量子力學和量子計算——賦能第四次工業(yè)革命

量子信息是量子物理與信息技術相結合而產(chǎn)生的新興交叉領域，具體應用主要包括量子通信、量子計算和量子精密測量三方面。目前，量子計算領域正在實現(xiàn)專用量子模擬機并最終實現(xiàn)通用量子計算機的道路上快速前行，與之相關的供應鏈市場、整機銷售市場以及相關應用市場和產(chǎn)業(yè)也因此加速發(fā)展；同時，因量子計算超強算力對經(jīng)典密碼體系的威脅日益嚴峻，可以對抗量子計算威脅的信息安全技術，特別是量子保密通信技術，也越來越顯著地在新一代信息系統(tǒng)中得到重視并發(fā)揮作用。織密量子保密通信網(wǎng)絡、筑牢新型信息基礎設施安全基石，被提升到國家戰(zhàn)略層面。量子測量可以利用量子狀態(tài)對環(huán)境的高度敏感，提升對時間、位置、加速度、電磁場等物理量的測量精度。

量子計算是一種基于量子效應的新型計算方式，它是以量子比特作為信息編碼和存儲的基本單元，通過大量量子比特的受控演化來完成計算任務。以量子計算為基礎的信息處理技術的發(fā)展有望引發(fā)新的技術革命，為大數(shù)據(jù)和機器學習、人工智能、化學反應計算、材料設計、藥物合成等許多領域的研究，提供前所未有的強力手段，對未來社會的科技、經(jīng)濟、金融，以及國防安全等產(chǎn)生革命性的影響。

量子力學與量子計算的發(fā)展歷程

1900年前的科學牛頓力學已經(jīng)建立起來了，牛頓力學、電池學、熱力學用來描述整個太陽系已經(jīng)非常精準，這就是經(jīng)典力學、熱力學還有電動力學，這就是現(xiàn)代宏觀科學的基礎。

在1900年到1930年建立起來的量子力學則是針對微觀科學，到目前為止行業(yè)主要討論的宇宙有14種基本粒子，有四種基本作用力。

量子力學最開始發(fā)展起來，是用微觀結構描述我們的材料，也就是半導體起源研究。原子單個的原子有特別性質，但是要把幾個原子結合起來，變成分子，他有不同的性質；如果原子結構變成晶體，它的結構更加不同，所以可以分為導體、半導體以及金屬。有了對原子結構的了解，原子核能的發(fā)展可以提供比如說核電站、原子彈、激光等能級可控材料，激光就是把原子放到一個固定的能級上的能量釋放下來，是典型的量子力學。然后是晶體管、電子計算機以及核磁成像等量子能級躍遷與湮滅，都采用第一次量子力學來實現(xiàn)。

第二次量子力學發(fā)展有三大因素，第一個是愛因斯坦和玻爾的爭論，原子和糾纏態(tài)到底存不存在，量子力學是不是完備的科學，長達很多年的爭論，一直到2022年，諾獎驗證了就是講到了糾纏，量子之間糾纏是真正存在的，糾纏是量子計算當中非常需要，非常重要的一步，當然他們的研究工作在幾十年前都已經(jīng)做好了。

還有一個原因就是算力的擴產(chǎn)。經(jīng)典的量子力學算力，是以單個原子為單位控制，我們的算力增速逐漸趨于平穩(wěn)，在面臨很大的數(shù)據(jù)量要處理的時候，同一時間能控制的量子運算每單個并行任務里只能控制一個開關狀態(tài)。

比如對太空的探索還有基因測序，以及人工智能等等很多方面，需要大數(shù)據(jù)處理，需要更高的算力，這個是為什么量子計算被提出來。

第三個是一些其他的條件就是的極端條件，低溫、高磁場以及微納加工能力，以及對極弱信號的探測，這些材料技術相關的能力滿足了能夠實現(xiàn)控制量子不同狀態(tài)來進行量子計算的時候，進入到了原子態(tài)微觀科學實用應用技術階段。

量子計算和經(jīng)典計算的主要區(qū)別是，經(jīng)典計算的時候就是量子比特，就是0和1，對于量子來說，每一個量子態(tài)就是0和1的疊加，加一個電壓就能變成0和1，就進行了一次計算，兩個分量就是在0和1上面的分量進行變化。

量子計算就是增加比特，并讓比特進入到糾纏狀態(tài)。比如簡單再進行一個變化就是兩個比特，如果讓兩個比特糾纏，最經(jīng)典的還是做一次計算，對量子來說是2的2次方，因為兩個比特是糾纏的，這樣4個量的變化。如果從兩個糾纏比特，增加到100個糾纏比特，這樣加一次電壓，做一次開關，對于經(jīng)典來說還是做一次計算，對于量子計算來說就是2的100次方計算，是指數(shù)級的擴展。所以量子計算的綜合參數(shù)對比就是比特數(shù)量，要實現(xiàn)更多的更大的糾纏的量子態(tài)，進行計算。

由于量子計算是在經(jīng)典計算的基礎上進行指數(shù)級的算量提升，可以在同一時間完成指數(shù)級的并行處理能力，對于大數(shù)據(jù)的處理就變得十分簡單，原來需要長達數(shù)十年的經(jīng)典計算的工作量，量子計算可以以指數(shù)級的并行處理速度在超短時間內完成。

最明顯的就是對于原子級的材料（如基因）、環(huán)境數(shù)據(jù)（如密碼），都能瞬間完成拆解，形成最基本的量子要素給開放其所有的能級狀態(tài)，從而真正認識事物（如基因序列），破解事物之間的關系（如密碼排列）。

量子計算除了傳統(tǒng)的經(jīng)典計算部分外，其核心的量子計算部分是一個全新的產(chǎn)業(yè)鏈，有量子芯片，有量子硬件，量子云平臺，量子控制操作軟件以及工業(yè)應用等等。

目前有一些國際商的企業(yè)，中間量子已經(jīng)實現(xiàn)了在某些特定的領域比如說像實現(xiàn)了這種取數(shù)里面能夠比經(jīng)典計算機快很多很多倍，他在幾分鐘，幾十分鐘能夠完成的最厲害的計算機里面也要幾十或者幾百年才能完成。IBM最新進展就是可以實現(xiàn)基本上接近100的量子比特的量子計算機。

實現(xiàn)量子計算方式很多，大家叫量子態(tài)，量子態(tài)表述都是一個電子或者元子或者缺陷等等方式，只要通過各種材料控制手段能夠實現(xiàn)就可以，如使用超導或其它的很多種方式，目前每一種方式都有它的好處也有壞處，行業(yè)暫未能確定哪一種方式真的能夠勝出，行業(yè)還在不斷的探索，布局到每一個方向。

量子計算最主要的部分就是想辦法拓展，最重要的部分是要糾錯，實現(xiàn)了邏輯門與算法。當然也可能混和經(jīng)典計算機制，把最簡單、相容控制的2個或4個比特芯片作互聯(lián)，一起進行分布式量子計算，在產(chǎn)業(yè)初期更具有實際的應用意義。

量子計算是在經(jīng)典計算的基礎上進行指數(shù)級的并行處理，對以傳統(tǒng)以經(jīng)典計算為基礎的第三次工業(yè)革命，進行了徹底的生產(chǎn)力重新解構，它幾乎可以完全解開所有經(jīng)典計算的宏觀世界關系，所有的事物關聯(lián)性，類似的密碼規(guī)則它幾乎都能破解，世界不再有任何宏觀上的秘密存在，生產(chǎn)力要素不再是以宏觀世界為主，而是以量子態(tài)微觀世界為主。

量子力學和量子計算的意義

我們將物理世界分成兩類：凡是遵從經(jīng)典物理學的物理客體所構成的物理世界，稱為經(jīng)典世界；而遵從量子力學的物理客體所構成的物理世界，稱為量子世界。這兩個物理世界有著絕然不同的特性，經(jīng)典世界中物理客體每個時刻的狀態(tài)和物理量都是確定的，而量子世界的物理客體的狀態(tài)和物理量都是不確定的。概率性是量子世界區(qū)別于經(jīng)典世界的本質特征。量子力學的成功不僅體現(xiàn)在迄今量子世界中尚未觀察到任何違背量子力學的現(xiàn)象，事實上， 正是量子力學催生了現(xiàn)代的信息技術，造就人類社會的繁榮昌盛。信息領域的核心技術是電腦和互聯(lián)網(wǎng)。

量子力學的能帶理論是晶體管運行的物理基礎，晶體管是各種各樣芯片的基本單元。光的量子輻射理論是激光誕生的基本原理，而正是該技術的發(fā)展才產(chǎn)生當下無處不在的互聯(lián)網(wǎng)。然而，晶體管和激光器卻是經(jīng)典器件，因為它們遵從經(jīng)典物理的運行規(guī)律。因此，現(xiàn)在的信息技術本質上是源于量子力學的經(jīng)典技術。

20世紀80年代，科學家將量子力學應用到信息領域，從而誕生了量子信息技術，諸如量子計算機、量子密碼、量子傳感等。這些技術的運行規(guī)律遵從量子力學，因此不僅其原理是量子力學，器件本身也遵從量子力學，這些器件應用了量子世界的特性，如疊加性、糾纏、非局域性、不可克隆性等，因而其信息功能遠遠優(yōu)于相應的經(jīng)典技術。量子信息技術突破了經(jīng)典技術的物理極限，開辟了信息技術發(fā)展的新方向。一旦量子技術獲得廣泛的實際應用，人類社會生產(chǎn)力將邁進到新階段。因此，我們將量子信息的誕生稱為第二次量子革命，而基于量子力學研制出的經(jīng)典技術，稱之為第一次量子革命。量子信息技術就是未來人類社會的新一代技術。

量子網(wǎng)絡和量子計算機

量子網(wǎng)絡

量子信息技術最終的發(fā)展目標就是研制成功量子網(wǎng)絡。量子網(wǎng)絡基本要素包括量子節(jié)點和量子信道。所有節(jié)點通過量子糾纏相互連接，遠程信道需要量子中繼。量子網(wǎng)絡將信息傳輸和處理融合在一起，量子節(jié)點用于存儲和處理量子信息，量子信道用于各節(jié)點之間的量子信息傳送。與經(jīng)典網(wǎng)絡相比，量子網(wǎng)絡中信息的存儲和傳輸過程更加安全，信息的處理更加高效，有著更加強大的信息功能。量子節(jié)點包括通用量子計算機、專用量子計算機、量子傳感器和量子密鑰裝置等。應用不同量子節(jié)點將構成不同功能的量子網(wǎng)絡。

典型的有：

1、由通用量子計算機作為量子節(jié)點，將構成量子云計算平臺，其運算能力將強大無比；

2、使用專用量子計算機作為量子節(jié)點可以構成分布式量子計算，其信息功能等同于通用量子計算機。亦即應用這種方法可以從若干比特數(shù)較少的量子節(jié)點采用糾纏通道連接起來，可以構成等效的通用量子計算機；

3、量子節(jié)點是量子傳感器，所構成的量子網(wǎng)絡便是高精度的量子傳感網(wǎng)絡，也可以是量子同步時鐘；

4、量子節(jié)點是量子密鑰裝置，所構成的量子網(wǎng)絡便是量子密鑰分配(QKD)網(wǎng)絡，可以用于安全的量子保密通信。

當然，單個量子節(jié)點本身就是量子器件，也會有許多應用場景，量子網(wǎng)絡就是這些量子器件的集成，其信息功能將得到巨大提升，應用更廣泛。

上述的量子網(wǎng)絡是量子信息技術領域發(fā)展的遠景，當前距離這個遠景的實現(xiàn)還相當遙遠。不僅尚無哪種類型量子網(wǎng)絡已經(jīng)演示成功，即使是單個量子節(jié)點的量子器件也仍處于研制階段，距離實際的應用仍有著很長的路要走。即便是單個量子節(jié)點研制成功，要將若干量子節(jié)點通過糾纏信道構成網(wǎng)絡也極其困難——通常采用光纖作為量子信息傳輸?shù)耐ǖ?，量子?jié)點的量子信息必須能強耦合到光纖通信波長的光子上，該光子到達下個量子節(jié)點處再強耦合到該節(jié)點工作波長的量子比特上，任何節(jié)點之間最終均可實現(xiàn)強耦合、高保真度的相干操控，只有這樣才能實現(xiàn)量子網(wǎng)絡的信息功能。目前，連接多個節(jié)點的量子界面仍然處于基礎研究階段。

