量子计算

量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量等三个技术领域。量子计算是基于量子态受控演化的一类计算技术。量子计算具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力，有望成为未来几乎所有科技领域加速发展的“新引擎”。量子计算利用诸如叠加和纠缠等量子现象进行计算，它是一种革命性计算技术。这些量子现象遵循量子力学规律通过调控量子信息单元实现，主要以量子比特为基本单位，通过量子态的受控演化实现并行计算，在某些计算困难问题上提供指数级加速。

原理特性：以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理实现并行计算，在某些计算困难问题上可能提供指数级加速。

发展定位：为计算困难问题提供高效解决方案，实现突破经典计算极限的算力飞跃。量子计算与经典计算长期并存，相辅相成。

前景：基于含噪声中等规模量子处理器(NISQ) 和云平台探索具备实用化价值的应用算例。长期前景是大规模可编程容错量子计算机及其应用。

量子计算机基于量子力学原理构建，用于处理和计算量子信息，运行量子算法。量子计算机与经典计算机在基本单位、运算模式和计算能力上存在明显区别。

(1)基本单位：经典计算机信息的基本单元是比特，比特是一种有两个状态的物理系统，用0与1表示。在量子计算机中，基本信息单位是量子比特(qubit)，用两个量子态│0>；和│1>；代替经典比特状态0和1，每个量子比特的状态是0或1的线性组合(通常称为叠加态)。

(2)运算模式：经典计算机的运算模式为逐步计算，一次运算只能处理一次计算任务。量子计算为并行计算，因此量子计算机可以同时对2^n个数进行数学运算，相当于经典计算机重复实施2^n次操作。

(3)计算能力：在经典计算中，计算能力与晶体管数量成正比例线性关系；量子计算机中算力将以量子比特的指数级规模拓展和爆发式增长。

赛迪智库《2019年量子计算发展白皮书》显示，量子计算的基本单位是量子比特，通过量子态的受控演化实现数据的存储计算。量子计算机就是遵循量子力学规律，基于上述原理进行信息处理的一类物理装置。当前，量子计算机可大致分为三类:量子退火、嘈杂中型量子(NISQ)计算、容错型通用量子计算。

量子计算机的计算过程一般分为分为数据输入、初态制备、量子逻辑门操作、量子测算和数据输出等步骤。其中，量子逻辑门操作是一个幺正变换，这是一个可以人为控制的量子物理演化过程。对量子计算机的可用性而言，需要从量子比特数、长相干时间保护、高保真度量子操作等多个维度进行综合衡量。

根据赛迪智库《2019年量子计算发展白皮书》，量子计算的特点有

(1)并行计算能力更强。一般地，描述n个量子比特的量子计算机需要2n个系数数字，当n增大时所有状态所需数字很大。但由于量子叠加效应，量子计算过程中的幺正变换可以对处于叠加态的所有分量同时进行操作(也即量子并行性)。因此，量子计算机可以同时进行多路并行运算，这也是量子计算机超强信息处理能力的源泉。

(2)能耗更低。当前，经典计算中运算速度遇到的一大瓶颈就是能耗问题对芯片集成度的制约。有研究表明，能耗产生于计算过程中的不可逆操作。直观而言，传统芯片的特征尺寸很小( 数纳米)时，量子隧穿效应开始显著，电子受到的束缚减小，使得芯片功能降低、能耗提高，这即是传统摩尔定律面临失效的原因。因此，必须将不可逆操作改造为可逆操作，才能大大提高芯片的集成度。相较之下，量子计算中的幺正变换属于可逆操作，因而信息处理过程中的能耗较低，这有利于大幅提升芯片的集成度，进而提升量子计算机算力。

根据赛迪报《2021量子计算技术创新与趋势展望》，量子计算发展至今，共经历五个时期，分别是1982-1993理论概念构想期、1994-2006实践成果初探期、2007-2013研究开发活跃期、2014-2019商业价值孵化期、2020-以后技术应用跃升期

