2021年量子計算的研發(fā)現(xiàn)狀與未來展望
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超導量子計算過去宣稱實現(xiàn)的量子霸權(quán)在最新的獲得戈登貝爾獎被宣告打破，但谷歌和IBM依然在這一領(lǐng)域有著雄心勃勃的計劃。
離子阱則憑借高保真的量子比特，在穩(wěn)步前行，探索多樣化的技術(shù)路線；中性原子與之類似，但具有更好的可擴展性，這也是離子阱一直無法與超導量子比特相比的地方。硅量子點作為硅基技術(shù)的自然進階，2021年也實現(xiàn)了目前為止最低的量子噪聲。
2021年表現(xiàn)最為亮眼的當屬光量子比特，“九章二號”實現(xiàn)了比全球最快超算快10^24倍的計算速度，達成“量子計算優(yōu)越性”里程碑。下一步，中科大團隊已經(jīng)開始朝量子糾錯進發(fā)，而量子糾錯正是量子計算機邁向?qū)嵱玫囊淮笳系K。
以上技術(shù)路線都要求接近絕對零度的環(huán)境，而金剛石NV色心可以在環(huán)境溫度下工作，在快速落地上也被寄予厚望，比如生物醫(yī)療等領(lǐng)域就出現(xiàn)了頗為可喜的進展。
2021年至今，全球量子計算的當下現(xiàn)狀如何，形成了什么局面，未來會如何發(fā)展？且看本文從硬件、軟件和算法以及各國政策等方面展現(xiàn)的量子技術(shù)最新進展。
1 量子計算簡介
量子計算是一種遵循量子力學規(guī)律調(diào)控量子信息單元進行計算的新型計算模式。在理解量子計算的概念時，通常將它和經(jīng)典計算相比較。
經(jīng)典計算使用二進制進行運算，每個計算單元（比特）總是處于0或1的確定狀態(tài)。量子計算的計算單元稱為量子比特，它有兩個完全正交的狀態(tài)0和1。
同時，由于量子體系的狀態(tài)有疊加特性，能夠?qū)崿F(xiàn)計算基矢狀態(tài)的疊加，因此不僅其狀態(tài)可以有0和1，還有0和1同時存在的疊加態(tài)，以及經(jīng)典體系根本沒有的量子糾纏態(tài)，即在數(shù)學上的多量子比特體系波函數(shù)不能進行因式分解的一種狀態(tài)。
一臺擁有4個比特的經(jīng)典計算機，在某一時間僅能表示16個狀態(tài)中的1個，而有4個量子比特的量子計算機可以同時表示這16種狀態(tài)的線性疊加態(tài)，即同時表示這16個狀態(tài)。
隨著量子比特數(shù)目的遞增，一個有n個量子比特的量子計算機可以同時處于2^n種可能狀態(tài)的疊加，也就是說，可以同時表示這2的n次方數(shù)目的狀態(tài)。
在此意義上，對量子計算機體系的操作具有并行性，即對量子計算機的一個操作，實現(xiàn)的是對2的n次方數(shù)目種可能狀態(tài)的同時操作，而在經(jīng)典計算機中需要2的n次方數(shù)目的操作才能完成。因此，在原理上，量子計算機可以具有比經(jīng)典計算機更快的處理。
- 量子計算機
經(jīng)典計算機體積縮小和性能提升來源于計算機芯片集成度的提高。隨著計算機元器件從電子管到晶體管再到大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，如今的計算機可以薄如一張紙，運算速度也能很好地滿足需求。
然而，大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)時代的來臨以及人工智能的發(fā)展，使得經(jīng)典計算機的能力越來越不能滿足海量數(shù)據(jù)處理的需求，目前主要有兩個方面制約經(jīng)典計算機發(fā)展：能耗問題和芯片高集成化的極限。
1961年，IBM 的 Rolf Landauer 提出了信息和能量的方案，這就是著名的 Landauer 原理：每刪除一比特的信息，需要消耗一定的能量。消耗的能量隨后會成為熱量，因此散熱問題是制約芯片集成化程度的一個重要問題。若要解決熱量耗散問題，則必須在計算過程中采用可逆計算避免信息的擦除。
同時，經(jīng)典體系與量子體系服從不同的規(guī)律，經(jīng)典計算機無法滿足量子體系的計算需要?，F(xiàn)在對量子體系的計算都是在經(jīng)過大量簡化后才得以進行。因此，物理學家 Richard Phillips Feynman 提出使用量子計算機進行量子模擬。
再者，微處理芯片的密度日趨極限，其中晶體管的密度越來越大，每個晶體管的體積越來越小，已經(jīng)接近物理上所允許的極限，摩爾定律失效。當晶體管只由少數(shù)原子組成時，經(jīng)典物理學規(guī)律不再適用，量子效應將導致晶體管無法正常工作。基于以上原因，量子計算機概念被提出。
從應用范圍的角度，量子計算機可分為通用量子計算機和專用量子計算機。通用機用于解決普遍問題，需要上百萬甚至更多物理比特，并具備容錯能力、以及各類軟件算法的支撐，其實用化將是長期漸進過程。專用機用于解決特定問題，只需相對少量的物理比特和特定量子算法，實現(xiàn)相對容易且存在市場價值。業(yè)內(nèi)專家預測，未來五年左右量子專用機有可能在模擬、優(yōu)化等領(lǐng)域率先取得突破。
- 量子計算應用領(lǐng)域