至于遠程的量子通道，必須有量子中繼才能實現(xiàn)，而量子中繼的研制又依賴于高速確定性糾纏光源和可實用性量子存儲器的研究，所有這些核心器件仍然處于基礎研究階段，離實際應用還很遠。因此整個量子信息技術領域仍然處于初期研究階段，實際應用還有待時日。

那么，量子信息技術時代何時到來？量子計算機是量子信息技術中最有標志性的顛覆性技術，只有當通用量子計算機獲得廣泛實際應用之時，我們才可斷言人類社會已進入量子技術新時代。
量子計算機

經(jīng)典計算機按照摩爾定律迅速發(fā)展，每18個月，其運算速度翻一番

20世紀80年代，物理學家卻提出“摩爾定律是否會終結”這個不受人歡迎的命題，并著手開展研究。最后竟然得出結論：摩爾定律必定會終結。理由是，摩爾定律的技術基礎是不斷提高電子芯片的集成度——即單位芯片面積的晶體管數(shù)目。但這個技術基礎受到兩個主要物理限制：一是由于非可逆門操作會丟失大量比特，并轉化為熱量，最終會燒穿電子芯片，這也是當下大型超算中心遇到的巨大能耗困難所在；二是終極的運算單元是單電子晶體管，而單電子的量子效應將影響芯片的正常工作，使計算機運算速度無法如預料的提高。

物理學家的研究結果并不影響當時摩爾定律的運行，多數(shù)學者甚至認為物理學家是杞人憂天。然而物理學家并未停止腳步，著手研究第2個問題：摩爾定律失效后，如何進一步提高信息處理的速度——即后摩爾時代提高運算速度的途徑是什么？研究結果誕生了“量子計算”的概念。

1982年美國物理學家Feynman指出，在經(jīng)典計算機上模擬量子力學系統(tǒng)運行存在著本質性困難，但如果可以構造一種用量子體系為框架的裝置來實現(xiàn)量子模擬就容易得多。隨后英國物理學家Deutsch提出“量子圖靈機”概念，“量子圖靈機”可等效為量子電路模型。從此，“量子計算機”的研究便在學術界逐漸引起人們的關注。

1994年Shor提出了量子并行算法，證明量子計算可以求解“大數(shù)因子分解”難題，從而攻破廣泛使用的RSA公鑰體系，量子計算機才引起廣泛重視。Shor并行算法是量子計算領域的里程碑工作。進入21世紀，學術界逐漸取得共識：摩爾定律必定會終結，因此，后摩爾時代的新技術便成為熱門研究課題，量子計算無疑是最有力的競爭者。

量子計算應用了量子世界的特性，如疊加性、非局域性和不可克隆性等，因此天然地具有并行計算的能力，可以將某些在電子計算機上指數(shù)增長復雜度的問題變?yōu)槎囗検皆鲩L復雜度，亦即電子計算機上某些難解的問題在量子計算機上變成易解問題。量子計算機為人類社會提供運算能力強大無比的新的信息處理工具，因此稱之為未來的顛覆性技術。量子計算機的運算能力同電子計算機相比，等同于電子計算機的運算能力同算盤相比。可見一旦量子計算得到廣泛應用，人類社會各個領域都將會發(fā)生翻天覆地的變化。

量子計算的運算單元稱為量子比特，它是0和1兩個狀態(tài)的疊加。量子疊加態(tài)是量子世界獨有的，因此，量子信息的制備、處理和探測等都必須遵從量子力學的運行規(guī)律。

量子計算機的工作原理

量子計算機與電子計算機一樣，用于解決某種數(shù)學問題，因此它的輸入數(shù)據(jù)和結果輸出都是普通的數(shù)據(jù)。區(qū)別在于處理數(shù)據(jù)的方法本質上不同。量子計算機將經(jīng)典數(shù)據(jù)制備在量子計算機整個系統(tǒng)的初始量子態(tài)上，經(jīng)由幺正操作變成量子計算系統(tǒng)的末態(tài)，對末態(tài)實施量子測量，便輸出運算結果。虛框內都是按照量子力學規(guī)律運行的。圖中的幺正操作(U操作)是信息處理的核心，如何確定U操作呢？首先選擇適合于待求解問題的量子算法，然后將該算法按照量子編程的原則轉換為控制量子芯片中量子比特的指令程序，從而實現(xiàn)了U操作的功能。

量子計算機的實際操作過程

給定問題及相關數(shù)據(jù)，科學家設計相應的量子算法，進而開發(fā)量子軟件實現(xiàn)量子算法，然后進行量子編程將算法思想轉化為量子計算機硬件能識別的一條條指令，這些指令隨后發(fā)送至量子計算機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實施對量子芯片系統(tǒng)的操控，操控結束后，量子測量的數(shù)據(jù)再反饋給量子控制系統(tǒng)，最終傳送到工作人員的電腦。

單雙量子比特門

量子邏輯電路是用于實現(xiàn)U變換的操作，任何復雜的U操作都可以拆解為單量子比特門Ui和雙量子比特門Ujk的某種組合(即可拆解定理)，Ui和Ujk是最簡單的普適邏輯門集。

基于量子圖靈機(量子邏輯電路)的量子計算稱為標準量子計算，現(xiàn)在還在研究的其他量子計算模型還有：單向量子計算、拓撲量子計算和絕熱量子計算(量子退火算法)等。

量子計算機是宏觀尺度的量子器件，環(huán)境不可避免會導致量子相干性的消失(即消相干)，這是量子計算機研究的主要障礙?！傲孔泳幋a”用于克服環(huán)境的消相干，它增加信息的冗余度，用若干物理量子比特來編碼一個邏輯比特(信息處理的單元)。業(yè)已證明，采用起碼5個量子比特編碼、1個邏輯比特，可以糾正消相干引起的所有錯誤。量子計算機實際應用存在另一類嚴重的錯誤，這種錯誤來源于非理想的量子操作，包括門操作和編碼的操作?？茖W家提出容錯編碼原理來糾正這類錯誤，該原理指出，在所有量子操作都可能出錯的情況下，仍然能夠將整個系統(tǒng)糾正回理想的狀態(tài)。這涉及到“容錯閾值定理”，即只有量子操作的出錯率低于某個閾值，才能實現(xiàn)量子容錯。容錯閾值與量子計算的實際構型有關，在一維或準一維的模型中，容錯的閾值為105，在二維情況(采用表面碼來編碼比特)，閾值為102。經(jīng)過科學家十多年的努力，現(xiàn)在離子阱和超導系統(tǒng)的單雙比特操作精度已經(jīng)達到這個閾值。這個進展極大地刺激了人們對量子計算機研制的熱情，量子計算機的實現(xiàn)不再是遙不可及的。量子計算機的研制逐步走出實驗室，成為國際上各大企業(yè)追逐的目標。

量子計算的理論依據(jù)

疊加態(tài)Superposition疊加態(tài)原理，是量子力學中的一個基本原理，它廣泛應用于量子力學各個方面，“薛定諤的貓”就是用來描述疊加態(tài)的經(jīng)典比喻。在經(jīng)典物理中，粒子任何時刻的狀態(tài)都是空間中一個固定的點。在量子力學中，粒子可以不處于一個固定的狀態(tài)（上或下），而是同時處于兩種狀態(tài)的疊加（上和下）。

量子糾纏

QuantumEntanglement

量子糾纏，它描述了粒子量子態(tài)之間的高度關聯(lián)，這樣的“關聯(lián)”可以是多種形式，比如自旋態(tài)總是相反，或總是相同，或者是既可能相反也可能相同，但相反的可能性比相同大。只要兩個粒子相互關聯(lián)構成疊加態(tài)，它們就會“互相糾纏”在一起，即使在兩個粒子分開到很遠很遠距離的情況下，它們能瞬間互相影響的“糾纏”照樣存在。這種關聯(lián)是經(jīng)典粒子對沒有的，是僅發(fā)生于量子系統(tǒng)中的獨特現(xiàn)象。

量子測量

Measurement

量子測量是觀察量子態(tài)的行為，這種觀察將產(chǎn)生一些經(jīng)典信息，該測量過程將改變量子態(tài)。例如狀態(tài)處于疊加狀態(tài)，則測量會將其“折疊”為經(jīng)典狀態(tài)（0或1），坍縮過程是隨機發(fā)生的。在進行測量之前，無法知道結果如何，但是可以計算每個結果的概率，這個概率是對量子狀態(tài)的一種預測，可以通過多次準備狀態(tài)，對其進行測量然后計算每個結果的概率來測試該預測。

量子隧穿

QuantumTunneling

量子隧穿是一種量子力學效應，指的是像電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢壘的量子行為，盡管位勢壘的高度大于粒子的總能量。在經(jīng)典力學里，這是不可能發(fā)生的，但使用量子力學理論卻可以給出合理解釋。在量子力學中，波函數(shù)表示粒子在特定位置的概率，這表明粒子存在位于障礙物另一側的概率。

貝爾不等式

Bell’sInequality最初的貝爾不等式是由愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾發(fā)現(xiàn)的，其他不等式現(xiàn)象后來被其他研究人員發(fā)現(xiàn)，貝爾的所有不等式加在一起便構成了貝爾定理。

貝爾證明了該術語的經(jīng)典定義中的世界不符合當?shù)氐默F(xiàn)實主義?！氨镜亍币馕吨鴮ο笾荒苁艿狡渲車h(huán)境的影響。從物理學的意義上講，“現(xiàn)實主義”是指物體的性質在某人測量（甚至被測量）之前和之后都存在于人的思想之外。

經(jīng)典力學說，在測量之前和之后，粒子具有真實的（確定的）值，取兩個相撞并相距很遠的粒子，一個人對另一個人的任何影響都必須立即通過“場”傳達出來（但絕不能比光速快）。

貝爾不等式是涉及光子自旋的理論實驗中的一系列測量，通過方向不同的檢測器進行測量。不平等是指這樣一個事實，即如果世界表現(xiàn)出局部真實性，則一組光子測量結果將大于另一組。然而事實并非如此，這意味著物理世界受量子力學理論支配，量子糾纏的啟示僅證實了這一觀點。

不可克隆性

No-CloningTheorem

由于量子力學的態(tài)疊加原理和系統(tǒng)態(tài)的演化遵從幺正變換，使得任何量子體系的任意未知量子態(tài)無法被完全復制。即無法在不破壞原來未知態(tài)的情況下對之

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)

Bose-EinsteinCondensate

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)是超冷原子云，華盛頓州立大學的研究員彼得·恩格斯（PeterEngels）解釋說：“這一大原子團的行為不像桶中的一堆球。它的行為就像一個大的超級原子。因此，它放大了量子力學的作用?！睆睦碚撋现v，玻色-愛因斯坦凝聚物（BEC）可以充當穩(wěn)定的量子比特。

布洛赫球

BlochSphere

在量子力學中，布洛赫球是二級量子力學系統(tǒng)（量子比特）的純態(tài)空間的幾何表示，以物理學家FelixBloch命名。布洛赫球是一個單位球，其對映點對應于一對相互正交的狀態(tài)向量。布洛赫球提供了以下解釋：極點代表經(jīng)典位，我們使用符號|0?和|1?。然而，盡管這些是經(jīng)典位表示的唯一可能狀態(tài)，但量子比特覆蓋了整個球體。因此，量子比特中包含了更多的信息，布洛赫球對此進行了描述。當量子比特被測量時，它坍塌到兩個極點之一。這兩個極點中的哪一個取決于布洛赫表示中的箭頭指向哪個方向：如果箭頭更靠近北極，則更有可能塌陷到北極；南極也一樣。應當注意，這將概率的概念引入了布洛赫球體：箭頭與垂直軸的角度θ對應于該概率。如果箭頭指向赤道，則任一極都可能塌陷50-50。

