近年來，量子計算無疑是主要大國和科技強國重點關(guān)注的科技領(lǐng)域之一。各方在該領(lǐng)域的布局不斷深化，投資額度年年攀升，科研探索和技術(shù)創(chuàng)新高度活躍，代表性成果亮點紛呈、前景可期。量子計算未來有望成為推動基礎(chǔ)科學、信息通信技術(shù)和數(shù)字經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強大新動能。

　　2020年中，各國政府和企業(yè)爭相加大量子計算領(lǐng)域的投入，研究與應用成果頻出?？沽孔用艽a研究方興未艾，量子處理器的性能指標屢屢刷新紀錄，運行條件、量子材料和測控能力等不斷進步，量子編程語言和應用服務更加契合實際需求。量子計算的物理技術(shù)路線多頭并進，離子阱和超導技術(shù)相對領(lǐng)先，但光量子、硅量子點和拓撲等技術(shù)也表現(xiàn)出不凡潛力。本文從不同側(cè)面入手，梳理總結(jié)了量子計算領(lǐng)域在2020年中的發(fā)展動態(tài)和突出特點。

　　一 各國夯實研發(fā)力量，勾勒中短期發(fā)展藍圖

　　盡管量子計算尚在初期發(fā)展階段，但考慮到量子計算可能帶來的革命性影響，主要大國都在不遺余力地發(fā)展量子計算技術(shù)。2020年中，各國紛紛設(shè)立新的研發(fā)機構(gòu)，就未來5到10年左右的量子計算發(fā)展作出規(guī)劃。

　　1.1  美國力求維持量子技術(shù)優(yōu)勢地位

　　早在2002年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）就開始制定國家級的量子技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，從而使美國占據(jù)了該領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢。2020年中，為維持美國在量子計算領(lǐng)域的優(yōu)勢地位，美國新建了一批量子技術(shù)研發(fā)機構(gòu)，繼續(xù)完善量子技術(shù)方面的國家級協(xié)調(diào)機制，并計劃打造量子網(wǎng)絡(luò)。

　　2月，美國白宮發(fā)布《美國量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略愿景》報告，提出美國將建造量子互聯(lián)網(wǎng)，確保量子信息科學（QIS）惠及大眾。7月，美國能源部公布一項量子互聯(lián)網(wǎng)計劃，計劃在十年內(nèi)建成與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)并行的量子互聯(lián)網(wǎng)。同在7月，美國白宮科技政策辦公室（OSTP）和國家科學基金會（NSF）宣布成立三家新的“量子飛躍挑戰(zhàn)研究所”（QLCI），分別推動量子計算、量子通信和量子測量三大方向的研究工作，其中量子計算QLCI的目標是建造大型量子計算機、開發(fā)量子算法和實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”（亦稱“量子霸權(quán)”）。8月，OSTP、NSF和美國能源部亦宣布在能源部轄下的國家實驗室新建5個量子科研中心，即下一代量子科學與工程中心（Q-NEXT）、量子優(yōu)勢協(xié)同設(shè)計中心（C?QA）、超導量子材料與系統(tǒng)中心（SQMS）、量子系統(tǒng)加速器（QSA）和量子科學中心（QSC）。同在8月，美國組建國家量子倡議咨詢委員會（NQIAC），負責向能源部和量子信息科學分委會提出量子技術(shù)方面的建議。10月，美國白宮國家量子協(xié)調(diào)辦公室（NQCO）發(fā)布《量子前沿：國家量子信息科學戰(zhàn)略參考報告》，該報告將QIS定位為確保美國長期經(jīng)濟繁榮和國家安全的關(guān)鍵優(yōu)先事項，并提出QIS的8個前沿領(lǐng)域。