1982-1993理论概念构想期

1982年，Richard Feynman提出利用量子体系实现通用计算的想法，即量子计算的早期概念构想。1985年，David Deutsch提出了量子图灵机模型，使得通用量子计算机的构建更加清晰。1992年，Deutsch Jozsa提出了D-J量子算法，这是量子并行计算理论的基石。

1994-2006实践成果初探期

1994年，Peter Shor提出Shor算法，对RSA等在内的加密算法和系统造成了威胁，成为量子计算的核心突破。1995年，Benjamin Schumacher第一次提出了量子比特信息学上的概念，并创造了“量子比特”(qubit)的说法。1996年，Lov Grover提出了Grove量子搜索算法，该算法被公认为继shor算法后的第二大算法。1998年，Bernhard Omer提出量子计算编程语言，拉开了量子计算机可编程的序章。

2007-2013研究开发活跃期

2007年，D-wave Systems实现了历史上第一台商用量子计算机。宣布研制成功16量子比特的量子计算机——“猎户座”(Orion)。2009年，Harrow、Hassidim、Lloyd提出HHL量子算法。该算法在特定条件下实现了相较于经典算法的指数加速效果，将在机器学习、数值计算等场景有优势体现。

2014-2019商业价值孵化期

2014年，Google建设“Google量子人工智能实验室”，自此专营量子计算的创业公司开始出现。2016年8月16号，墨子号量子科学实验卫星成功发射升空。2019年1月，IBM公司发布世界上首个商用集成量子计算系统：IBM Q System One，这一新系统对于在实验室外扩展量子计算至关重要。2019年，谷歌发布论文称已经利用一台53量子比特的量子计算机，证实了量子计算机性能超越经典计算机，成为量子计算领域发展的标志性事件，刺激了全球科技巨头和初创企业的进一步投入与竞争。

2020-以后技术应用跃升期

未来，随着量子物理比特数量和质量的提升，预计到2030年，基于百位量级量子物理比特，在含有噪声，即未实现量子纠错的条件下，探索开发相关应用和解决特定计算困难问题。到2050年，有望实现通用量子计算机，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值(>；99.999%)，并进一步面向更广泛的应用场景。

量子计算依赖量子比特，根据实现量子比特的制备操控方案的不同，当前量子计算其存在超导、离子阱、硅基半导体和光量子多种技术路线，目前尚未出现压倒性的技术，处于多技术并行状态。

(1)超导量子芯片：超导量子计算是基于超导电路的量子计算方案，其核心器件是超导约瑟夫森结。超导量子电路在设计、制备和测量等方面，与现有的集成电路技术具有较高的兼容性，对量子比特的能级与耦合可以实现非常灵活的设计与控制，极具规模化的潜力。由于近年来的迅速发展，超导量子计算已成为目前有希望实现通用量子计算的候选方案之一。超导量子计算实验点致力于构建一个多比特超导量子计算架构平台，解决超导量子计算规模化量产中遇到的难题。

(2)核自旋量子计算：1997年，斯坦福大学的Chuang等人提出利用核磁共振来进行量子计算的实验，之后，基于核自旋的量子计算迅速发展，Grover搜索算法和七比特Shor算法相继在核自旋上实现。迄今为止，它的单比特和两比特保真度可以分别达到99.97%和99.5%。这种方法一般是利用液体中分子的核自旋进行实验，由于分子内部电子间复杂的排斥作用，不同的核自旋具有不同的共振频率，因而可以被单独操控；不同的核自旋通过电子间接发生相互作用，可以进行两比特操作。下图是一种用于核磁共振实验的分子，里面的两个C原子用13C标记，加上外面5个F原子，它们7个构成实验用的7个比特，表中是比特频率、相干时间和相互作用能。

(3)离子阱量子计算：离子阱量子计算在影响范围方面仅次于超导量子计算。早在2003年，基于离子阱就可以演示两比特量子算法。离子阱编码量子比特主要是利用真空腔中的电场囚禁少数离子，并通过激光冷却这些囚禁的离子。离子阱的读出和初始化效率可以接近100%，这是它超过前两种比特形式的优势。单比特的操控可以通过加入满足比特两个能级差的频率的激光实现，两比特操控可以通过调节离子之间的库伦相互作用实现。