馬約拉納費米子

MajoranaFermions形成物質的基本粒子（“費米子”）由保羅·狄拉克（PaulDirac）于1928年提出的方程式Dirac方程來描述，這意味著宇宙中的每個基本粒子都有一個反粒子，其質量相同但電荷相反。1932年發(fā)現(xiàn)了第一個反粒子，與電子結合的正電子。電子和其他基本粒子具有不同的反粒子，它們通過希格斯機制獲得質量，在物理學中，它們被稱為“狄拉克費米子”。

1937年，意大利物理學家埃托爾·馬若拉納（EttoreMajorana）發(fā)現(xiàn)了一個更通用的方程式（MajoranaEquation），該方程式預測了中性費米子的存在（不帶電荷）是它們自己的反粒子。Majorana費米子是特殊的粒子，因為它們不是通過希格斯機制獲得質量而是與其自身相互作用而獲得質量，因此它們是自己的反粒子。

自旋

Spin自旋有時稱為“核自旋”或“本征自旋”，這是基本粒子、復合粒子（強子）和原子核所攜帶的角動量的量子形式。旋轉與實際旋轉無關，物理學家使用“自旋”或“內在自旋”一詞來區(qū)分粒子“有點”具有的角動量和物理旋轉物體的規(guī)則角動量。

量子計算機的分類

當前，量子計算機可大致分為三類：量子退火、嘈雜中型量子（NISQ）計算、容錯型通用量子計算。

量子退火QuantumAnnealing

絕熱量子計算機中用于解決優(yōu)化和采樣問題的算法。它通過允許量子系統(tǒng)找到其最低能量狀態(tài)而起作用。在數(shù)據(jù)波動的情況下，量子比特位于最低的能量峰值上。這些都將量子比特控制和降低到零，最終得到了解決方案。

NISQ

NISQ是“NoisyIntermediate-ScaleQuantum”的縮寫，它是指“嘈雜中等規(guī)模量子“?！爸械纫?guī)模”指的是現(xiàn)在可以獲得的量子計算機的尺寸大小———可能大到足以執(zhí)行某些高度專業(yè)化的任務(如新藥和新材料的設計等)，超出了當今超級計算機的能力范圍?！班须s”則強調對量子比特的控制還不是非常完美，這將導致小誤差隨時間不斷積累，如果計算時間太長，就得不到正確答案。

容錯量子計算Fault-tolerantQuantumComputing量子糾錯碼可以用來解決退相干等硬件的不完美導致的計算錯誤問題。在錯誤的分布滿足某些條件的情況下，我們可以把最終計算結果出錯的概率降得任意低，這被稱作容錯量子計算。量子糾錯是有代價的，為了降低最終出錯率，需要使用很多的量子比特來進行編碼。進行容錯量子計算的首要條件，也就是錯誤率低于容錯閾值(亞閾值)的初始化、量子門以及讀取等操作已經(jīng)能夠在實驗中被演示。

量子計算機的構成

量子比特

Qubit在常規(guī)計算機中，信息單元用二進制的1個位來表示，它不是處于“0”態(tài)就是處于“1”態(tài)。在二進制量子計算機中，信息單元稱為量子比特(qubit)，它除了處于“0”態(tài)或“1”態(tài)外，還可處于疊加態(tài)(superposedstate)。疊加態(tài)是“0”態(tài)和“1”態(tài)的任意線性疊加，它既可以是“0”態(tài)又可以是“1”態(tài)，“0”態(tài)和“1”態(tài)各以一定的概率同時存在。

簡單來說，量子比特就是一個具有兩個量子態(tài)的物理系統(tǒng)，如光子的兩個偏振態(tài)、電子的兩個自旋態(tài)、離子（原子）的兩個能級等都可構成量子比特的兩個狀態(tài)。

Transmon

Transmon是一種超導環(huán)形量子比特，可以在極低的溫度下創(chuàng)建，目前最多可以將其中五個鏈接在一起。標準的transmon可以保持大約50微秒的相干性，可以在量子電路中使用。更重要的是，相干時間是長度的兩倍，transmon數(shù)組包含10到20個循環(huán)。

Xmon

Xmon是由加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校的一個團隊創(chuàng)建的十字形量子比特。研究小組發(fā)現(xiàn)，通過將五個Xmon放在同一行中，他們能夠創(chuàng)建穩(wěn)定有效的量子排列，從而提供最大的穩(wěn)定性和最少的誤差。像大多數(shù)其他量子比特一樣，必須在接近絕對零的溫度下創(chuàng)建Xmon。

拓撲量子比特

TopologicalQubit

量子比特非常挑剔，即便是最輕微的擾亂，它們也會“散開”，不再可用于計算。引入拓撲量子比特概念，使其更加穩(wěn)定，且能提供更多固有的防錯能力。根據(jù)定義，粒子的拓撲狀態(tài)就是粒子可被分解、并出現(xiàn)在系統(tǒng)不同地方的狀態(tài)。一旦粒子被分解，就很難被干擾，因為必須改變所有存儲在不同地方的信息。

量子寄存器

QuantumRegister

n個量子位的有序集合稱為n位量子寄存器。它的態(tài)是n個量子位的態(tài)的張量積(tensorproduct)。n位量子寄存器可以存儲2n個n位數(shù)。

量子邏輯門

QuantumLogicalGates

對量子位的態(tài)進行變換，可以實現(xiàn)某些邏輯功能。變換所起的作用相當于邏輯門所起的作用，在一定的時間間隔內實現(xiàn)邏輯變換的量子裝置稱為量子邏輯門。與傳統(tǒng)邏輯門不同，量子邏輯門是可逆的。量子邏輯門是量子計算與量子計算機實現(xiàn)的基礎，可用下列方法實現(xiàn)：

(1)量子點系統(tǒng)；

(2)超導約瑟夫森（Josephson）結系統(tǒng)；

(3)核磁共振量子系統(tǒng)；

(4)離子阱系統(tǒng)；

(5)腔量子電動力學系統(tǒng)等。

量子邏輯網(wǎng)

QuantumLogicalNets

量子邏輯網(wǎng)絡由多個量子邏輯門組成，這些量子邏輯門的操作在時間上同步。

隨機基準

RandomizedBenchmarking

一種用于確定一組量子門的平均錯誤率的實驗技術，這涉及到應用隨機電路，如果門無法正常工作，將產(chǎn)生零影響?；鶞蕼y試是評估多量子比特量子計算機性能的重要程序。

量子存儲狀態(tài)

QuantumMemoryState

量子存儲狀態(tài)是量子位在其中維持大量狀態(tài)以在量子計算中具有價值的狀態(tài)。迄今為止，這些狀態(tài)已被證明是非常脆弱的，因為在量子級的最小干擾就可以破壞它們。因此，大多數(shù)使用量子比特的實驗都要求將粒子冷卻到接近零的絕對值。

量子程序

QuantumPrograms

量子程序的邏輯體系一般由“經(jīng)典控制部分+量子數(shù)據(jù)部分”構成。量子程序的計算操作一般由以下三部分組成：

（1）一個初化操作，包括量子變量數(shù)據(jù)的初化；（2）一系列的酉變換；

（3）一個最終的測量。

量子計算機的組織結構

Theorganizationofaquantumcomputer

量子計算機的計算過程由算法決定，不同的算法有不同的幺正變換。量子計算機的計算過程可由常規(guī)計算機控制，由于量子計算的測量結果是概率性的，需要計算和測量多次，才能得到所需結果。量子并行是量子計算機的特點，對于串行計算及迭代運算，量子計算機不具備優(yōu)勢。量子計算機適合于作為常規(guī)的通用計算機的高速協(xié)處理器或外圍專用處理機，或專門為實現(xiàn)某種量子算法或模擬某種量子系統(tǒng)的專用計算機。

量子計算機的程序語言

Theprogramminglanguageofaquantumcomputer

與經(jīng)典計算機類似，為便于控制并通用量子計算機，必須通過量子計算機設計語言來描述待解決問題，因此量子計算機程序設計語言將作為未來通用量子計算機上的一種重要系統(tǒng)軟件?，F(xiàn)有量子算法一般固化于專用量子計算設備中，如果需要改變量子算法就必須重新設計量子計算設備，實際上，這就相當于一臺求解特定具體問題（不是一類特定問題）的專用計算設備。

量子模擬器

QuantumSimulator

量子模擬在很大程度上起源于理查德·費曼（RichardFeynman）的1982年的提議，現(xiàn)已發(fā)展成為科學家使用可控量子系統(tǒng)研究在實驗上不太可行的量子現(xiàn)象的領域。簡而言之，現(xiàn)在尚不存在完整的量子計算機，并且經(jīng)典計算機通常無法解決量子問題，因此“量子模擬器”提供了一種吸引人的替代方法，可以深入了解例如復雜的材料特性。

通用量子計算機

UniversalQuantumComputer量子圖靈機（QTM），也是一種通用量子計算機，是用于量子計算機的效果進行建模抽象機。它提供了一個非常簡單的模型，可以捕獲量子計算的所有功能。任何量子算法都可以形式上表示為特定的量子圖靈機。牛津大學物理學家戴維·德意志（DavidDeutsch）在1985年的一篇文章中首次提出了這樣的圖靈機，該論文提出量子門的功能可以與傳統(tǒng)的數(shù)字計算二進制邏輯門類似。量子圖靈機并不總是用于分析量子計算。量子電路是更常見的模型，這些模型在計算上是等效的。

量子計算機仍在早期快速發(fā)展階段
回顧2022年，無論是各硬件技術路線還是軟件開發(fā)與平臺的擴充，總體上量子計算行業(yè)仍處在早期快速發(fā)展的階段。

與硬件各路線百花齊放所不同的是，量子軟件開源成為當前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要特征之一。目前由于開源軟件的開放性和基于社區(qū)的共享性使得源碼中經(jīng)常包含很多漏洞，導致缺陷處理的成本大幅增加，阻礙了開源軟件的應用推廣。因此，當前研究的熱點之一是如何有效、準確地發(fā)現(xiàn)軟件缺陷，并快速修復軟件缺陷。

產(chǎn)業(yè)鏈逐漸清晰與完善

隨著量子計算機各個路線研發(fā)工作的逐步推進，整機所需的上游硬件設備與器件選型逐漸清晰，同時，量子計算機的軟件系統(tǒng)也在不斷跟進，整個產(chǎn)業(yè)鏈上下游各環(huán)節(jié)的構成逐漸清晰與完善，各環(huán)節(jié)的參與者也在逐漸增多。

圖表 1-1量子計算產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

積極探索下游應用

量子計算基于量子力學的全新計算模式，具有原理上遠超經(jīng)典計算的強大并行計算能力，為人工智能、密碼分析、氣象預報、資源勘探、藥物設計等所需的大規(guī)模計算難題提供了解決方案，并可揭示量子相變、高溫超導、量子霍爾效應等復雜物理機制。這是量子計算機為我們展現(xiàn)的強大力量，目前受限于真實量子計算機的研發(fā)進度，尚無法提供量子計算機的強大算力來實現(xiàn)完整的量子應用，但目前完全可以開發(fā)各類垂直行業(yè)應用的量子算法，利用數(shù)字計算機的算力來驗證，從而為未來的實際應用做好積累和鋪墊。

商業(yè)拓展初步探索

2022年，全球范圍內的量子計算整機仍然以原型機為主，我們仍處于NISQ時代的早期階段，量子計算機在實際應用和解決實際問題方面仍然沒有太多進展。雖然一項新技術的出現(xiàn)勢必引來資本和社會的追捧，泡沫的產(chǎn)生存在一定的合理性，但ICV還是要明確地告訴各方，量子計算機的研發(fā)仍處于早期階段，離實用化還很遠，全球范圍內可以驗證的應用幾乎都是在量子計算模擬器上進行的。

