRealmGames的量子國(guó)際象棋有望成為

Google量子云計(jì)劃的一個(gè)成功項(xiàng)目。這是量子算法在經(jīng)典游戲的有趣應(yīng)用。量子領(lǐng)域需要一些方法來(lái)使不具備量子專業(yè)知識(shí)的人對(duì)量子計(jì)算結(jié)果與經(jīng)典結(jié)果有所感受，領(lǐng)略到量子的魅力。量子國(guó)際象棋做到了這一點(diǎn)，甚至可以使參與者的教育程度降低到高中水平。中國(guó)科學(xué)家也已經(jīng)沿著類似的思路開(kāi)發(fā)了量子

圍棋。另一個(gè)有趣的量子算法學(xué)習(xí)產(chǎn)品是

Q-CTRL的

BLACKOPAL，它可以在光滑的儀表盤上可視化處理錯(cuò)誤，最重要的是，可以幫助用戶可以直觀地查看噪聲的影響并使用控件對(duì)量子計(jì)

算機(jī)的電路進(jìn)行重新編程來(lái)糾正錯(cuò)誤。在歐洲，QuTech的

QuantumInspire量子云平臺(tái)能夠讓所有人都能夠訪問(wèn)量子計(jì)算機(jī)，而且

所訪問(wèn)的量子計(jì)算機(jī)還是世界上第一個(gè)使用由可擴(kuò)展自旋量子比特制成的量子處理器。該平臺(tái)還提供對(duì)超導(dǎo)（Transmon）量子比特制成的處理器的訪問(wèn)。因此，用戶可以測(cè)試量子算法

并比較處理器的效果。三、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。四、幫助量子企業(yè)的研發(fā)工作隨著越來(lái)越多的公司開(kāi)始從事早期的量子計(jì)算研發(fā)活動(dòng)，許多初創(chuàng)公司正在尋求為新生的量

子應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)提供合適的開(kāi)發(fā)環(huán)境。Zapata、QCWare、1QBit和

Strangeworks均提供出色的量子產(chǎn)品。到目前為止，Zapata籌集

了

5700

萬(wàn)美元用于研發(fā)，而

QCWare則受益于

Q2B會(huì)議抓住了研發(fā)的早期優(yōu)勢(shì)。五、未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域真正的量子應(yīng)用軟件的出現(xiàn)還為時(shí)過(guò)早，但是初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)在為這個(gè)未來(lái)市場(chǎng)定位。關(guān)鍵一

點(diǎn)在于平衡量子算法的專業(yè)知識(shí)與深入的行業(yè)洞察力，與傳統(tǒng)應(yīng)用軟件領(lǐng)域相比，后者可能

甚至更為重要，建立可以與行業(yè)保持互動(dòng)并繁榮發(fā)展的商業(yè)模式是一個(gè)挑戰(zhàn)。六、量子編譯器優(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?，F(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。編譯器市場(chǎng)中富有前景的方向都建立在深厚的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)上，這些專業(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。七、量子操作系統(tǒng)Riverlane的

Deltaflow.OS是一個(gè)新的全棧量子操作系統(tǒng)。由總部位于劍橋的量子計(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（約合

6900

萬(wàn)

RMB）的撥款，用于部

署高度創(chuàng)新的量子操作系統(tǒng)

Deltaflow.OS。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。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。八、量子軟件堆棧盡管對(duì)量子硬件性能有不同的衡量標(biāo)準(zhǔn)，但仍然很少能解決怎樣從云端到終端使用

這些系統(tǒng)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，許多人認(rèn)為必須將多數(shù)開(kāi)發(fā)人員的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為一個(gè)簡(jiǎn)單易懂的結(jié)論。隨著技術(shù)的進(jìn)步，從現(xiàn)在起的