　　1.2  歐洲加碼量子技術(shù)研發(fā)規(guī)劃

　　作為全球三大經(jīng)濟體之一，歐洲并未忽視量子技術(shù)的研發(fā)和規(guī)劃。歐盟從2008年起陸續(xù)發(fā)布多份量子技術(shù)報告，并于2018年正式啟動為期十年的“歐洲量子技術(shù)旗艦計劃”。2020中，歐洲各國加緊完善歐盟及本國層面的量子技術(shù)研發(fā)規(guī)劃，以獨立發(fā)展自身的量子技術(shù)能力。

　　5月，歐盟“歐洲量子技術(shù)旗艦計劃”官網(wǎng)發(fā)布《戰(zhàn)略研究議程（SRA）》報告，計劃在未來三年內(nèi)加緊建設(shè)歐洲的量子通信網(wǎng)絡(luò)，完善和擴展現(xiàn)有數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，為未來的“量子互聯(lián)網(wǎng)”奠定基礎(chǔ)。1月，法國議員向國會提交一份議案，以支持量子技術(shù)在未來5年內(nèi)的發(fā)展。該議案主要包括以下內(nèi)容：由法國國家研究局（ANR）下轄的“量子技術(shù)”中心開展20個探索性項目，并從中選出三個優(yōu)先項目；在法國創(chuàng)立三處“研發(fā)樞紐”（Hub），以匯聚量子物理領(lǐng)域的理論和技術(shù)研究人員、工程師、企業(yè)和最終用戶；在2024年年底前創(chuàng)建50家量子初創(chuàng)公司；圍繞量子領(lǐng)域組建戰(zhàn)略委員會和國家計劃部際協(xié)調(diào)員等國家級統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機制；探索在量子技術(shù)領(lǐng)域開展國際合作的可能性；舉辦與量子技術(shù)有關(guān)的多項挑戰(zhàn)賽；籌劃量子計算領(lǐng)域的培訓課程等。7月，德國在疫后經(jīng)濟刺激計劃中特設(shè)“量子專項”，以求在2021年前建造一臺實驗性量子計算機。同在7月，英國國防科學與技術(shù)實驗室（DSTL）發(fā)布《量子信息處理技術(shù)布局2020：英國防務與安全前景》研究報告，預計量子技術(shù)將在未來5到10年內(nèi)推廣至防務體系和金融交易領(lǐng)域。11月，法國原子能委員會電子與信息技術(shù)實驗室（CEA-Leti）宣布將建造量子光電子平臺，以便在硅光電子平臺的基礎(chǔ)上，設(shè)計、制造和測試量子光電集成組件和電路。

　　1.3  俄羅斯正式加入量子計算競賽

　　俄羅斯在量子計算領(lǐng)域已取得一定進展，但與已實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的中美兩國相比仍差距明顯。2020年中，俄羅斯首次從國家層面正式加入量子計算機研發(fā)競賽。

　　2019年12月末，俄羅斯副總理提出國家量子行動計劃，擬5年內(nèi)制造出能與其它國家媲美的實用量子計算機。2020年5月，俄羅斯鐵路公司宣布計劃在2024年前建設(shè)10000公里長的量子網(wǎng)絡(luò)。2020年11月，俄羅斯量子中心、俄羅斯原子能集團下屬企業(yè)、斯科爾科沃基金會以及幾家俄高校宣布共同組建俄羅斯國家量子實驗室，該實驗室的首要任務是研發(fā)量子計算機，同時也致力于協(xié)助量子技術(shù)出口、建設(shè)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和推動量子技術(shù)教育工作等。

　　1.4  印度借力國際量子計算合作

　　印度在量子計算領(lǐng)域根基尚淺，但大國雄心促使其爭取在這一關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域有所作為。2020年中，印度積極開展對外合作，希望借助他國的先進技術(shù)和豐富經(jīng)驗來提升本國的量子技術(shù)。