(4)半导体量子芯片：由于经典计算机主要基于半导体技术，基于半导体开发量子计算也是物理学家研究的重点领域。相比超导量子计算微米级别的比特大小，量子点量子比特所占的空间是纳米级别，类似于大规模集成电路一样，更有希望实现大规模的量子芯片。现在的主要方法是在硅或者砷化镓等半导体材料上制备门控量子点来编码量子比特。编码量子比特的方案多种多样，在半导体系统中主要是通过对电子的电荷或者自旋量子态的控制实现。

(5)原子量子计算：除了利用离子，较早的方法还包括直接利用原子来进行量子计算。不同于离子，原子不带电，原子之间没有库伦相互作用，因此可以非常紧密地连在一起而不相互影响。

(6)拓扑量子计算：拓扑量子计算是一种被认为对噪声有极大免疫的量子计算形式，它利用的是一种叫做非阿贝尔任意子的准粒子。为了实现量子计算，首先要在某种系统中创造出一系列任意子-反任意子，然后将这些任意子的两种熔接(fusion)结果作为量子比特的两个能级，再利用编织(braiding)进行量子比特的操控，最后通过测量任意子的熔接结果得到比特的末态。这一系列操作对噪声和退相干都有极大地免疫，因为唯一改变量子态的机制就是随机产生的任意子-反任意子对干扰了比特的编织过程，但这种情况在低温下是非常罕见的，噪声和其他量子比特系统常见的电荷等相比，影响是非常小的。

根据中国信通院信息技术行业《2020年量子信息技术发展与应用研究报告(2020年)》量子计算软件大致可分为底座型基础运行类软件、中台型计算开发类软件和门户型应用服务类软件等三种不同类型。

(1)基础运行类软件基于硬件设计实现基础软件功能，包括量子逻辑门、量子电路、量子模拟加速组件、量子编译器和量子测控器等，是量子计算软件技术发展核心，也是上层软件开发和应用功能的实现基础。技术门槛高，专业人才匮乏，目前仅少数高端测控或精密仪器类型企业布局参与，软件类型较为稀缺，处于发展初期。

(2)计算开发类软件通过封装基础组件实现开发功能，包括量子编程语言、量子算法库、量子计算GUI和量子计算SDK等，定位于提供量子计算软件技术应用开发平台。编程框架及开发库主要以开源项目方式呈现，软件体量大，应用生态建立逐步开展。目前，科技巨头利用产业生态位优势，联合.上下游企业与用户，积极开展相关布局和开源社区建设，正在快速迭代，产业参与度高发展活跃。

(3)应用服务类软件通过上层编程开发，探索面向不同应用领域的业务与服务软件，包括分子化学、网络搜索、智能识别、量化金融、材料设计和机器学习软件等。应用服务类软件定位于匹配行业应用需求，开展计算困难问题建模，体现量子计算的算力优势，是量子计算阶段开展实用化探索的关键。应用软件研发多以量子计算和行业应用企业合作的方式开展，目前处于开放探索阶段。

2006/02国务院《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》重点研究量子通信的载体和调控原理及方法，量子计算，电荷-自旋-相位-轨道等关联规律以及新的量子调控方法，受限小量子体系的新量子效应，人工带隙材料的宏观量子效应。

2011/07科技部《国家“十二五“科学和技术发展规划》突破光子信息处理、董子通信、量子计算、太赫兹通信、新型计算系统体系、网构软件、量数据处理、智能感知与交互等重点技术，攻克普适服务、人机物交互等核心关健技术。

2015/05国务院《中国制造2025》全面突破第五代移动通信(5G)技术、核心路由交换技术、超高速大客量智能光传输技术、“未来网络”核心技术和体系架构，积极推动量子计算、神经网络等发展。

