2018全球量子計算芯片研發(fā)概況及水平分析

量子計算機有望以現有超級計算機數百萬倍的速度進行復雜計算。通用量子計算機一旦實現，將對通信安全、導航、成像以及人工智能、生物制藥、新材料研發(fā)等諸多領域產生顛覆性影響，帶來國家安全和社會經濟發(fā)展的極大變革。

近年來，世界科技強國開始高度重視量子計算研究，紛紛發(fā)布自己的量子信息科技戰(zhàn)略，旨在搶占下一輪科技發(fā)展的制高點，爭取早日實現“量子優(yōu)勢”（又稱量子霸權）。當前，量子計算研究進入爆發(fā)期，并開始出現了實際應用。本文將從論文產出、專利產出、量子芯片開發(fā)等角度入手，考察2018年全球量子計算領域研發(fā)概況。

一、世界主要國家量子計算戰(zhàn)略

美國

美國是最早將量子信息技術列為國防與安全研發(fā)計劃的國家。早在2002年，美國防部高級研究計劃局（DARPA）就制定了《量子信息科學與技術規(guī)劃》，并于2004年發(fā)布2.0版，給出了量子計算發(fā)展的主要步驟和時間表。2008年，DARPA斥巨資啟動名為“微型曼哈頓計劃”的半導體量子芯片研究計劃，甚至將量子計算研究列為與原子彈研制同等重要的高度。

近年來，隨著中國等新興國家在量子信息技術領域的快速進步，美國愈發(fā)重視量子信息技術的發(fā)展。2016年7月，美國國家科學技術委員會發(fā)布《推進量子信息科學：國家的挑戰(zhàn)與機遇》報告，認為量子計算能有效推動化學、材料科學和粒子物理的發(fā)展，未來有望顛覆人工智能等諸多科學領域。2018年6月，美國眾議院科學委員會高票通過《國家量子倡議法案》，計劃在10年內撥給能源部、國家標準與技術研究所和國家科學基金12.75億美元，全力推動量子科學發(fā)展。

《國家量子倡議法案》封面

歐盟

作為量子理論的發(fā)源地，歐洲高度重視量子信息技術對國家安全、經濟發(fā)展等方面的影響，投入眾多資源大力發(fā)展相關技術。2005年，歐盟發(fā)布《歐洲研究與發(fā)展框架計劃》（第七框架計劃）并提出專門用于發(fā)展量子信息技術的《歐洲量子科學技術》計劃和《歐洲量子信息處理與通信》計劃，成為繼歐洲核子中心、航天技術后的又一次大規(guī)模國際合作。

2016年3月，歐盟委員會發(fā)布《量子宣言》，計劃斥資10億歐推動量子技術期間計劃，旨在培育形成具有國際競爭力的量子工業(yè)，確保歐洲在未來全球產業(yè)藍圖中的領導地位。量子技術旗艦計劃聚焦在量子通信、量子傳感器、量子模擬器和量子計算機4個細分領域，分別開展短中長期研究。

《量子宣言》插頁

英國

一直以來，英國高度重視量子信息科學的基礎研究，基于前期研究成果近年來正逐步向基礎研究和商業(yè)應用并重轉變。2015年，英國政府發(fā)布了《量子技術國家戰(zhàn)略》和《英國量子技術路線圖》，將量子技術發(fā)展提升至影響未來國家創(chuàng)新力和國際競爭力的重要戰(zhàn)略地位?！奥肪€圖”給出量子計算機、量子傳感器和量子通信在內的每項量子技術可能的商業(yè)化時間和發(fā)展路線圖。

2016年12月，英國政府科學辦公室發(fā)布量子技術報告《量子技術：時代機會》，提出建立一個政府、產業(yè)、學界之間的量子技術共同體，使英國能在未來的量子技術市場中搶占世界領先地位，實質性地提高英國產業(yè)的價值。

此外，日本、韓國、新加坡等科技強國均發(fā)布了自己的“量子信息科學發(fā)展計劃”。目前，日本、韓國、新加坡將研究重點放在量子通信上，在量子計算研發(fā)上均有所涉獵。