8-10

年，

人們將再次使用

Python和

PyTorch進(jìn)行編寫。九、2021

展望云中的量子霸權(quán)——谷歌還沒(méi)有成功地在

Sycamore的常規(guī)（自動(dòng)校準(zhǔn)）運(yùn)行中重復(fù)其量子

霸權(quán)實(shí)驗(yàn)。誰(shuí)是第一個(gè)讓用戶在云端實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)計(jì)算的公司？拭目以待！云中的量子體積——量子體積是早期量子處理器能力的更全面的度量。如果離子阱產(chǎn)品能夠

在這里建立一個(gè)領(lǐng)先地位，那么對(duì)于提供訪問(wèn)的平臺(tái)來(lái)說(shuō)，預(yù)計(jì)會(huì)有一個(gè)大的突破。云基準(zhǔn)測(cè)試——關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)“真正的問(wèn)題”基準(zhǔn)測(cè)試的發(fā)展。D-Wave的新的

Qiskit插件旨在

使它能夠輕松地在

Qiskit支持的任何后端以及它自己的量子退火硬件上對(duì)一類重要的優(yōu)化

問(wèn)題進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。硬件無(wú)關(guān)平臺(tái)——硬件無(wú)關(guān)的量子云平臺(tái)（如微軟

Azure）在財(cái)大氣粗的科技巨頭的支持下

正在崛起。自有品牌全棧平臺(tái)將如何適應(yīng)？參與度——IBMQuantum在用戶參與度和教育方面的領(lǐng)先地位令人望而生畏，不太可能很

快被超越。是否會(huì)看到競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在這一點(diǎn)上取得任何進(jìn)展？教育——關(guān)注專門針對(duì)教育市場(chǎng)的產(chǎn)品發(fā)布。BLACKOpal2.0

預(yù)計(jì)將涵蓋發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)到

執(zhí)行算法，內(nèi)容來(lái)自

ChrisFerrie。量子國(guó)際象棋大賽

2.0

承

諾將包括量子解決方案的謎題。能看到谷歌

DeepMind的一個(gè)

AI對(duì)手嗎？編譯器——關(guān)注新的實(shí)用優(yōu)化功能。Horizon公司——HorizonQuantumComputing正在向早期用戶開(kāi)放其專有的編譯器和軟件開(kāi)

發(fā)工具。它有一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)，即允許開(kāi)發(fā)人員根據(jù)用經(jīng)典語(yǔ)言（如

Matlab）編寫的程

序自動(dòng)構(gòu)造量子算法。這個(gè)平臺(tái)是否允許更廣泛的軟件開(kāi)發(fā)人員，在沒(méi)有量子特定知識(shí)的情

況下，將他們的技能帶到桌面上？量子網(wǎng)絡(luò)——關(guān)注

AliroQuantum前兩款產(chǎn)品

Q.Compute和

Q.Network的進(jìn)展。這些會(huì)引起

圍繞量子網(wǎng)絡(luò)的熱議嗎？模擬器——高性能模擬仍然是理解、測(cè)試和驗(yàn)證量子軟件的關(guān)鍵。注意優(yōu)化的模擬器性能。量子象棋

vs量子圍棋——中國(guó)大型企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)的量子云平臺(tái)越來(lái)越多地尋求復(fù)制西方

開(kāi)創(chuàng)的用戶參與之旅，比如量子圍棋。第四章：2021

量子算法展望一、推動(dòng)

NISQ發(fā)展的量子優(yōu)勢(shì)1.GoogleSycamore量子芯片Google的

Sycamore量子芯片在

2019

年底大獲成功，大大提升了量子計(jì)算性能。谷歌將“春

季量子研討會(huì)”作為其量子計(jì)算服務(wù)的亮點(diǎn)，量子研究成果令人印象深刻。Google對(duì)

Sycamore的研究集中在如何縮短量子計(jì)算的時(shí)長(zhǎng)上，使其具有更高的計(jì)算性能。在多次化學(xué)量子模擬的情況下，Google展示了基于