ICV預計在2030年之前，人類最有可能實現(xiàn)專用量子計算機，即相干操縱數(shù)百個量子比特，應用于組合優(yōu)化、量子化學、機器學習等特定問題，指導材料設計、藥物開發(fā)等。

目前全球量子計算機公司包括科研院所在積極探索自己的盈利模式，主要如下：

量子計算機行業(yè)動態(tài)

2022年，量子計算的發(fā)展成果呈現(xiàn)多元化特征，量子比特數(shù)量、門保真度、量子體積、相干時間等關鍵指標均突破原有記錄，糾錯、控制等方面也取得較大進展；ICV對超導、離子阱、光量子、中性原子、硅自旋、拓撲等主要六種技術路線的發(fā)展態(tài)勢進行總結和分析。

目前硬件層面的主要發(fā)展方向還是著重于增加量子比特數(shù)量、密度和連通性，提高量子比特的質量，包括更好的相干時間和門保真度；以及設計和實施新的架構，包括3D設置和新的組裝技術；還有開發(fā)可組裝和集成大型量子處理器的工業(yè)規(guī)模制造設施；演示不同量子計算機之間的互聯(lián)和信息交換等。目前量子計算的多種技術路線邊并駕齊驅，各自展示著自己的優(yōu)勢，每條路線都有機會大放異彩。

圖表 2-1 量子計算硬件路線圖

圖表 2-2 量子計算發(fā)展階段

1）超導量子計算

IBM遙遙領先

當前IBM公司引領著全球超導量子計算的技術發(fā)展，從當前的發(fā)展態(tài)勢來看，包括Google在內的其他超導量子計算公司短時間內很難超越，IBM也代表了美國在超導量子計算機領域的國際地位。

IBM宣布推出的433量子比特Osprey，除量子比特數(shù)量的領先外，其多級布線，為信號路由和設備布局提供了靈活性。這種將讀出和控制所需的導線和其他組件分離到各自層上的布線有助于保護脆弱的量子比特免受破壞，幫助處理器納入更多的量子比特。與芯片Eagle相比，Osprey擁有兩個更主要優(yōu)勢：

一個是用柔性帶狀電纜取代了IBM以前的量子處理器所使用的同軸電纜，同時還加入了集成濾波功能，以減少噪聲和提高穩(wěn)定性。該柔性帶狀電纜適用于低溫環(huán)境，電阻和熱阻是量身定做的，以幫助微波信號傳輸，同時不傳導可能干擾量子比特的太多熱量。這使得芯片的連接數(shù)量增加了77%，幾乎是之前線纜的兩倍，更有助于擴大其量子計算機的規(guī)模。
另一個優(yōu)勢是新一代的測控系統(tǒng)，該裝置用于發(fā)送和接收進出量子處理器的微波信號，較之前一代更為專業(yè)，也更適合量子設備，可以產(chǎn)生計算需要的確切信號以及頻率。

未來，IBM將專注于以下兩個以硬件為中心的大型項目。一個是涉及量子處理器之間的各種類型的通信：實時經(jīng)典、芯片到芯片量子門（量子多芯片模塊）和遠程量子通信——以量子為中心的超級計算機的基本組成部分；另一個是引入低溫 CMOS 測控。

以糾錯為核心

2019年，Google首次實現(xiàn)量子優(yōu)越性所使用的“懸鈴木”量子處理器是53個量子比特，2022年已經(jīng)擴展至72量子比特。與IBM不同，盡管Google量子比特數(shù)遠不如IBM，但他們更關注量子比特的質量，在量子糾錯方面已取得持續(xù)進展。

Google采用5碼距的表面碼在擁有72個transmon量子比特和121個可調諧耦合器的“懸鈴木”設備上實現(xiàn)了糾錯。更為重要的是，以往的糾錯研究隨著比特數(shù)的增加，錯誤率會提高，都是“越糾越錯”，而這次Google首次實現(xiàn)了“越糾越對”。也就是說，突破了量子糾錯的盈虧平衡點，這是量子計算“萬里長征”中的重要轉折點，為實現(xiàn)通用計算所需的邏輯錯誤率指出了全新途徑。

IBM目前的重六邊形二維量子比特陣列，每個量子比特都以某種重復模式連接到芯片表面上的其他附近的量子比特。同時IBM已經(jīng)開始研究在芯片上的遠距離量子比特之間建立連接，以及在這些連接之間進行交叉，這可能為以后實現(xiàn)高效容錯代碼的機器鋪平道路。

總的來說，2022年超導量子計算技術路線的成果主要集中于門速度、門保真度、信號的讀取、相干時間以及量子比特數(shù)量方面?？梢灶A見，超導路線在IBM的帶領下，在未來3年仍將持續(xù)領跑其他技術路線。但同時，該技術路線仍有很多困難要克服，更遠的將來是否會繼續(xù)保持領先地位仍未可知。

2）離子阱量子計算

向容錯量子計算機邁進

離子阱的一大優(yōu)勢就是天然離子具有全同性，所以它們的相干時間特別長，并且門保真度也非常高。在此基礎上，2022年，離子阱量子計算技術路線的主要成果之一為繼續(xù)提高狀態(tài)制備和測量（SPAM）保真度。主要成果來源于Quantinuum和IonQ兩家量子企業(yè)。兩家公司將SPAM保真度，分別提高到了99.9904%、99.96%，處于行業(yè)的領先水平，這也得益于離子阱相較于其他技術路線在保真度上的天然優(yōu)勢。

更重要的是，霍尼韋爾旗下量子計算公司Quantinuum通過實驗首次演示了在兩個邏輯量子比特之間的糾纏門，并以完全容錯的方式完成實時糾錯；首次演示了比相應物理電路具有更高保真度的邏輯電路；這一里程碑式的成就標志著邏輯量子比特性能優(yōu)于物理量子比特——這是邁向容錯量子計算機的關鍵一步。

探索擴展量子比特的方式

提升離子阱互聯(lián)能力、擴展系統(tǒng)比特數(shù)目，是離子阱企業(yè)殊途同歸的發(fā)展方向。

2022年初，IonQ宣布將在新系統(tǒng)中使用鋇離子，取代此前的鐿離子，因為它更適合光子－離子糾纏。該公司于3月發(fā)布其最新一代的量子系統(tǒng)IonQ Forte，包含32個量子比特，擁有能夠處理多達40個單獨離子量子比特的AOD系統(tǒng)。離子阱體系本身存在擴展難的問題，但隨著IonQ提出了多核架構，未來1—2年離子阱量子計算機也將突破100量子比特。2023年1月，Entangled Networks團隊加入IonQ，主要從事下一代網(wǎng)絡量子計算機架構和全棧式量子編譯器的研究。這項收購支持IonQ通過在多個分布式量子處理器上實現(xiàn)計算來構建大規(guī)模量子計算機的努力。

除了量子比特數(shù)可以衡量量子計算機的性能外，其他參數(shù)，包括相干時間、計算速度、線路深度、錯誤率、連通性等同樣可以很好地表示量子計算機性能的好壞。

離子阱的最大優(yōu)勢可以在QV這個指數(shù)上體現(xiàn)出來（離子阱路線目前最大量子體積（QV）達到了8192，也是所有量子計算機路線中最大的）。首先是它的量子比特間的全連接度，其次是它的退相干時間長；這兩個優(yōu)勢目前彌補了量子比特數(shù)目少的缺陷。

探索多樣的技術路線

3）光量子計算

各項指標均有所突破

在量子計算優(yōu)越性展示方面，2022年6月，光量子計算的代表企業(yè)Xanadu，通過使用最新的可編程光量子計算機Borealis，完成高斯玻色采樣實驗，展示了量子計算優(yōu)越性。該公司的下一個目標是建立一個能夠擴展至100萬量子比特的容錯和糾錯的量子計算機。同樣有此目標、且累計融資達6.65億美元的PsiQuantum公司，2022年在糾錯量子計算架構方面取得一定突破，但并未推出任何產(chǎn)品或樣機。

在光量子處理器方面，荷蘭光量子計算公司QuiX Quantum于2022年3月推出新的20量子模式（qumode）處理器。這是一種基于連續(xù)變量（CV）的 光量子處理器，不同于PsiQuantum的路線，后者是采用離散的光子量子比特。

在糾纏光子的數(shù)量方面，8月美國馬克斯普朗克量子光學研究所（MPQ）成功地以明確的方式有效地糾纏了14個光子，創(chuàng)造了新的世界紀錄。

高維光量子計算顯露優(yōu)勢

2022年3月，北京大學團隊實現(xiàn)了高維（quantum dit，qudit）量子計算芯片，在大規(guī)模集成硅基光量子芯片上實現(xiàn)了高維量子位初始化、操作和測量器件的單片集成，通過編程重構該量子處理器，運行了上百萬次高保真度量子操作，執(zhí)行了多種重要的高維量子傅里葉變換類算法，進而證明了高維量子計算具有比二進制量子比特（quantum bit）編碼的量子計算更大的計算容量、更高的計算精度和更快的計算速度等顯著優(yōu)勢，有望加速構建大尺度光量子計算機。

利用光量子的高維量子態(tài)做計算總的來說并不是一項非常新的技術。早在2019年8月，奧地利科學院和維也納大學的團隊（Anton Zeilinger）就首次成功地傳送了三維量子態(tài)，即高維量子系統(tǒng)可以傳輸比量子比特更多的信息，這將有助于將量子計算機與量子比特以外的信息容量連接起來。
光量子的高維量子態(tài)主要是用光的路徑來進行編碼，如編碼在4條路徑上來形成4維量子態(tài)；區(qū)別于多自由度，比如兩個光子同時對其角動量、偏振、路徑等同時進行編碼。光量子做高維量子計算主要有三方面的優(yōu)勢：

1. 可以減少損耗。在減小或保持損耗的情況下，能夠把希爾伯特空間做大；
2. 簡化量子門的構建與編譯。在量子計算中，要實現(xiàn)一個二維的不可逆門，比如與或非這樣經(jīng)典操作的門，可以把它擴展到三維的量子位，用多余的量子位去存儲在計算過程中冗余的信息，讓門變成可逆，就可以更好地實現(xiàn)這樣一個操作；
3. 一次可以輸入更高維度的信息。即在相位估計中，用迭代相位估計的方法，迭代一次可以得出4位，相當于芯片跑一次就可以得出4位的結果。這不僅是在計算過程中將體系變大了，而且每次得到的結果與能輸入的結果也都變多了。此外跟經(jīng)典結合的時候，高維量子計算也會有一些優(yōu)勢。
3）中性原子量子計算
該技術的一個主要優(yōu)勢是可以將多種類型的光鑷（其中一些可以快速移動）與它們攜帶的原子結合起來。該路線目前已經(jīng)利用光鑷技術建立了由200多個中性原子組成的陣列，并且正在迅速結合新的和現(xiàn)有的技術，將這些原子變成完全工作的量子計算機。這種光鑷使得該技術比其他平臺（如超導體）更加靈活，可以與更大范圍的原子互動，而在超導體中，每個量子比特只能與芯片上的直接鄰居互動。

2022年“中性原子元年”

2022年，各個路線量子計算機均有一些頗為亮眼的表現(xiàn)，但中性原子路線的量子計算機可以說是2022年度不折不扣的年度黑馬，主要成果包括原子比特數(shù)的刷新、相干時間和最快雙量子比特門速度、大規(guī)模原子量子處理器的發(fā)布等，無論是在技術還是商業(yè)成熟度上，都呈現(xiàn)出跨越式的發(fā)展。
2022年年末實現(xiàn)了一些商業(yè)化進展：QuEra在AWS上推出256量子比特模擬量子處理器，QuEra的QPU是亞馬遜Braket上第一個能夠進行“模擬哈密頓量模擬（AHS）”量子計算范式的設備；M Squared公布了英國第一臺商用中性原子量子計算機的原型機——Maxwell系統(tǒng)。