　　2月，印度政府表示計劃在5年內(nèi)制造出第一臺印度的國產(chǎn)量子計算機。6月，印度聯(lián)合商會（ASSOCHAM）主辦了“2020年印度量子技術(shù)密會”（IQTC2020），以討論如何在印度實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，與會方包括IBM、微軟、霍尼韋爾和新加坡國立大學等在量子領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的外方機構(gòu)。8月，印度理工學院（IIT）宣布將與莫斯科羅蒙諾索夫國立大學（Moscow State University）及俄羅斯軟件公司合作，由俄方向其轉(zhuǎn)讓低溫學、密碼學和模塊化云管理技術(shù)，并在印度建造全球最大且速度最快的混合量子計算機。同在8月，微軟宣布將為印度的頂級大學和研究所培養(yǎng)900名量子技術(shù)人才，涵蓋領(lǐng)域包括量子技術(shù)基礎(chǔ)知識、量子位、量子門操作和量子編程等。

　　二 礪劍亦鑄盾，抗量子密碼研究方興未艾義

　　自谷歌公司于2019年宣布首次實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”以來，“用量子計算機迅速破解密碼”正逐漸從技術(shù)設(shè)想轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實威脅。預計未來十年后，基于因數(shù)分解、離散對數(shù)和橢圓曲線的非對稱密碼算法（包括RSA和橢圓曲線密碼（ECC）在內(nèi)的幾乎所有加密算法）都將被量子計算機輕易破解，屆時所有保密信息都必須由全新的抗量子手段來提供保護。2020年中，在德國與芬蘭相繼啟動抗量子加密項目，以發(fā)展歐洲的抗量子加密能力；美國更是大力推動抗量子加密算法標準建設(shè)，以求主導抗量子加密算法的發(fā)展路徑。

　　2.1  歐洲國家相繼啟動抗量子加密項目

　　自“斯諾登”事件曝光以來，美歐之間的信息安全互信已出現(xiàn)了明顯的裂痕?？紤]到美國在量子計算領(lǐng)域的技術(shù)水平及其監(jiān)聽歐洲領(lǐng)導人的前科，歐洲國家必然會警惕量子計算機對加密通信的威脅。2020年中，為防范美國及其它國家的量子計算機將來構(gòu)成的威脅，以德國和芬蘭為代表的歐洲國家未雨綢繆，相繼啟動各自的抗量子加密項目。3月，德國半導體巨頭英飛凌（Infineon）公司宣布其正在開展兩項基于芯片的量子安全機制研究項目，這兩項項目得到德國聯(lián)邦研究與教育部的資助，旨在解決工業(yè)系統(tǒng)、智能卡和嵌入式醫(yī)療系統(tǒng)的抗量子加密問題。5月，Tutanota公司宣布在歐盟的資助下，其正在與萊布尼茲大學（Leibniz University of Hanover）合作開展一個名為“PQmail”的電子郵件抗量子加密項目。6月，在芬蘭商務局（Business Finland）牽頭下，包括赫爾辛基大學（University of Helsinki）、VTT研究中心、芬蘭國家安全機關(guān)和私營企業(yè)在內(nèi)的各方啟動了“抗量子加密”（PQC）項目，以研發(fā)量子時代的安全加密技術(shù)。

　　2.2  美國加緊制定抗量子加密標準

　　近年來，NIST一直在開展抗量子密碼評審工作，以便為將來的抗量子密碼標準奠定基礎(chǔ)。2020年中，NIST完成了第二輪抗量子加密算法評審，從26種候選算法中選出了7種入圍算法和8種候補算法。其評審結(jié)果表明，“格密碼”（lattice-based cryptography）計算速度快、通信開銷較小、適用范圍廣，是目前最有前景的抗量子加密技術(shù)。在此次入圍的7種算法中，格密碼算法就占了5種（包括CRYSTALS-KYBER、NTRU、SABRE、CRYSTALS-DILITHIUM和FALCON），足見其巨大潛力。7月，美國國家標準技術(shù)研究所（NIST）結(jié)束了為期三年多的第二輪抗量子加密算法評審已經(jīng)結(jié)束，從中選出了15種算法，其中9種算法適用于公鑰加密，6種算法適用于數(shù)字簽名；NIST計劃在2022年左右完成第三輪評審，隨后發(fā)布首份抗量子密碼技術(shù)標準，但其不排除新增其它算法并繼續(xù)開展第四輪評審的可能性。