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。Google對(duì)于量子計(jì)算機(jī)是否能用于加速目前的化學(xué)反應(yīng)量子模擬技術(shù)持保留意見(jiàn)。2.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)。UmeshVazirani（伯克利）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。3.優(yōu)化基準(zhǔn)測(cè)試從金融服務(wù)到物流再到制造業(yè)，優(yōu)化算法是應(yīng)用于實(shí)際案例的重要前提。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。4.離子阱使他們名聲大噪隨著

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。像傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)一樣，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行研究的能力正是該領(lǐng)域的學(xué)者所不可或缺的。5.關(guān)鍵步驟霍尼韋爾架構(gòu)的關(guān)鍵特征之一是可在電路中間測(cè)量單個(gè)量子比特。從中期來(lái)看，所有設(shè)備都

需要將此作為實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)的關(guān)鍵步驟。量子比特的中間電路測(cè)量復(fù)位是霍尼韋爾獨(dú)有的技術(shù)，其他使用離子阱方法的量子計(jì)算公司

也在試圖復(fù)制該技術(shù)。霍尼韋爾實(shí)際上能夠減少某些操作所需的量子比特?cái)?shù)。二、量子研究的成果1.模擬量子化學(xué)和材料科學(xué)QuantumBenchmark公司將材料科學(xué)列為第一個(gè)可能從量子算法中受益的領(lǐng)域。這些材料本質(zhì)上屬于量子系統(tǒng)，因此通常有機(jī)會(huì)將量子設(shè)備中的噪聲轉(zhuǎn)化為需要的部分。要模擬的一個(gè)電子軌道需要一個(gè)量子比特。因此，使用

100Qubit+設(shè)備似乎可以

達(dá)到需要的效果。啟發(fā)式變分路徑是一種可能的方法，但是對(duì)于其具體應(yīng)用仍在研究當(dāng)中。2.優(yōu)化金融、物流和制造業(yè)服務(wù)在世界范圍內(nèi)，已有

20

多家金融機(jī)構(gòu)在量子計(jì)算方面有所建樹(shù)。高盛和摩根大通是

IBMQuantumNetwork的合作伙伴。在

2020

年，高盛、摩根大通、巴克萊、BBVA等公司一直在商討他們正在進(jìn)行的早期量子

研究工作，并確定優(yōu)先的研究領(lǐng)域，主要是金融投資組合優(yōu)化和用于對(duì)金融衍生工具定價(jià)的

蒙特卡羅技術(shù)。3.機(jī)器學(xué)習(xí)IBM的最新理論工作首次證明，即使僅訪問(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。QCWareQCWare開(kāi)發(fā)了兩種類型的數(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。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。4.掌握量子研發(fā)技術(shù)量子計(jì)算真正發(fā)揮作用還需要時(shí)日?？罩锌蛙嚬疽言谡麄€(gè)量子領(lǐng)域建立了強(qiáng)大的知識(shí)網(wǎng)，

也使空客量子研究團(tuán)隊(duì)對(duì)量子算法的研究有了更深的理解。三、一百萬(wàn)量子比特的作用一臺(tái)能求解且有實(shí)用價(jià)值的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)需要有上百萬(wàn)個(gè)量子比特，并且可以訪問(wèn)諸如

QRAM和快速互連之類的資源。隨著越來(lái)越多的硬件描述了針對(duì)“百萬(wàn)級(jí)量子比特”糾錯(cuò)量

子計(jì)算機(jī)的路線圖，自然就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題——應(yīng)該怎樣做出這種規(guī)格的設(shè)備呢？1.二次加速是否足夠目前在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算指數(shù)級(jí)加速方面沒(méi)有理論上的難題。但是，在量子算法僅提供平方加速

的情況下，存在一定的困難。量子計(jì)算機(jī)存在一段不必要的較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。將算法改進(jìn)以下，將能使