在專用量子模擬機上優(yōu)勢明顯

中性原子路線在過去的一年取得了如此令人驕傲的進展絕非偶然。究其根本原因，主要是量子計算機在其量子比特數(shù)量、容錯能力、相干時間等各項技術指標尚不具備實現(xiàn)通用量子計算之前，專用量子計算機或將成為量子計算領域近期的主要發(fā)展目標。超導等路線作為通用的量子計算路線，可以與中性原子一樣去做量子模擬。但中性原子路線比超導路線做量子模擬機的優(yōu)勢就在于原子的天然哈密頓量之間的相互作用。對于同樣的問題，處理得到同樣的結果，中性原子路線并不需要龐大且昂貴的稀釋制冷機來為芯片提供超低溫環(huán)境，當然光量子計算也有同樣的發(fā)展優(yōu)勢。

技術原理多領域通用

中性原子技術的應用場景也是多樣的，其細分路線中的里德堡原子可以在量子通信中做原子天線、在量子計算領域做芯片，以及在量子精密測量領域也有廣泛的應用。除此之外，另一條冷原子路線還可以用來做量子中繼以及量子存儲器。
綜上所述，中性原子以其廣泛的應用前景也間接地帶動了關于其科研以及商業(yè)化的進程，促進了該路線的高速跨越式發(fā)展。

4）半導體量子計算

保真度實現(xiàn)突破

目前硅基量子技術的優(yōu)勢在于利用了類似小芯片中集成數(shù)十億個晶體管的半導體納米結構，因此可以利用當前成熟的半導體技術：得益于硅基自旋量子比特與成熟的納米加工技術的兼容性，半導體量子計算在過去的一年，容錯上進展明顯。

走向可擴展性

當前半導體量子芯片的擴展性一直是該路線研究的難點之一。2022年，半導體路線解決了諸多難題，在傳輸方式、工作溫區(qū)以及量子比特數(shù)量上都取得了很大的階段性進展。

目前硅基技術的主要挑戰(zhàn)是每個量子比特的質量不一樣，這也是科學家致力于解決的主要困難?；诋斍耙褜崿F(xiàn)的技術狀況來看，下一步硅半導體量子計算的核心研究任務依舊是如何采用現(xiàn)代半導體工業(yè)產(chǎn)線技術實現(xiàn)多量子比特耦合和普適量子邏輯門操控，從而構建大規(guī)模可擴展的硅量子芯片，實現(xiàn)可容錯的量子計算原型機。

2022年對量子計算來說是一個積極和充滿希望的結束。研究電子輸運，開發(fā)容錯的自旋量子比特系統(tǒng)，以及通過使用傳統(tǒng)電子技術模擬量子結構，可能成為規(guī)避量子力學定律所帶來的限制、將量子計算機帶出實驗室、進入現(xiàn)實世界和解決現(xiàn)實世界的復雜問題的關鍵。

5）拓撲量子計算

拓撲量子計算作為當下炙手可熱的一個技術路線，其優(yōu)勢是硬件層面的糾錯。原理比較復雜，簡單來說，量子比特是一個單獨的個體，與其他量子比特相互作用，是很容易出錯的，而且量子比特數(shù)越多，越容易出錯，出錯了信息就可能丟失。但拓撲量子計算機是將幾個量子比特組成起來形成一個固定結構，無論受到外界何種干擾，不會造成信息丟失。

對于拓撲量子比特來說，目前研究最多的馬約拉納費米子只是一種預言的費米子，它的反粒子就是它本身。但馬約拉納費米子仍未在自然界中找到，因此科學家們希望制造一種叫做馬約拉納零能模的任意子。與自然存在于真空中的電子或光子等基本粒子不同，馬約拉納任意子需要在混合材料中產(chǎn)生。

持續(xù)探索新材料

目前構成拓撲量子計算可能的系統(tǒng)有三大類：分數(shù)量子霍爾、拓撲超導體以及拓撲絕緣體。目前科學家所實驗出來的代表材料分別為GaAs/AlGaAs、Pb上的Fe原子鏈以及非阿貝爾Jackiw中的Rebbi（-like）模式（僅提案）。

總的來說，拓撲量子計算的研究目前還停留在基礎研究領域，很難甚至不能斷定研究的哪個系統(tǒng)，以及該方向是否值得研究。但從長遠利益的角度上來看，具有容錯特性的拓撲量子計算的研究，應該得到更多鼓勵。

技術原理取得突破

拓撲相的特征是基態(tài)的長程糾纏，傳統(tǒng)實驗探針不容易獲得。2022年3月，微軟Azure Quantum團隊提出的“拓撲間隙協(xié)議”（TGP）解決了這個困難，作為通過量子輸運測量確定拓撲相的標準。如果能夠通過該協(xié)議，就證明存在拓撲間隙。為此，他們設計了一種設備：拓撲超導線的末端有馬約拉納零能模。線的兩端都有一個實數(shù)費米子算符。最終，微軟團隊在這個設備上測量到了超過30μeV的拓撲間隙，消除了產(chǎn)生拓撲量子比特的最大障礙。

這些里程碑式的技術進步，都是未來制造拓撲量子計算機的關鍵原理步驟。拓撲量子計算非常依賴于任意子的融合和編織（拓撲準粒子的兩種原始操作），而拓撲間隙控制著物質的基本狀態(tài)為這些操作提供的容錯能力。因此不論是微軟通過馬約拉納零能模和可測量的拓撲間隙創(chuàng)建和維持量子相位的能力，消除了產(chǎn)生拓撲量子比特的最大障礙，還是普林斯頓大學所研究的分數(shù)量子霍爾效應。基于拓撲量子比特的量子計算機都將比其他已知量子比特構建的機器表現(xiàn)更為穩(wěn)定。

核心設備與器件

硬件系統(tǒng)中，mK級稀釋制冷機（包含GM脈管預制冷設備）以及微波控制電路系統(tǒng)（包含一體化量子計算測控系統(tǒng)、射頻微波線纜、低溫電子器件、射頻微波儀器儀表等）是超導或半導體量子計算機的核心設備。射頻微波線纜（同軸電纜、柔性電纜等）是連接處于低溫的量子芯片和處于室溫的測控系統(tǒng)之間的橋梁，低溫電子器件則又包含低溫耦合器、低溫低通濾波器、低溫隔離器、紅外濾波器、低溫放大器等細分部件。

對于量子比特控制與測量，根據(jù)其技術路線不同，量子計算測控系統(tǒng)主要分為兩大類型：一類是光學系統(tǒng)，包括光子源、單光子探測器、激光機等部分。主要負責光量子、離子阱以及中性原子等路線量子計算的測控；另一類是微波控制電路系統(tǒng)，主要包含任意波形發(fā)生器、鎖相放大器等一系列微波器件。該系統(tǒng)主要負責超導以及半導體量子計算的測控（也負責如離子阱、中性原子、金剛石NV色心等路線的控制）。

1）稀釋制冷機

目前，能達到mK極端低溫的技術包括在空間科學衛(wèi)星上應用比較廣泛的絕熱消磁制冷器，以及在地面實驗研究和空間科學衛(wèi)星上也已經(jīng)成熟的吸附式制冷機。在這些極端低溫技術中，吸附式冷卻器可以滿足250mk以上溫度區(qū)的任務要求，但絕熱消磁制冷器結合吸附式冷卻器或其他預冷方法可以滿足250mk以下溫度區(qū)的要求。

稀釋制冷機在不同低溫領域均有應用，量子計算機則為其主要應用領域。其中超導量子計算機、半導體量子計算機以及拓撲量子計算機對稀釋制冷機有較高的低溫要求，且目前稀釋制冷機的主要工作溫度區(qū)間為5mk-4k之間。

目前唯一適合量子計算機的制冷技術

當前其他類型的超低溫冷卻器可以達到幾乎與稀釋制冷機一樣低的溫度，但它們不適合用于量子計算，而是適用于預冷，如絕熱退磁冷卻器，它是一次性的低溫方法，不能提供持久的低溫環(huán)境，不適合直接用于支持量子計算和量子模擬。

通常情況下，對于拓撲量子計算的研究大多是由稀釋制冷機來為其創(chuàng)造接近0K的溫度，而更低溫則是由絕熱核退磁制冷機經(jīng)過稀釋制冷機預冷，來達到凝聚態(tài)中的最低溫度，這也是將宏觀物體冷卻到微開爾文（μK）的唯一方法。

破除體積限制是當前研發(fā)重點

2022年3月，美國丹佛初創(chuàng)公司Maybell Quantum推出了為下一代量子計算機提供動力的低溫平臺——Icebox稀釋制冷機。該機器在十分之一的空間中支持的量子比特數(shù)量是原來的三倍，且制冷機中有4500條超導柔性線。這是第一個帶門的系統(tǒng)，可以在不拆開它的情況下訪問量子比特。
IBM于2021年公布了他們的“黃金眼（Goldeneye）項目”，即為量子計算機造一臺前所未有的超大稀釋制冷機——包含1.7立方米的實驗容積，可以將比三個家庭廚房冰箱更大的容積冷卻到比外太空更冷的溫度，而之前的制冷機在0.4-0.7立方米的范圍內。后于2022年9月成功地將“黃金眼”冷卻到工作溫度（~25 mK），并在內部連接了一個量子處理器。

12月，美國能源部費米國家加速器實驗室的研究人員宣布他們正在建造Colossus，建成后它將成為迄今為止mK溫度下最大、最強的稀釋制冷機，黃金眼僅為Colossus容積的三分之一。這臺巨型制冷機將能夠容納數(shù)百到數(shù)千個高度相干的腔和量子比特，為標準商業(yè)稀釋制冷機在該溫度下冷卻能力的10倍和體積的15倍。然而，由于其像一個倒置的婚禮蛋糕，最大直徑約為2米，包含七個直徑、每一直徑越來越小、溫度越來越低，且需要將這些盤子相互懸掛，形成Colossus的低溫結構，這些成為目前Colossus的建造面臨的挑戰(zhàn)。

中國有望實現(xiàn)技術突破

2023年，對于中國來說，10mK以下的稀釋制冷機的禁運將迫使其加速自主研發(fā)的進程。中國目前除中科院物理所的姬忠慶團隊在無液氦稀釋制冷機上率先實現(xiàn)了8mk的溫度外；中電科十六所的稀釋制冷機有了階段性的突破，其連續(xù)循環(huán)工作溫度達到9.3mK；中船重工鵬力超低溫稀釋制冷機目前采用GM制冷機作為預冷冷源，最低溫度也達到了12mk（連續(xù)運行）。

中國當前稀釋制冷機自研道路上的難點主要包括研制稀釋制冷機所必需的同位素3He、預冷所需的脈沖管和冷頭等預制冷設備嚴重依賴進口，以及一些低溫設備焊接工藝難題。此外還有需克服像冷漏、超漏問題、盤管熱交換器和銀粉熱交換器等一系列技術難題。在核心的稀釋制冷機磁共振冷頭技術方面，中國有中船重工鵬力、萬瑞冷電和氫合科技這幾家企業(yè)可以做到4k的溫度，是否能有效工作不得而知。

2）測控系統(tǒng)

在實現(xiàn)實用化量子計算機的道路上，最大的挑戰(zhàn)之一是實現(xiàn)百萬個量子比特。而這一實現(xiàn)過程，離不開量子計算測控系統(tǒng)。無論量子計算機的體積和形態(tài)如何變化，測控系統(tǒng)或者說這一功能組成都會存在。對量子比特實時控制、測量和讀取結果、反饋結果這一系列過程的設備簡稱為量子計算測控系統(tǒng)或量子測控系統(tǒng)。
超導量子比特的門操作和測量可以通過微波和射頻脈沖實現(xiàn)。這是超導量子比特與其他物理系統(tǒng)構建量子比特（原子、離子和光子）的不同之處。

如何應對更多量子比特的測控

隨著量子比特數(shù)量的增加，理論上，測控設備的測控線路數(shù)也會相應增加，因此，未來量子測控系統(tǒng)除了提升硬件原有性能之外，還需提升對擴展性的需求。