　　三 計算能力屢創(chuàng)新高，多條技術(shù)路線并行推進

　　量子處理器是量子計算機的物理基礎(chǔ)，其性能很大程度上決定了量子計算機的性能。量子處理器的技術(shù)路線包括超導、離子阱、光量子、硅量子點、中性原子、拓撲和自旋等，近年來前四條路線均已實現(xiàn)了物理量子位（Qubit，亦稱“量子比特”），并正在朝可糾錯的邏輯量子位邁進，但尚無哪條路線能完全滿足通用計算機的所有必要條件。2020年中，科技巨頭和初創(chuàng)企業(yè)在量子計算性能上你追我趕，使量子計算機的性能指標達到了前所未有的水平。量子處理器的不同技術(shù)路線在2020年中分頭并進，超導技術(shù)和離子阱技術(shù)相對領(lǐng)先，光量子、拓撲和硅量子點技術(shù)也各有進展。未來的量子計算機或?qū)⒉辉僖晃蹲非笤黾恿孔游粩?shù)量，而是更加注重提升邏輯門保真度、相干時間、噪聲和連接數(shù)等其它指標。

　　3.1  性能競爭陷入白熱化

　　1月，IBM公司推出28個量子位的量子計算機“Raleigh”，其量子體積（簡稱QV，是由IBM提出的量子計算機綜合指標）達到32，比2019年的16 QV翻了一番。6月，霍尼韋爾（Honeywell）公司后來居上，推出64 QV的量子計算機“H0”。IBM亦不甘示弱，在8月推出基于“Falcon”量子處理器的64 QV量子計算機“Montreal”。10月，霍尼韋爾再次先人一步，宣布其最新的量子計算機（即其在10月末正式發(fā)布的量子計算機“H1”）已達到128 QV。然而僅一天之后，量子計算初創(chuàng)公司IonQ異軍突起，宣布制造出32個量子位的量子計算機，其QV高達400萬之巨。這一數(shù)值頓使IBM和霍尼韋爾先前的較量黯然失色。12月，IBM宣布其量子計算系統(tǒng)“IBM Q System One-Montreal”達到QV 128，為2020年的這場激烈角逐拉下帷幕。從IonQ公布的數(shù)據(jù)看，其量子計算機的高質(zhì)量量子位只有22個，但QV會隨著量子位數(shù)量和質(zhì)量的增加而成幾何倍數(shù)增大，所以每增加一個高質(zhì)量量子位都會使QV大幅提升，最終達到了400萬的水平。從當前量子計算性能的提升速度來看，百萬級的QV數(shù)值過大，已不適合用來衡量量子計算機的性能差距。為此Atos公司在12月提出了新的量子計算性能評價標準“Q-Score”，以客觀衡量各種量子處理器在解決優(yōu)化問題時的實際性能。

　　3.2  多條技術(shù)路線各有突破

　　在2020年的性能競爭中，霍尼韋爾和IonQ等公司采用了離子阱路線，IBM和去年宣布實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的谷歌等公司則采用了超導路線。與其它路線相比，離子阱技術(shù)的優(yōu)點在于量子相干時間長，可執(zhí)行高保真度的量子態(tài)測量與量子門操作，以及可實現(xiàn)量子位全連接等，缺點則在于需要真空環(huán)境，以及因使用激光系統(tǒng)而導致的可擴展性不足。超導技術(shù)的優(yōu)點在于借助了十分成熟的集成電路工藝，因而具備良好的可擴展性，缺點則在于容易受到量子噪聲的影響，需要超低溫環(huán)境，且物理布線的工藝難度將隨著量子位數(shù)量的增加大幅提高，以至于很難實現(xiàn)量子位全連接。這兩種技術(shù)都優(yōu)缺點明顯，尚無法斷言何者更勝一籌，但隨著霍尼韋爾等新力量的加入，離子阱陣營的規(guī)模近年來正在不斷擴大。