量子計(jì)算設(shè)備的優(yōu)勢(shì)增加。平方加速似乎不足以在基于當(dāng)前前端運(yùn)行

架構(gòu)的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)上提供足夠的運(yùn)行能力。2.尋求更好的加速容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)前景廣闊，但其功能仍然有限。眾所周知，絕熱量子計(jì)算在原理上與基于電路的模型具有相同的計(jì)算能力。量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力正在以雙重指數(shù)的速度迅速發(fā)展，但研究這一算法仍需要時(shí)間。Google和

Troyer的工作指出算法的前景，即提供多項(xiàng)式加速的算法比平方更具有優(yōu)勢(shì)，但

即使是

ScottAaronson，目前也無(wú)法研究出真正能應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中的量子算法。四、2021

展望量子性的證明——會(huì)更容易看到基于

PQC陷門(trapdoor)的量子優(yōu)勢(shì)實(shí)驗(yàn)嗎？可認(rèn)證的隨機(jī)數(shù)——谷歌會(huì)使用其新的量子設(shè)備之一來(lái)推出遠(yuǎn)程可認(rèn)證的公共隨機(jī)性服務(wù)

嗎？谷歌早期訪問(wèn)計(jì)劃——谷歌目前正在將其平臺(tái)的訪問(wèn)權(quán)限擴(kuò)展到外部團(tuán)體。第一波將由美國(guó)

學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)主導(dǎo)，物理模擬專家

Phasecraft的加入引人注目。注意其他被選中的組織。IBMQuantum合作伙伴——包括戴姆勒、?？松梨?、摩根大通、三星、高盛、埃森哲、JSR和波音在內(nèi)的藍(lán)籌合作伙伴對(duì)

IBMQuantumCloud的擴(kuò)張表示歡迎。D-Wave——除了具有

5000

個(gè)退火量子比特和

15

路連接的新硬件外，D-Wave現(xiàn)在還推出了

擴(kuò)展的混合解算器支持。注意可以解決的問(wèn)題大小的影響。它的藍(lán)籌客戶會(huì)將量子應(yīng)用程序

投入日常業(yè)務(wù)使用嗎？新的量子聯(lián)盟——高規(guī)格的離子阱處理器為探索

NISQ算法提供了新的機(jī)會(huì)，NISQ算法經(jīng)

過(guò)調(diào)整可用于高保真度、高連接性和中間電路測(cè)量。關(guān)注圍繞

AWSBraket和

AzureQuantum新的量子聯(lián)盟。NEASQC——這一新的價(jià)值

4.7

歐元的

QT旗艦項(xiàng)目將針對(duì)

NISQ使用案例，與阿斯利康、

法國(guó)電力公集團(tuán)、HSB、Tilde、道達(dá)爾以及量子軟件公司

Atos和

HQS等密切合作。注意工

作的細(xì)節(jié)。藥物發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)？——大型制藥公司能否效仿空客的做法，加快構(gòu)建自己的量子路線圖？科學(xué)的早期應(yīng)用——基礎(chǔ)科學(xué)研究中的應(yīng)用成為早期應(yīng)用日益突出的焦點(diǎn)領(lǐng)域，特別是量子

機(jī)器學(xué)習(xí)。NISQ錯(cuò)誤緩解——?jiǎng)?chuàng)新可能是早期商業(yè)應(yīng)用能否通過(guò)

NISQ設(shè)備實(shí)現(xiàn)的最重要驅(qū)動(dòng)力。注

意開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)分層技術(shù)的工具箱。不同的

FTQC規(guī)格——FTQC需要在不同的量子比特技術(shù)之間權(quán)衡。需關(guān)注為高規(guī)格應(yīng)用程

序提供所需資源的詳細(xì)估計(jì)的工作。注意較慢的門速度與減少的糾錯(cuò)開(kāi)銷之間的相互作用。第五章：2021

量子互聯(lián)網(wǎng)展望一、措施未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)所構(gòu)成的威脅不應(yīng)與網(wǎng)絡(luò)安全的日常防火墻相混淆。COVID-19