應對的措施除了對測控芯片的集成度增強以外，還有為對測控系統(tǒng)進行機箱內擴展和機箱間擴展以及提升系統(tǒng)的通道密度等。機箱內擴展是在機箱內插入對應模塊性測控板卡；機箱間擴展則是連接多個硬件機箱來擴展，以針對更多的測控需要。當然，這是目前在幾百量子比特下的過渡方案，未來在超千比特數(shù)下，機箱方案是絕對無法滿足要求的，這就要立即開展低溫CMOS的控制方案研究。

量子反饋延遲時間需要在100ns量級上

為了實現(xiàn)讀出和控制的快速反饋，包括減小測控數(shù)據(jù)的上傳與下載之間的延遲、板卡之間以及設備之間的控制延遲、AWG的輸出延遲等，整個量子態(tài)的讀出操作、讀出數(shù)據(jù)的分析以及生成反饋操作的過程，必須在量子比特退相干之前完成，就目前來看量子反饋延遲時間需要在100ns量級上。
目前，限制測控系統(tǒng)的技術難點對應了DiVincenzo標準，如果未來的發(fā)展邏輯是按照可糾錯量子計算來部署的，那么目前業(yè)內的評判標準是對邏輯比特個數(shù)、增加一個量子比特的花費，以及是否能達到低的通道密度這些方面進行考量。隨著時間的推移，下圖結合了量子比特個數(shù)和時間刻度的關系，蘇黎世儀器公司給出了里程碑預測。

圖表 3-2量子計算微波測控系統(tǒng)發(fā)展趨勢

在提高同步性、減少噪生和串擾方面仍有提升空間

量子測控面臨多通道之間、機箱之間以及控制讀取之間的高同步性的需求。高的同步性有利于減小通道間相對相位漂移引起的噪聲，減小實驗校準復雜度。減小噪聲無論是現(xiàn)在和未來都始終需要討論的焦點之一，因為量子測控系統(tǒng)的隨機不可控噪聲以及量子比特本身周圍環(huán)境的噪聲是引起退相干和測控操作保真度低下的主要原因。

1. 目前減少噪聲一般是從材料、工藝、制冷機內部設計等方面去提升的。例如新材料在transmon類型的量子比特可以將熱弛豫退相干時間增加到300us左右；添加Purcell濾波器可以降低Purcell效應對熱弛豫退相干時間的影響；在稀釋制冷機內部添加紅外濾波器等也可以一定程度上提高熱弛豫退相干時間。
2. 除了提升硬件系統(tǒng)的性能使得系統(tǒng)具有良好的可擴展性、同步性和低延遲外，設計高效的信號波形算法也是量子測控系統(tǒng)關注的重點。例如目前可以通過優(yōu)化DAC波形的產(chǎn)生邏輯，來減小控制量子比特的延遲。
3. 改善信號的串擾也是重點工作。串擾的來源是因為控制信號在傳輸中，受到隔離不好的原因而產(chǎn)生了其他的微小信號。目前主要的避免方式還是通過真空和低溫冷卻環(huán)境來隔離量子比特與其周圍的環(huán)境。未來將關注不同的隔離方式來避免串擾對測控的影響。

低溫芯片化是未來

低溫環(huán)境能顯著降低溫度帶來的熱噪聲，能提供量子門操作的保真度。低溫化的趨勢和芯片化是難以分割的，因為根據(jù)現(xiàn)有的量子比特控制方法，是需要大量地從室溫到10mK以下量子芯片處的控制線去連接量子測控系統(tǒng)的。

隨著量子比特數(shù)目的增加，現(xiàn)有的量子比特控制方法必然會帶來稀釋制冷機的功率與體積的問題，目前的量子計算機需要為每個量子比特配備對應的控制和讀出設備，對一百個量子比特以內尚可，但面對成千上萬個量子比特（此等規(guī)模的量子計算機才被認為可實用化）則將無法以當前方式實現(xiàn)。為了解決這些問題，低溫集成控制成為一種解決方案，以讀出多路復用的方法，減少稀釋制冷機內部所需電子設備和連接線數(shù)量。

3）激光系統(tǒng)

為滿足量子計算機的特殊需求，所需激光器必須具有高穩(wěn)定性、高精度的調諧能力以及較低的漂移，以保證量子信息的精確性和可靠性。此外，在量子計算機中，激光器還需要能夠生成特定的光學信號，例如單光子脈沖或單模光，用于制造和操縱量子比特。

量子計算機所使用的激光器主要是以固體（晶體和玻璃）激光器或者半導體激光器陣列作為抽運源，摻入金屬離子的晶體或玻璃基質作為增益介質的全固態(tài)激光器。從某種意義上來講，全固態(tài)激光器整合了半導體激光器和固體激光器兩者的優(yōu)點，具有體積小、質量輕、壽命長、性能穩(wěn)定、可靠性高、光束質量好、轉換效率高等一系列優(yōu)勢，發(fā)展前景巨大。且它可通過變頻獲得寬波段可見、紅外、紫外甚至深紫外激光輸出，采用電激勵的方式也便于模塊化。

在各類全固態(tài)激光器中（圓棒激光器、板條激光器），ICV比較感興趣的是光纖激光器，它是利用光纖作為激光介質的激光器，主要用于光量子、中性原子以及離子阱量子計算中。

4）光子源及其他光學組件

在糾纏光子源方面，偏振糾纏的光子產(chǎn)生大都以自發(fā)參量下轉換過程（Spontaneous Parametric Down Conversion，簡稱 SPDC）為主。它是光與晶體的一類典型的非線性過程，這種過程可以簡單描述為一束激光（在非線性光學中稱為泵浦光）入射到晶體上。當滿足一定條件時，入射光子會轉化成兩個在頻率、偏振、傳播路徑和時間上都具有強烈關聯(lián)的光子。

目前糾纏光子源面臨的兩個問題是退相干現(xiàn)象和亮度低。其中退相干現(xiàn)象指的是所產(chǎn)生光子的各個疊加部分的相對相位發(fā)生改變，從而使得各個部分的相干疊加性被破壞，影響糾纏作用。在實驗中與退相干相關的一個指標是對比度，對比度是衡量光子之間糾纏作用強弱的物理量，退相干越嚴重，對比度越低。

在單光子源方面，長久以來，其純度問題一度困擾科學家們很長的時間，基本的方案都是通過準相干技術，例如雙光子產(chǎn)生（SPDC）、單晶材料生成單光子源等。通過這些技術，能夠生成具有較高純度的單光子源，從而滿足量子信息科學研究的需求。

2022年，中國科學技術大學提出了目前最好的方案。課題組利用里德堡原子之間的相互作用實現(xiàn)了超級原子量子態(tài)的高精度激發(fā)與操控，并基于此制備了純度達99.95%和全同度達99.94%的高質量單光子源。隨后將其應用到基于KLM方案的光量子邏輯門實驗中，并成功地將真值表保真度提高到了99.84%。利用該高保真度的光量子邏輯門，最后通過量子層析及貝爾不等式等方式進行了量子糾纏測量，其糾纏門保真度達到了99.69%。
5）光子源及其他光學組件

在糾纏光子源方面，偏振糾纏的光子產(chǎn)生大都以自發(fā)參量下轉換過程（Spontaneous Parametric Down Conversion，簡稱 SPDC）為主。它是光與晶體的一類典型的非線性過程，這種過程可以簡單描述為一束激光（在非線性光學中稱為泵浦光）入射到晶體上。當滿足一定條件時，入射光子會轉化成兩個在頻率、偏振、傳播路徑和時間上都具有強烈關聯(lián)的光子。

目前糾纏光子源面臨的兩個問題是退相干現(xiàn)象和亮度低。其中退相干現(xiàn)象指的是所產(chǎn)生光子的各個疊加部分的相對相位發(fā)生改變，從而使得各個部分的相干疊加性被破壞，影響糾纏作用。在實驗中與退相干相關的一個指標是對比度，對比度是衡量光子之間糾纏作用強弱的物理量，退相干越嚴重，對比度越低。

在單光子源方面，長久以來，其純度問題一度困擾科學家們很長的時間，基本的方案都是通過準相干技術，例如雙光子產(chǎn)生（SPDC）、單晶材料生成單光子源等。通過這些技術，能夠生成具有較高純度的單光子源，從而滿足量子信息科學研究的需求。

2022年，中國科學技術大學提出了目前最好的方案。課題組利用里德堡原子之間的相互作用實現(xiàn)了超級原子量子態(tài)的高精度激發(fā)與操控，并基于此制備了純度達99.95%和全同度達99.94%的高質量單光子源。隨后將其應用到基于KLM方案的光量子邏輯門實驗中，并成功地將真值表保真度提高到了99.84%。利用該高保真度的光量子邏輯門，最后通過量子層析及貝爾不等式等方式進行了量子糾纏測量，其糾纏門保真度達到了99.69%。

主要技術門檻

量子信息技術屬于高知識密集型領域，其操控處理的是單量子級別的微觀物理對象，具有跨學科、高精尖的技術特點，產(chǎn)品研發(fā)和技術創(chuàng)新要求企業(yè)具備較強的技術實力、配置豐富的技術研發(fā)資源，要求企業(yè)研發(fā)人員對量子信息理論深刻理解，并在光學、微電子學、軟件和集成技術等方面形成系統(tǒng)性支撐。

在量子保密通信領域，底層技術涉及到高效率的單光子探測、高精度的物理信號處理、高信噪比的信息調制、保持和提取、光學/光電集成、制冷集成、高速高精度專用集成電路等；在應用推廣上，不同行業(yè)、不同領域的用戶對信息安全的技術需求也不盡相同，需要在了解量子通信技術的同時了解經(jīng)典信息通信系統(tǒng)和安全技術，才能夠研發(fā)出匹配用戶當前真實需求、兼顧用戶安全需求發(fā)展空間的產(chǎn)品和應用解決方案。此外，量子保密通信網(wǎng)絡的建設環(huán)境也不相同，網(wǎng)絡建設方案的經(jīng)濟性、項目的快速交付以及業(yè)務連續(xù)性也是技術難點。

在量子計算方面，從量子比特數(shù)量到糾錯、邏輯門保真度的提高，都是衡量量子計算能力的重要基準，在量子芯片材料、結構與工藝、量子計算機整體構架以及操作和應用系統(tǒng)等方面實現(xiàn)自主可控、國產(chǎn)化以及提高集成度等，都是難點所在。

產(chǎn)業(yè)應用上，通用量子計算機的落地還有很長的一段時間，量子計算需要在NISQ（中等規(guī)模含噪聲）的量子計算機上實現(xiàn)有價值的應用探索，通過并行運算以及不斷優(yōu)化算法，同時克服目前量子計算設備的局限性進行輸出，方能滿足客戶的高標準和高需求。

量子計算機研制已從高校、研究所為主發(fā)展為以公司為主力，從實驗室的研究邁進到企業(yè)的實用器件研制，量子計算機將經(jīng)歷3個發(fā)展階段：

1、量子計算原型機

原型機的比特數(shù)較少，信息功能不強，應用有限，但“五臟俱全”，是地地道道地按照量子力學規(guī)律運行的量子處理器。IBM Q System One就是這類量子計算機原型機。

2、量子霸權

量子比特數(shù)在50-100左右，其運算能力超過任何經(jīng)典的電子計算機。但未采用 “糾錯容錯” 技術來確保其量子相干性，因此只能處理在其相干時間內能完成的那類問題，故又稱為專用量子計算機，這種機器實質是中等規(guī)模帶噪聲量子計算機 (noisy intermediate-scalequantum, NISQ)。應當指出，“量子霸權”實際上是指在某些特定的問題上量子計算機的計算能力超越了任何經(jīng)典計算機。這些特定問題的計算復雜度經(jīng)過嚴格的數(shù)學論證，在經(jīng)典計算機上是指數(shù)增長或超指數(shù)增長，而 在量子計算機上是多項式增長，因此體現(xiàn)了量子計算的優(yōu)越性。