《量子技術：時代機會》封面

二、全球量子計算研究水平

（一）論文產出情況

本文借鑒qurope.eu對量子計算的定義，制訂如下論文檢索策略：TS =((Quantum NEAR/2 (comput* OR algorithm* OR simulat* OR error* )) OR (“Quantum Circuit”O(jiān)R “Quantum cellular automata”O(jiān)R “Quantum Turing machine”O(jiān)R “Quantum register”)) AND 文獻類型: (Article) 。在Web of Science數據庫中檢索1988-2008年的論文數據，作為計量分析的數據基礎，檢索時間為2018年9月10日。

20世紀90年代，全球量子計算領域研究開始進入快速增長期，各國開始在量子信息領域投入科研經費。此后，量子算法Shor算法和Grover算法、量子電路基本邏輯門相繼被提出，量子糾錯研究開始興起，推動量子計算進入可工程化階段。1990-2017年期間，量子計算領域論文年平均增長量超過10%。

全球量子計算論文數量發(fā)表趨勢

從SCI論文總量上看，美國以8492篇的總量穩(wěn)居第一梯隊，數量超過第二、三名之和，占全球量子計算論文發(fā)表總量的31%。中國、德國分別以4573篇、3325篇的總量分列第二和第三名，全球論文占比均超過10%，位列第二梯隊。英國、日本、加拿大、意大利、法國和澳大利亞發(fā)表的論文數量均超過1000篇，位列第三梯隊。

各國量子計算論文發(fā)表數量排行

從頂尖科研機構上看，全球論文發(fā)表數量前20的量子計算研究機構中，中國占據3席，分別為中國科學院（第三）、中國科學技術大學（第七）和清華大學（第十七）。相比之下，美國頂尖的量子計算研究機構多達7個，歐盟境內的頂尖研究機構多達6個。此外，俄羅斯、加拿大和新加坡各占據1席。

科研機構量子計算論文發(fā)表數量排行

從頂尖學者上看，中國籍或華人科學家占據了論文發(fā)表數量前20名榜單的近一半，其中中國科學技術大學郭光燦院士論文數量高居榜首（見圖7）。華人科學家在量子計算領域的貢獻占比不斷攀升，這不僅推動了國內量子信息科技的發(fā)展，也提升了中國在量子計算領域的國際話語權。

頂級專家量子計算論文發(fā)表數量排行

上述結果表明，中國在量子計算科研水平上處于領先行列，不乏頂尖科研機構和頂尖科學家。但與美國和歐盟相比，我國整體研究實力仍存在一定差距，論文發(fā)表總量和頂尖科研機構數量只有前兩者的一半。

（二）專利產出情況

本文采用如下策略進行專利產出情況搜集：TA = (quantum AND comput*)。其中TA代表標題/摘要，comput*代表computer、computation或computing。過濾條件是：聯合專利分類（CPC）為G06N99/002（量子計算機：利用量子的疊加、相關性、脫散、纏結、非定域性、遠距傳物來進行信息處理）。在Patsnap數據庫中檢索1999-2008年的論文數據，作為計量分析的數據基礎，檢索時間為2018年9月10日。

從申請趨勢上看，近20年量子計算領域的專利申請經歷了2個高潮，分別為2002年和2015年。第一次量子計算機研發(fā)高潮起始于1998年，麻省理工學院Neil Gershenfeld和IBM公司Isaac Chuang合作開發(fā)出基于核磁共振方案的首個量子計算機原型。1998-2004年，全球量子計算專利申請為快速增長期，2005-2013年該領域專利申請進入衰退期。第二次量子計算機研發(fā)高潮起始于2014年，標志性事件是谷歌著手研究基于超導的量子計算機。2015年，全球量子計算專利申請量超過100件，達到歷史最高水平。

全球量子計算專利申請趨勢

從各國申請數量上看，美國以600余件的總量高居榜首。日本專利申請數量為171件，僅為美國的1/3左右。中國、加拿大、澳大利亞、英國、德國、韓國和新加坡位列其后，數量均不超過60個，不及美國的1/10。