危機(jī)意味著，2020

年將是錯(cuò)失準(zhǔn)備

抵御量子威脅的一年。企業(yè)需要一個(gè)“合理的最壞情況”日期，并以此為界做好應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備。二、后量子加密時(shí)代即將到來(lái)科學(xué)家一直在開(kāi)發(fā)能夠抵抗量子計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)有密碼算法攻擊的新一代密碼算法。自

2016

年以來(lái)，該方法已通過(guò)

NIST的評(píng)估，新的密碼算法基于量子數(shù)字簽名（QDS）

和密鑰封裝機(jī)制（KEM）。NIST評(píng)估過(guò)程進(jìn)展順利，并正在計(jì)劃中。

PQC能抵抗來(lái)自量子計(jì)算機(jī)的攻擊。三、現(xiàn)代量子密碼學(xué)1.量子隨機(jī)性隨機(jī)數(shù)是幾乎所有密碼系統(tǒng)的基本組成部分。QRNG是一款超小型量子隨機(jī)數(shù)生成器芯片

原型。ORNG已經(jīng)被用于一些新興的科技產(chǎn)業(yè)商品中。IDQ及其戰(zhàn)略合作伙伴

SK電信在

2020

年通過(guò)在三星手機(jī)上搭載小型

QRNG芯片而引人注

目。2.量子密鑰分發(fā)國(guó)盾量子為迄今為止全球最大的運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)提供硬件服務(wù)。目前正在擴(kuò)展

2000

公里京滬干線，

并建設(shè)

5500

公里的延長(zhǎng)線。已經(jīng)完成了合肥和武漢之間

700

公里的橫向干線建設(shè)，另外還

有

360

公里的在建工程和

2200

公里的擬建工程。東芝宣布即將部署商業(yè)量子密鑰分發(fā)（QKD）平臺(tái)，到

2035

年，有望突破

200

億美元的市

場(chǎng)份額。東芝的研發(fā)團(tuán)隊(duì)也非常強(qiáng)大，其研究小組在劍橋提出新的

TF-QKD協(xié)議，承諾將

實(shí)際的

QKD擴(kuò)展到“城際”距離，達(dá)

500

公里。在過(guò)去的兩年中，QuantumXchange推出了產(chǎn)品

PhioQK（多點(diǎn)

QKD）和

PhioTX（一種提

供帶外和

PQC密鑰的嵌入式解決方案），以用于服務(wù)紐約金融、電信和政府部門。四、過(guò)去的爭(zhēng)論P(yáng)QC顯然是現(xiàn)在可以采用的常規(guī)互聯(lián)網(wǎng)和普通業(yè)務(wù)應(yīng)用程序的首選選項(xiàng)。但是當(dāng)需要

更高級(jí)別的安全性并且產(chǎn)生一定的額外成本時(shí)，PQC和

QKD在分層防御中也顯然是互補(bǔ)

的。QKD有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，只要不破壞初始密鑰的形成，就沒(méi)有機(jī)會(huì)對(duì)其進(jìn)行攻擊。實(shí)際上，

實(shí)時(shí)

PQCDS技術(shù)非常適合

QKD，可以形成優(yōu)異且靈活的總體協(xié)議，同時(shí)增強(qiáng)其安全性。五、現(xiàn)在的爭(zhēng)論量子領(lǐng)域的技術(shù)環(huán)境發(fā)生了重要變化。政府已認(rèn)識(shí)到建設(shè)未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的核心任務(wù)

是從目前的量子革命中找到其中的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)所在。中國(guó)和英國(guó)的量子技術(shù)計(jì)劃一直強(qiáng)調(diào)量子網(wǎng)絡(luò)的重要性。歐盟的量子技術(shù)旗艦計(jì)劃已將“在