3、通用量子計算機

這是量子計算機研制的終極目標，用來解決任何可解的問題，可在各個領域 獲得廣泛應用。通用量子計算機的實現(xiàn)必須滿足兩個基本條件，一是量子比特數(shù)要達到幾萬到幾百萬量級，二是應采用 “糾錯容錯” 技術。鑒于人類對量子世界操控能力還相當不成熟，因此最終研制成功通用量子計算機還有相當長的路要走。

產(chǎn)業(yè)化進程

世界主要國家進一步加大量子科技戰(zhàn)略部署，中國整體并跑、部分領跑

2022年諾貝爾獎首次頒發(fā)給量子信息領域的學者，讓外界進一步認識到發(fā)展量子科技具有重大科學意義和戰(zhàn)略價值。近年來，各主要國家和地區(qū)紛紛制定了國家層面的戰(zhàn)略計劃，大力支持量子信息技術發(fā)展。2022年，美國進一步以立法方式推動量子信息發(fā)展，在8月出臺的《芯片和科學法案》中授權美國政府撥款約1,700億美元用于促進美國未來5年在人工智能、量子計算等各領域的科研創(chuàng)新；在當年12月簽署《量子計算網(wǎng)絡安全防范法案》中，鼓勵聯(lián)邦政府機構采用不受量子計算影響的加密技術。2022年11月，歐盟發(fā)布《戰(zhàn)略研究和產(chǎn)業(yè)議程（SRIA）》報告，統(tǒng)籌目前歐洲正在進行的量子技術工業(yè)和研發(fā)計劃，包括量子通信、量子計算、量子傳感等，全面推進量子技術戰(zhàn)略。繼通過《量子技術：從基礎到市場的框架計劃》后，德國聯(lián)邦政府2022年推出了“量子系統(tǒng)研究計劃”，其任務是在未來十年將德國帶入歐洲量子計算和量子傳感器領域的領先地位，并提高德國在量子系統(tǒng)方面的競爭力。澳大利亞、日本、韓國、印度等也發(fā)布和實施了相關計劃。受益于黨和國家前瞻部署和戰(zhàn)略布局，目前我國在量子通信的研究和應用方面處于國際領先地位，在量子計算方面與發(fā)達國家整體處于同一水平，在量子精密測量方面發(fā)展迅速。

量子信息產(chǎn)業(yè)探索不斷，產(chǎn)業(yè)鏈漸漸形成

在國家戰(zhàn)略牽引和先行者的示范帶動下，近年來國內外量子信息領域不斷有“新軍”加入，科技巨頭和風投資本投入不斷增加，初創(chuàng)型中小型量子科技企業(yè)茁壯成長。2022年，加拿大科技公司Xanadu獲得了1億美元的融資，并在光量子體系實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”；量子計算技術公司D-Wave和Rigetti通過SPAC等方式上市并獲得融資；美國量子AI軟件公司SandboxAQ正式從谷歌母公司Alphabet剝離及獲得融資。目前，全球范圍內以量子信息技術為主營業(yè)務的上市公司數(shù)量不多，說明行業(yè)整體還在早期。日本東芝、韓國SKT（收購瑞士IDQ）、中國電信、華為、中國電科集團等通信及ICT巨頭都成立了相關量子保密通信研發(fā)團隊；IBM、谷歌、亞馬遜、微軟、英特爾、霍尼韋爾等科技巨頭也在量子計算領域進行了重點布局。

目前量子保密通信產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)相對較為成熟，其上游主要是元器件和核心設備，包括電子學元器件、光學器件、結構件等；中游主要是量子保密通信產(chǎn)品和相關技術服務供應商、量子保密通信網(wǎng)絡集成與運營商等；下游主要是安全應用，通過和ICT/5G/物聯(lián)網(wǎng)等技術的深度融合開發(fā)出高度適配、具備性價比的融合產(chǎn)品，觸達B/C端消費群體，培養(yǎng)大批創(chuàng)新型中小生態(tài)鏈企業(yè)。近年來，量子保密通信上下游合作增強、標準規(guī)范推進，使得更多行業(yè)理解并掌握量子保密通信的相關技術，進一步投身到量子安全領域中。例如，上游的光芯片行業(yè)已經(jīng)開始加入到輕量化量子保密通信設備核心部件研制中，下游的安全應用企業(yè)也開始出謀劃策，豐富落地場景。

在量子計算方面，國際上還在對各種有望實現(xiàn)可擴展量子計算的物理體系開展系統(tǒng)性研究，量子計算正在從理論概念初步發(fā)展為新興產(chǎn)業(yè)。歐洲計劃在短期內實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”里程碑并在量子芯片的性能、控制能力等技術上持續(xù)探索；中長期則通過實現(xiàn)量子糾錯，提高操控性和可編程性，在量子計算和產(chǎn)業(yè)之間搭建起橋梁，開發(fā)更實用的應用程序。

當前，硬件是量子計算的主要投資領域，即量子計算原型機的供應鏈方向，包括研發(fā)過程中所需的儀器設備、相關組件、微納加工所需工藝設備、量子計算原型機組建等。其次，由于量子計算輻射的可應用領域較廣，Gartner預測2023年約20%的組織將為量子計算項目開展預算，進行量子計算原型機適配的實驗操控軟件、有應用價值的量子加速算法等。

關鍵領域融合應用增多，量子安全受重視

在量子保密通信和安全方面，美國一直是全球抗量子密碼（PQC）的主要推進力量，但其與量子有關的國家實驗室從未停止過QKD技術的研究和驗證QKD網(wǎng)絡的可使用性。美國橡樹嶺國家實驗室和Qubitekk公司合作在實際的智能電網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)上開展了基于QKD的安全認證(包含簽名與驗證)研究和試驗；在歐洲，2022年歐盟27個成員國全部承諾，同意與歐盟委員會和歐洲航天局合作建設EuroQCI——歐洲量子通信基礎設施;歐洲2022年發(fā)布的路線圖顯示，將進一步推進部署多個城域量子密鑰分發(fā)（QKD）網(wǎng)絡和具有可信節(jié)點的大規(guī)模QKD網(wǎng)絡，實現(xiàn)基于歐洲供應鏈的QKD制造、在電信公司銷售QKD服務等；中短期內逐步實現(xiàn)區(qū)域、國家、歐洲范圍和基于衛(wèi)星的量子保密通信網(wǎng)絡部署。在此框架下，歐盟計劃借助量子加密技術為成員國的經(jīng)濟、安全和國防等提供安全通信，總投資約60億歐元。英國計劃于2024年初啟動量子通信衛(wèi)星的在軌演示任務。在德國，圖林根州已經(jīng)投資1,100萬歐元開展量子通信網(wǎng)絡基礎設施建設。

截至2022年末，我國建設完成的國家量子保密通信骨干網(wǎng)絡覆蓋京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝雙城經(jīng)濟圈等國家重要戰(zhàn)略區(qū)域，地面干線總里程超過10,000公里。整體上看，在量子保密通信領域，我國從科研到產(chǎn)業(yè)應用在國際競爭中處于領先地位，量子保密通信網(wǎng)絡已成為國家信息安全基礎設施的一部分，在大數(shù)據(jù)服務、政務信息保護、金融業(yè)務加密、電力安全保障、移動通信等領域形成一系列示范應用和試商用項目，中國電信、國家電網(wǎng)等央國企在量子安全融合應用方面都推出了一系列的舉措。

量子計算方面，由于量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，有望通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面（如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設計、藥物分析等）相比經(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速，具有極大的應用前景。目前，量子計算距離通用化使用還具有較大距離，但是已經(jīng)有越來越多的科技企業(yè)和機構在在小規(guī)模實際問題的量子算法上得到實驗，比如基于量子計算的高并行性發(fā)展起來的量子機器學習（QML），對物理、生物學、流行病學和金融學中的現(xiàn)象隨機建模等。由于當前量子計算原型機高昂的投資、較高的維護難度、極其嚴苛的運行環(huán)境，決定了當前量子計算的應用還是主要通過云平臺等方式實現(xiàn)。谷歌、微軟、亞馬遜和IBM、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院以及公司都推出或即將推出量子計算云平臺的服務?？湛?、大眾汽車、葛蘭素史克、高盛、摩根大通、埃克森美孚、陶氏化學等知名企業(yè)也都在各自領域內開展了量子計算應用探索，發(fā)掘行業(yè)應用場景與特定算法等。

面對量子計算應用上的復雜系統(tǒng)問題，量子計算加超級計算的“超量融合計算”是現(xiàn)階段實現(xiàn)量子計算應用探索的重要方向。2022年發(fā)布的《歐洲量子計算和量子模擬基礎設施》白皮書顯示，歐洲高性能計算共同體初步計劃在2021-2022年間投入6,000萬歐元來建設歐洲量子計算與模擬基礎設施。在2022-2023年，量子旗艦計劃進入過渡階段，部署中等規(guī)模（50-200量子比特）量子計算原型機。目前，中國也具備了堅實的量子計算基礎。

進擊的中國量子計算

在我國，量子計算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到政策的高度支持。其中，2015年5月，國務院頒布的《中國制造2025》中提到：積極推動量子計算、神經(jīng)網(wǎng)絡等發(fā)展，將量子通信納入新一代信息技術產(chǎn)業(yè)；2016年7月，國務院發(fā)布的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中，量子通信與量子計算機被選擇納入體現(xiàn)國家戰(zhàn)略意圖的重大科技項目之一；2022年1月國務院發(fā)布的《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》提出要瞄準傳感器、量子信息等前瞻性領域，提高數(shù)字技術基礎研發(fā)能力。在政策帶動下，中國量子計算賽道也迎來快速發(fā)展。2020年，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建出76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了 “高斯玻色取樣” 任務的快速求解?！熬耪隆?處理高斯玻色取樣的速度，比目前最快的超級計算機快一百萬億倍，比谷歌超導比特量子計算原型機 “懸鈴木” 快一百億倍。舉例來說就是，在室溫下運行并計算玻色采樣問題，同樣處理 100 億個樣本，“九章” 需要 10 小時，超級計算機需要 1200 億年。此后，中科大潘建偉教授與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究院等多方進行合作，成功打造出量子計算原型機“九章二號”?！熬耪露枴?高斯玻色取樣任務快速求解速度再次刷新了國際光量子操縱的技術水平。

圖：“九章”量子計算機原型圖源：中國科學院官網(wǎng)

除九章和九章二號之外，2021年，中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊與中國科學院上海技術物理研究所合作，構建了66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”，實現(xiàn)了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解?！白鏇_之二號”的求解速度比全球最快的超級計算機快1000萬倍以上，計算復雜度比谷歌的“懸鈴木”提高了6個數(shù)量級。企業(yè)方面，兩家在量子計算專利數(shù)量上位列全球前十的企業(yè)——百度和本源量子所取得的成果也令人矚目。今年8月，百度發(fā)布超導量子計算機“乾始”和首個全平臺量子軟硬一體解決方案“量羲”，集量子硬件、量子軟件、量子應用于一體，提供移動端、PC端、云端等在內的全平臺使用方式。本源量子在2021年9月10日發(fā)布的未來五年量子計算技術規(guī)劃路線圖顯示，到2025年，本源量子將突破1000位量子比特，達到1024位量子比特。

相關標準化體系逐步建設，國內外均在布局

標準化工作一直是新興技術走向產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應用中重要的一環(huán)。2021年，中共中央、國務院印發(fā)了《國家標準化發(fā)展綱要》，提出“加強人工智能、量子信息、生物技術等領域的標準化研究”“支持國內的行業(yè)協(xié)會、企事業(yè)單位等深度參與國際電信聯(lián)盟（ITU）、國際標準化組織（ISO）等國際標準和技術法規(guī)的制定”等。2022年，中國人民銀行會同市場監(jiān)管總局、銀保監(jiān)會、證監(jiān)會聯(lián)合印發(fā)《金融標準化“十四五”發(fā)展規(guī)劃》，在健全金融信息基礎設施標準方面，提出“探索量子通信、零信任網(wǎng)絡、無損網(wǎng)絡等新技術應用標準”。