各國量子計算專利申請趨勢

從申請人排名上看，加D-WAVE公司一枝獨秀，其專利申請量是第二名微軟公司的3倍多。美國公司和日本公司占據了該榜單的絕大部分，中國企業(yè)和科研機構則無一上榜。

企業(yè)量子計算專利申請量排行

與論文產出情況相比，中國在量子計算領域的專利產出遠遠落后于美國，與日本相比也存在較大差距。美國、日本量子計算領域的專利申請人基本都是科技巨頭，這表明美國、日本推動量子計算發(fā)展的主要動力是社會資本與科技企業(yè)。相比之下，我國量子計算研發(fā)的動力不足，社會性資本無法支撐量子計算的商業(yè)化發(fā)展。

三、全球量子計算芯片研發(fā)概況

量子計算芯片是量子計算機的核心部件，其發(fā)展水平也代表了量子計算機的進展情況。目前，研究量子計算的載體較多，包括超導約瑟夫森結、半導體量子點、離子阱、金剛石色心、拓撲絕緣體以及量子光學芯片等。

資料來源：《Nature》期刊

超導量子芯片方案

利用超導量子器件實現量子計算是當前量子計算的主流方案之一。目前，從相干時間、集成度、保真度（99.9%以上）三項指標上看，超導量子比特的研究進展最為迅速。此前，英特爾、IBM、谷歌所公布的最新進展均是基于超量子芯片方案。2018年3月，谷歌推出72量子比特的Bristlecone量子處理器，正是該領域的最新成果。

半導體量子芯片方案

與超導量子芯片方案相比，半導體量子計算的保真度不足，但半導體量子點具有可容錯和可拓展兩大優(yōu)勢，能夠與現有半導體芯片工藝完全兼容，因此得到了研究機構和業(yè)界的廣泛關注。2014年，新南威爾士大學獲得了退相干時間高達120微秒、保真度達到99.6%的自旋量子比特；2017年，日本理化研究所在硅鍺系統(tǒng)上獲得了退相干時間達到20微秒、保真度超過99.9%的量子比特。目前，英特爾、Silicon Quantum Computing等公司都投入巨資研發(fā)相關技術。

離子阱量子芯片方案

與前兩者相比，離子阱量子計算的量子比特品質高，但其可擴展性差，且體積龐大，小型化尚需時日。目前，離子阱量子芯片是量子計算領域進展最快的物理系統(tǒng)之一。2016年，馬里蘭大學研制出可編程的5量子比特離子阱計算機，2017年成立Ion Q公司并研制出32離子比特量子計算機原型機。

拓撲量子芯片方案

該方案基于受拓撲保護的量子比特，原則上不會有耗散問題，因此在比特集成方面有更好的優(yōu)勢。目前，拓撲保護的量子態(tài)——馬約拉納零?！呀浽趯嶒炆蠈崿F。未來的研究熱點將是探索更多的理論和實驗方案，實現拓撲量子比特，單比特和兩比特量子門讀取和操作。微軟在該領域布局已超過10年，未來有望率先實現拓撲量子計算機，并一舉獲得量子計算領域的領先地位。

四、總結

當前，第二次量子革命的號角已經吹響。量子計算領域正以前所未有的速度進步，其對國防軍事、生物制藥、新材料研發(fā)等諸多領域的顛覆性影響已開始顯現。量子計算技術的潛力引起了美、中、歐、日、俄等國的高度重視，科技巨頭也在加速布局量子芯片的研發(fā)。

與美歐相比，我國在量子計算領域的整體研發(fā)實力上，存在較大差距。其中，我國的基礎科研能力僅次于美國，處于領先地位；但專利產出明顯弱于美國、日本，與歐盟整體相比也存在差距。此外，在量子芯片開發(fā)上，我國還存在社會資本投入不足等問題。

雖然量子計算離實用化仍存在很長距離，但量子計算對我國引領下一次科技革命，實現跨越式發(fā)展具有重要意義。對此，我應借鑒英美等國經驗，科學研判量子計算技術的商用化時間，制定合理的量子計算商用路線圖，推動龍頭企業(yè)和頂尖科研機構合作、產學研協同攻關，并在量子計算機架構的標準上早日獲得話語權。