　　其它技術(shù)路線亦各有進展。3月，日本理化研究所、新南威爾士大學和東京工業(yè)大學研究人員在未改變硅量子自旋狀態(tài)的情況下，成功測量了硅量子點的電子自旋狀態(tài)，這種非破壞性測量對量子計算機的容錯十分重要。5月，美國陸軍科學家發(fā)現(xiàn)可利用非線性光學晶體實現(xiàn)量子邏輯門，這一發(fā)現(xiàn)有望使未來的量子計算機不再需要超低溫環(huán)境。9月，微軟聯(lián)合哥本哈根大學制造出了由銪硫化物、鋁和砷化銦組成的新型混合拓撲材料，這種材料有望用于制造首臺拓撲量子計算機。10月，澳大利亞初創(chuàng)公司SQC使硅原子雙量子位的保真度達到了99.99%，打破了此前由谷歌創(chuàng)造的最高紀錄99.64%。量子計算的多條技術(shù)路線在2020年中均表現(xiàn)出了不小的潛力，未來的勝負很可能取決于材料學的進步。

　　四 應用層面亮點紛呈，生態(tài)環(huán)境日趨完整

　　量子計算機的運行原理與經(jīng)典計算機截然不同，因此需要開發(fā)專用的編程語言和應用程序。隨著量子計算性能的不斷攀升，如何在應用層面發(fā)揮量子計算機的潛力，已成為量子計算領(lǐng)域面臨的又一大挑戰(zhàn)。2020年中，量子編程語言和量子應用服務領(lǐng)域的探索進入活躍期，開創(chuàng)性成果頻現(xiàn)，量子化學模擬、量子組合優(yōu)化和量子機器學習等前沿應用領(lǐng)域有望率先取得重大突破。

　　4.1  編程語言邁向通用化

　　近年來發(fā)布的量子編程語言都屬于“硬件描述語言”，需要通過龐雜的指令來精確描述特定底層電路的行為，這意味著每款量子處理器都各有各的專用復雜語言。鑒于量子計算技術(shù)路線的多樣性，在2020年中，量子算法開發(fā)人員不約而同將“通用”作為開發(fā)重點，相繼推出不依賴于特定量子硬件的編程語言和工具。

　　1月，Quantum Machines公司發(fā)布了量子編程平臺“Quantum Orchestration Platform”（QOP），該平臺具備必要的脈沖生成、讀出、控制流和經(jīng)典處理功能，可供用戶為不同類型的量子處理器編制程序。2月，Quantum Computing公司推出以“二次無約束二元優(yōu)化”（QUBO）公式為核心的量子應用程序開發(fā)平臺Mukai。6月，Quantum Machines公司推出量子計算通用編程語言“QUA”，這是第一種將脈沖級的通用量子運算與通用經(jīng)典運算結(jié)合到一起的編程語言，也是該公司QOP平臺的組件之一。同在6月，蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zurich）發(fā)布了全球第一種高級量子編程語言“Silq”，與現(xiàn)有的其它量子編程語言相比，該語言更安全、簡單、快捷、直觀且易于理解，可以像傳統(tǒng)編程語言那樣為量子計算機編程。