量子保密通信技術服務信息基礎設施建設符合我國安全和信息化發(fā)展的趨勢與要求。我國正大力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟，強化網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)安全和個人信息保護。近年來，隨著我國《密碼法》《關鍵信息基礎設施安全保護條例》等系列規(guī)章制度出臺，促進了密碼科學進步和創(chuàng)新，密碼事業(yè)高質量發(fā)展。在國內，第三方測評是決定信息安全產(chǎn)品商業(yè)準入的關鍵環(huán)節(jié)，近年來信息安全、信息通信和金融、電力等領域的專業(yè)機構加大了對量子保密通信的關注和參與，通過測評、標準、融合應用等工作深度參與了量子保密通信技術、產(chǎn)品、應用的研究和規(guī)劃，逐步形成了階段性的共識和認可。2022年，國家工信部發(fā)布通信行業(yè)標準《基于BB84協(xié)議的量子密鑰分發(fā)（QKD）用關鍵器件和模塊第1部分：光源》和《基于BB84協(xié)議的量子密鑰分發(fā)（QKD）用關鍵器件和模塊第2部分：單光子探測器》，目前還有大量標準有待研究發(fā)布；在商用密碼領域，與傳統(tǒng)產(chǎn)品原理接近的部分設備已率先獲得商密認證，公司的QKD和量子隨機數(shù)發(fā)生器等量子保密通信核心設備也陸續(xù)通過商密檢測。在更高安全要求的特種行業(yè)領域，相關測評工作也在持續(xù)推進中。

量子計算與測量的標準化工作持續(xù)推進。2022年，量子計算領域首個國家標準《量子計算術語和定義》完成報批稿，量子測量領域國家標準《基于氮—空位色心的微弱靜磁場成像測量方法》獲批立項。

在國際上，ITU、IEEE、ISO/IEC等國際標準化組織近年來紛紛啟動量子信息領域的標準化工作，包括公司在內的中國主體在其中發(fā)揮著重要作用。例如，公司與中國信息安全測評中心聯(lián)合牽頭制定的ISO/IEC國際標準《量子密鑰分發(fā)的安全要求、測試和評估方法》進入發(fā)布階段；2022年，我國牽頭立項的ISO/IEC國際標準《信息技術—量子計算術語和詞匯》進入國際標準草案（DIS）階段。

行業(yè)發(fā)展特點

結合以上對行業(yè)發(fā)展階段的分析，可以看到量子信息行業(yè)呈現(xiàn)出國家戰(zhàn)略驅動、技術發(fā)展迅速、關鍵行業(yè)先行試用、應用前景廣闊等特點。

其中，量子保密通信技術具有抗計算破譯的長期安全性，無論攻擊者具有怎樣的計算分析能力（包括量子計算），用量子密鑰加密的信息都是安全的。作為新型信息安全產(chǎn)品和服務，量子保密通信技術和產(chǎn)業(yè)成熟度最高，與ICT及信息安全行業(yè)天然具有可結合的優(yōu)勢，相關安全驗證問題也已經(jīng)在相關部門指導、測評機構參與、產(chǎn)學研聯(lián)手的長期攻關下到了收官階段。日本東芝曾預測，隨著量子計算機的發(fā)展，全球量子保密通信（QKD）市場有望將從2020年的約2,100億日元（約合122.79億元）發(fā)展到2035年度的約2.1萬億日元（約合1227.87億元）；歐盟《戰(zhàn)略研究議程(SRA)報告》中認為“未來十年，量子密碼學數(shù)十億歐元的業(yè)務有望得到發(fā)展”。咨詢機構ICV估計，以往由政府資金支持的項目受到影響，2022年全球QKD市場規(guī)模較2021年有所下降，約為8億美元，隨著全球經(jīng)濟的逐步恢復，QKD的應用場景逐漸清晰與增多等，未來幾年將是QKD行業(yè)快速增長的好階段，預計2025年市場規(guī)模將達到35.04億美元。

在量子計算方面，從概念構想到實驗室成果，再到商業(yè)價值初探，探索量子計算物理實現(xiàn)方式和增加量子比特數(shù)量是當前全球研究機構及科技企業(yè)追逐的關鍵目標。NQCC（英國國家量子計算中心）認為，2027年NISQ（中等規(guī)模含噪聲）量子計算機的應用領域的市場需求和影響規(guī)模將會達到200億英鎊到350億英鎊，約合人民幣1,800億到3,150億；并且NQCC預測量子計算對社會和經(jīng)濟的長期影響可能是巨大的，到2050年，全球市場的影響將超過3,500億英鎊。

發(fā)展趁勢

2022年，諾貝爾物理學獎頒給了三位開創(chuàng)量子信息科學的科學家，量子信息技術備受矚目。報告期內，世界各主要國家規(guī)劃布局和投資支持力度進一步加大，代表性研究成果和應用探索亮點紛呈、前景可期，量子信息技術企業(yè)與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟不斷發(fā)展壯大。新技術、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式蓬勃發(fā)展，具體如下：

（1）量子安全和經(jīng)典ICT領域融合更加緊密

獲得2022年度諾貝爾物理學獎的安東·塞林格曾表示，“量子網(wǎng)絡已經(jīng)不是面向未來的技術了。人類用網(wǎng)絡來交換信息，而量子通信網(wǎng)絡可以保證通信的安全性，這樣的量子通信網(wǎng)絡已經(jīng)建成了，目前中國是領跑者”。當前通過量子保密通信技術來抵御包括量子計算在內的算力攻擊的方案獲得了更廣泛的認可，開始進入更成熟的發(fā)展階段。

根據(jù)我國“十四五”規(guī)劃，要“加強原創(chuàng)性引領性科技攻關”，包括“量子信息城域、城際、自由空間量子通信技術研發(fā)”。未來一段時間，進一步增強QKD等量子保密通信技術對各類應用場景的適應能力，例如無地面光纖、超遠距離、桌面應用等；需要發(fā)展自由空間量子保密通信、新型量子保密通信協(xié)議、高度集成化等相關關鍵技術，進一步提高量子密鑰分發(fā)的無中繼通信距離，減小體積、降低能耗，提高量子保密通信網(wǎng)絡架構的靈活性，不斷降低硬件終端成本和提高部署便利性，使得量子網(wǎng)絡和經(jīng)典ICT網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫對接等。

在國際上，歐盟在2023-2026年間發(fā)展量子通信的具體目標包括：提高QKD解決方案的性能、成碼率和成碼距離；部署用于空間QKD的原型載荷；實現(xiàn)基于歐洲供應鏈的QKD制造；部署多個城域QKD網(wǎng)絡和部署具有可信節(jié)點的大規(guī)模QKD網(wǎng)絡；多家電信公司以可持續(xù)商業(yè)模式銷售QKD服務；展示量子信道在其他密碼應用中的用途；QKD與傳統(tǒng)通信解決方案共存等?？傮w遠景是開發(fā)一個全歐洲范圍的量子網(wǎng)絡，以補充和擴展當前的數(shù)字基礎設施，為量子互聯(lián)網(wǎng)奠定基礎。

（2）“量子優(yōu)越性”和“量子糾錯”仍是量子計算發(fā)展重點

2022年，國際上正在對各種有望實現(xiàn)可擴展量子計算的物理體系開展系統(tǒng)性研究，每個體系均有不同程度上的突破，對量子計算相關的科研和產(chǎn)業(yè)化探索在加大，量子計算軟硬件技術均有所發(fā)展。

量子計算的第一個發(fā)展階段是實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。目前，全球僅中美加3國4臺量子計算原型機實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性。2022年，加拿大Xanadu公司宣布其使用可編程光量子計算原型機Borealis完成高斯玻色采樣實驗，成為繼中國“九章”后全球第二個實現(xiàn)在光量子體系下完成量子計算優(yōu)越性實驗的量子計算原型機。2022年11月，IBM在量子計算峰會上發(fā)布12項公告，更新了規(guī)劃路線，提出將繼續(xù)擴展量子系統(tǒng)并且目標是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”。

量子糾錯是構建通用量子計算機的基礎。我國“十四五”期間發(fā)展量子計算的重點是“要加快通用量子計算原型機和實用化量子模擬機研制”。在中國超導量子原型機“祖沖之2”號實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”基礎上，中國科學技術大學超導量子計算團隊在“祖沖之2.1”超導量子處理器上實驗，實現(xiàn)了“一種由17個量子比特組成的距離為3的糾錯表面碼”，首次在全球范圍內實現(xiàn)表面碼的重復糾錯。

目前，隨著量子計算各路線研發(fā)工作的逐步推進，整機所需的上游硬件設備與器件選型逐漸清晰，同時，量子計算機的軟件系統(tǒng)也在不斷跟進，量子軟件開源、云平臺成為當前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的特征，投身軟件和算法研發(fā)的企業(yè)也絡繹不絕。

資本和投資整體來說更加活躍。去年除了Rigetti、D-Wave等公司上市外，國內外多家量子計算公司完成融資。芬蘭量子計算公司IQM、美國量子計算公司ColdQuanta、加拿大量子計算公司Xanadu分別完成完成1.63億美元、1.1億美元、1億美元的融資；國內的一些初創(chuàng)企業(yè)等也完成相關融資。未來，各家量子計算企業(yè)需要在發(fā)展技術的同時，繼續(xù)在政府、教育、科研等領域尋找創(chuàng)新和發(fā)展應用場景的機會，搭建合作生態(tài)，推動未來更大的市場增長。

根據(jù)歐盟的量子計算計劃，在短期內實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性“這一重要里程碑，并在量子芯片的性能、控制能力等技術上持續(xù)探索，開發(fā)有價值的軟件算法；中長期則通過實現(xiàn)量子糾錯、提高操控性和可編程性，在量子計算和產(chǎn)業(yè)之間搭建起橋梁，開發(fā)更實用的應用程序。

ICV統(tǒng)計了2018年至2022年全球主要量子計算企業(yè)的融資情況，涉及14個國家，67家量子計算企業(yè)，136筆融資。具體如下：

圖表 6-1 : 融資金額&增長率（2018-2022）（單位：百萬美元）
2022年，量子計算產(chǎn)業(yè)共融資20.45億美元，與2021年總融資額相比增長有所放緩，但從整體來看，量子計算行業(yè)投融資長期仍保持增長態(tài)勢。對于投融資市場增速放緩，更為細節(jié)的表現(xiàn)如下。

圖表 6-2 : 國家及各融資輪次、數(shù)量、金額（2028-2022）（單位：輪次、筆數(shù)、百萬美元）

未來量子計算的發(fā)展將集中在三個方面：

繼續(xù)提升量子計算性能。為了實現(xiàn)容錯量子計算，首要考慮的就是如何高精度地擴展量子計算系統(tǒng)規(guī)模。在實現(xiàn)量子比特擴展的時候，比特的數(shù)量和質量都極其重要，需要每個環(huán)節(jié)（量子態(tài)的制備、操控和測量）都要保持高精度、低噪聲，并且隨著量子比特數(shù)目的增加，噪聲和串擾等因素帶來的錯誤也隨之增加，這對量子體系的設計、加工和調控帶來了巨大的挑戰(zhàn)，仍需大量科學和工程的協(xié)同努力。

實現(xiàn)專用量子模擬機并繼續(xù)探索量子計算應用。即相干操縱數(shù)百個量子比特，應用于組合優(yōu)化、量子化學、機器學習等特定問題，指導材料設計、藥物開發(fā)等。從當前到2030年，全球的主要研究任務應當集中于此。

實現(xiàn)可編程通用量子計算機，即相干操縱至少數(shù)百萬個量子比特，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。由于量子比特容易受到環(huán)境噪聲的影響而出錯，對于規(guī)?；牧孔颖忍叵到y(tǒng)，通過量子糾錯來保證整個系統(tǒng)的正確運行是必然要求，也是一段時間內面臨的主要挑戰(zhàn)。由于技術上的難度，何時實現(xiàn)通用量子計算機尚不明確，國際學術界一般認為還需要15年甚至更長時間。

審核編輯 ：李倩