歐洲建立量子互聯(lián)網(wǎng)”作為其長(zhǎng)期戰(zhàn)略目標(biāo)。美國(guó)于

2019

年發(fā)起了自己的國(guó)家量子計(jì)劃，

2020

年發(fā)布美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略構(gòu)想。六、量子糾纏量子互聯(lián)網(wǎng)的基本資源是量子比特和量子糾纏。多個(gè)量子比特的相干操縱和糾纏態(tài)制備,是

量子計(jì)算的最核心指標(biāo)。目前最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何根據(jù)自身需要在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生糾纏。七、太空領(lǐng)域中國(guó)的“墨子號(hào)”衛(wèi)星于

2017

年為世人所知。2020

年，改進(jìn)的地面站光學(xué)系統(tǒng)使墨子號(hào)展

示了另一個(gè)世界首創(chuàng)的技術(shù)——兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)的地面站之間基于糾纏的

QKD。與先前的工

作相比，該研究將雙光子分布的鏈路效率提高了約

4

倍，并獲得了

0.12

比特/秒的有限密鑰

-秘密密鑰速率。中國(guó)利用墨子號(hào)演示了利用量子信號(hào)（即單光子）作為載體進(jìn)行所謂的時(shí)間傳輸。八、地面技術(shù)地面技術(shù)也在迅速發(fā)展。2020

年的一個(gè)亮點(diǎn)是在多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離的量子網(wǎng)絡(luò)中取得基礎(chǔ)性突破。另一個(gè)亮點(diǎn)是拓展了量子糾纏的光纖傳輸距離。2020

年，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)成功在兩個(gè)由

50

公里光纖連接的量子存儲(chǔ)器間實(shí)現(xiàn)量子糾纏，為構(gòu)建基于量子中繼的量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。九、未來(lái)展望實(shí)現(xiàn)真正的量子互聯(lián)網(wǎng)仍有很長(zhǎng)的路要走。在較短的距離上，便攜式

QKD設(shè)備才

能實(shí)現(xiàn)靈活性；在城市和城市之間可以利用光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)通信；對(duì)于遠(yuǎn)距離而言，量子衛(wèi)星鏈接是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。未來(lái)的全球量子互聯(lián)網(wǎng)則需要將這些技術(shù)結(jié)合起來(lái)。十、2021

展望NIST后量子密碼標(biāo)準(zhǔn)化工作第

3

輪——預(yù)計(jì)將出現(xiàn)一個(gè)用于互聯(lián)網(wǎng)和一般用途的

DS和

KEM。兩者都是基于結(jié)構(gòu)化晶格的密碼。預(yù)計(jì)

2022

年標(biāo)準(zhǔn)草案的制定過(guò)程將保持在正軌上。NIST后量子密碼標(biāo)準(zhǔn)化工作第

4

輪——注意

NIST額外一輪評(píng)估的更多細(xì)節(jié)。NIST備選方

案清單上的協(xié)議可能會(huì)出現(xiàn)。QRNG智能手機(jī)——這是否會(huì)超越利基用戶的專業(yè)功能？如果它能向更廣泛的受眾證明這

是一個(gè)低成本的附加組件和一個(gè)有吸引力的營(yíng)銷點(diǎn)，那么它可能是量子經(jīng)濟(jì)時(shí)代的第一個(gè)重

大突破。QRNG市場(chǎng)——在更廣闊的

QRNG市場(chǎng)上，預(yù)計(jì)將在可用熵率、交換和認(rèn)證方面展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。IDQ在這一細(xì)分市場(chǎng)具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

客戶需要知道

QRNG設(shè)備能否做到其聲稱的功能。QKD玩家——東芝、SK電信、英國(guó)電信、德國(guó)電信、西班牙電信、Orange以及

Verizon等

大牌公司越來(lái)越積極地將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化。注意商業(yè)滲透的最新進(jìn)展。CVQKD系統(tǒng)現(xiàn)在也可以從

XTQuantech和