　　4.2  應用服務聚焦解決實際問題

　　量子計算應用服務可面向機器學習、分子化學、網(wǎng)絡(luò)搜索、智能識別、金融和材料設(shè)計等諸多領(lǐng)域，是量子計算實用化的關(guān)鍵一環(huán)。目前量子應用服務研究處于開放探索階段，不少量子計算企業(yè)都在與相關(guān)行業(yè)開展合作。2020年中，研究人員注重匹配化學等具體領(lǐng)域的應用需求，并在計算模型中充分體現(xiàn)量子計算的優(yōu)勢，而這些工作也將為其它領(lǐng)域的量子應用服務提供啟發(fā)。

　　3月，谷歌發(fā)布量子機器學習模型訓練框架“TensorFlow Quantum”，以利用經(jīng)典計算機來訓練適用于量子計算機的機器學習算法。8月，谷歌用12個量子位的量子計算機成功模擬了二氮烯的異構(gòu)化反應，這是實迄今為止規(guī)模最大的化學模擬計算，這也是首次用量子計算來模擬化學反應。9月，Quantum Computing公司推出全球首款量子計算機應用程序，該程序借助量子計算機的獨特性質(zhì)，有史以來首次在計算設(shè)備上實現(xiàn)了真隨機數(shù)生成功能。

　　五 量子云計算百家爭鳴，行業(yè)競爭日益激烈

　　量子云計算是指依托經(jīng)典的云計算網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供量子計算硬件的接入、模擬及軟件服務。量子計算機雖算力強大，但數(shù)量稀少且運行條件嚴苛，因此云計算必然是未來使用量子計算能力的主要方式之一。同時云計算平臺能吸引龐大的用戶群，從而反過來對量子計算技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和服務的良性發(fā)展起到重要的推動作用。在2020年中，商業(yè)機構(gòu)和學術(shù)聯(lián)盟普遍看好量子云計算的發(fā)展?jié)摿Γ娂娡瞥龈骶咛厣牧孔釉破脚_，以搶占市場先機。

　　2月，D-Wave公司推出Leap 2量子計算云平臺，這是第一款為開發(fā)人員和組織設(shè)計的量子云服務平臺。4月，荷蘭學術(shù)聯(lián)盟QuTech推出了歐洲第一款公共量子計算云平臺Quantum Inspire，該平臺是全球首個包含“自旋量子位”（Spin Qubit）量子處理器在內(nèi)的云平臺，用戶可通過該平臺使用自旋量子處理器、超導量子處理器和量子模擬器等，以開展量子計算領(lǐng)域的教育、培訓和應用程序開發(fā)工作。8月，亞馬遜公司正式推出其量子計算云平臺Amazon Braket，向用戶提供D-Wave公司、IonQ公司和Rigetti公司的量子計算服務（亞馬遜自身并未研發(fā)量子計算機）。9月，Xanadu公司推出全球首個光量子計算云平臺，用戶可通過該平臺使用8個或12個量子位的光量子計算機，以發(fā)揮此類計算機可在室溫下運行的技術(shù)優(yōu)勢。11月，AlgoDynamix公司推出全球第一種用于財務分析的量子云計算服務，該服務采用D-Wave公司的退火量子技術(shù)來預測市場行為，從而把計算速度提高了10000倍。

　　六 結(jié)語

　　2020年中，國外量子計算領(lǐng)域的研究與應用成果層出不窮，IBM、霍尼韋爾和IonQ之間的性能競賽更是年內(nèi)科技界的一大熱門話題。通過梳理一年來的發(fā)展動態(tài)，可以看出各國高度重視量子計算，量子計算機正在加速邁向?qū)嵱没?、商業(yè)化，同時鑒于量子計算對加密通信的威脅，抗量子密碼技術(shù)也是近年來的發(fā)展熱點。

　　不過必須指出的是，迄今尚無具備實用價值的“量子優(yōu)越性”用例，量子計算的運行和測控條件依舊十分嚴苛，建造可容錯、可擴展的通用量子計算仍是十年以上的遠景目標。在未來數(shù)年中，如果遲遲無法探索出有價值的實際用途，量子計算領(lǐng)域就可能從熱門學科跌入發(fā)展低谷。