2016/03全国人大《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》

将量子通信和量子计算机列为科技创新2030——重大科技项目之一。

2016/05国务院《国家创新驱动发展战略纲要》前瞻布局新兴产业前沿技术研发，力争实现“弯道超车”。开发移动互联技术、量子信息技术、空天技术，推动增材制造装备、智能机器人、无人驾驶汽车等发展。

2017/05科技部、教育部、中科院、国家自然科学基金委员会《“十三五”国家基础研究专项规划》量子计算机研究解决大尺度量子系统的效率问题，研发量子系统、量子芯片材料、结构与工艺、量子计算机整体构架以及操作和应用系统，实现量子信息的调制、存储、传输和计算，最终实现可实用化的量子计算机原型机。

2017/08科技部、军委科技委《“十三五”科技军民融合发展专项规划》积极推动天地一体化信息网络、量子通信与量子计算机、脑科学与类脑研究等新一轮军民融合重大科技项目论证与实施。

2018/01国务院《国务院关于全面加强基础科学研究的若干意见》优化国家科技计划基础研究支持体系，拓展实施国家重大科技项目，加快实施量子通信与量子计算机、脑科学与类脑研究等“科技创新2030-重大项目”。

2018/07中央办公厅、国务院办公厅《金融和重要领域密码应用与创新发展工作规划(2018-2022年)》大力推动密码科技创新，加强密码基础理论、关健技术和应用研究，促进密码与量子技术、云计算、大数据、物联同、人工智能、区块链等新兴技术融合创新。

2020/10中央政治局第二十四次集体学习量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。

根据光子盒《2022全球量子计算产业发展报告》，从行业上来说，量子计算的潜在应用领域繁多，主要包括供应链、金融、交通、物流、制药、化工、汽车、航空、能源、气象等领域。

制药、化工、新材料:量子计算可模拟分子特性，有望通过计算机数字形式直接帮助研究人员获得大型分子性状，缩短理论验证时间，极大地推动制药行业药品研发和开发新型材料。

金融:量子计算非常适合复杂的金融建模，在投资组合定价、衍生品定价等方面具有潜在优势。据不完全统计，全球已有超过25家国际大型银行及金融机构与量子计算企业开展合作研究。

交通、物流、供应链:这三个领域均涉及量子计算优化，利用量子计算优化供应链、交通(包括飞机、火车、汽车等)线路和物流，从而降低成本。

航空:量子计算有助于解决航空行业面临的一些最严峻的挑战，从基础材料科学研究、机器学习优化到复杂的系统优化，而且有可能改变飞机的制造和飞行方式。

能源:量子计算有可能应用于模拟碳氢化合物井中各种类型粘土的化学成分和累积，这是高效碳氢化合物生产的关键因素；分析和管理风电场的流体动力学；优化自主机器人设施检查；并帮助创造前所未有的机会，提供世界想要和需要的清洁能源。2021 年2月，英国BP公司与IBM Quantum展开合作，探索提高能源利用效率和减少碳排放。

汽车:近年来各大汽车厂商加快推进电动化战略。推进电动化战略过程中，量子计算将发挥其在化学模拟的优势，多家汽车厂商正致力于利用量子计算技术来研发性能更好的电池。

气象:量子计算可以有效和快速处理包含多个变量的大量数据，而且，并行计算和不断优化的算法，可促进对气象条件的跟踪和预测，有助于提高天气预报的准确性。此外，量子计算机还可通过机器学习来识别和理解不同的天气模式。

参考资料：

赛迪智库：2019年量子计算发展白皮书(40页).pdf

量子通信与量子计算量子应用新领域低成本算力无极限（36页）.pdf

赛迪报告：2021量子计算技术创新与趋势展望（18页）.pdf

国信通院信息技术行业：2020年量子信息技术发展与应用研究报告（2020年）（71页）.pdf

光子盒：2022全球量子计算产业发展报告（158页）.pdf

腾讯研究院：量子计算应用、布局与未来发展分析报告2020（22页）.pdf

CB-Insights：五大科技巨头的量子计算展望（英文版）（72页）.pdf