目前普遍預測量子計算有望在以下三個場景較早落地。第一個領(lǐng)域是模擬量子現(xiàn)象，量子計算可以為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模擬、藥物研發(fā)、新型材料研究、新型半導體開發(fā)等提供有力工具。生物醫(yī)藥、化工行業(yè)、光伏材料行業(yè)開發(fā)環(huán)節(jié)存在對大量分子進行模擬計算的需要，經(jīng)典計算壓力已經(jīng)顯現(xiàn)。
第二個領(lǐng)域是人工智能相關(guān)領(lǐng)域。人工智能對算力需求極大，傳統(tǒng)CPU芯片越來越難以勝任。通過開發(fā)新的量子算法，構(gòu)建優(yōu)秀的量子機器學習模型，促進相關(guān)技術(shù)的應用。
第三個領(lǐng)域是密碼分析。加密和破譯密碼是歷史長河中的不間斷主題。量子計算破譯了RSA等公開密鑰體系，而密碼學家又構(gòu)造了新的公開密碼體系，而現(xiàn)在的密碼體系的絕對安全性還沒有得到證明。
因此，基于算法的密碼體系的安全性一直受到可能被破譯的威脅。開展密碼破譯具有重要的戰(zhàn)略意義和實際應用價值。應對量子計算對通信安全攻擊的另外一種手段是量子保密通信，主要包括量子密鑰分發(fā)、量子直接通信。
自量子計算機概念提出，科學家就開始致力于研制量子計算機的物理實體。至今已經(jīng)提出了多種可能實現(xiàn)通用量子計算的物理平臺，如超導量子計算機、離子阱量子計算機、固態(tài)核自旋量子計算機和拓撲量子計算機等等。這些物理平臺各有優(yōu)勢和缺點，一些方案已被淘汰，而大浪淘沙后剩下的幾種主要方案，如超導量子計算、離子阱量子計算、中性原子量子計算等等近年來發(fā)展較快。
2 量子計算機硬件進展
實現(xiàn)量子計算的物理平臺要有編碼量子比特的物理載體，使不同量子比特之間可以可控地耦合，并對噪聲環(huán)境影響有一定的抵抗力。目前研發(fā)的主要方案有超導、離子阱、中性原子、硅量子、光量子和金剛石色心等。
- 超導量子計算
超導量子計算利用超導系統(tǒng)的量子態(tài)實現(xiàn)量子計算。它的優(yōu)點是與現(xiàn)有的半導體工業(yè)技術(shù)兼容，但是，超導量子系統(tǒng)工作對物理環(huán)境要求較高，需要超低溫。許多科研機構(gòu)和國際大公司采用這一系統(tǒng)，如谷歌、IBM 等。
谷歌：在持續(xù)重金投入量子計算多年以后，2018 年 3 月，谷歌宣布推出 72 量子比特超導量子計算機，他們發(fā)布的主要指標是單比特操作的誤差是 0.1%，雙比特門操作的誤差是 0.6%。
2019年10月，谷歌在《自然》上發(fā)表一篇文章，稱其開發(fā)出一款 54 量子比特數(shù)的超導量子芯片 Sycamore?；谠撔酒?，谷歌對一個53比特、20深度的電路采樣一百萬次只需200秒。而目前最強的經(jīng)典超級計算機 Summit 要得到類似的結(jié)果，則需要一萬年?；谶@一突破，谷歌宣稱其率先實現(xiàn)了「量子霸權(quán)」。
在今年的量子夏季研討會上，谷歌再次強調(diào)了其計劃的連續(xù)性，并概述了他們計劃在 2029 年前建立一個擁有 100 萬個物理超導量子比特的「小型」FTQC 的里程碑。雖然谷歌首選的可調(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)備的校準顯然是一個挑戰(zhàn)。
有了額外的控制，就需要在芯片上和芯片外路有額外的控制線。縮放比例會自動增加布線的挑戰(zhàn)和元件數(shù)量與總體故障率之間的關(guān)系。此外，谷歌在2020年報告的大部分工作都使用了Sycamore的23Q配置，因為自動校準最初無法在較大的設(shè)置中提供可接受的2Q門性能。谷歌將材料研究作為提高量子比特相干時間的一種方法。盡管前景很好，但這需要科學的進步，而不僅僅是工程上的進步。
值得一提的是，2021年11月18日，中國團隊在2021戈登貝爾獎上奪冠，獲獎應用超大規(guī)模量子隨機電路實時模擬（SWQSIM），可在304秒內(nèi)得到百萬更高保真度的關(guān)聯(lián)樣本，在一星期內(nèi)得到同樣數(shù)量的無關(guān)聯(lián)樣本，打破谷歌所宣稱的「量子霸權(quán)」。參見：??2021戈登貝爾獎揭曉！中國超算應用一舉奪冠，打破谷歌所謂“量子霸權(quán)”！??
谷歌路線圖：從現(xiàn)在到 2029 年：102Q（邏輯量子比特原型）、103Q（一個邏輯量子比特）、104Q（可平鋪邏輯模塊）、105Q（工程擴大）、106Q（糾錯量子計算機）。通過表面代碼協(xié)議進行錯誤糾正。
圖注：谷歌路線圖
IBM：IBM 很早就開始為其路線圖打下基礎(chǔ)。2016 年，IBM 推出 5 個量子比特的超導量子計算平臺，打破了從 1998 年以來超導量子比特體系研究一直徘徊在 2 個量子比特的局面，開啟了國際上量子計算機研發(fā)的第二次高潮。2017年11月，IBM 宣布研制成功 50 量子比特的量子計算機原理樣機，并在 2018 年初的 CES 大會現(xiàn)場展示。
IBM 是推動教育更廣泛的社區(qū)先行者，重要的不僅是量子比特數(shù)量，還有量子比特連接、門集和可實現(xiàn)的電路深度?；谶@些屬性，IBM 引入衡量量子計算機性能的指標——量子體積（QV）。2017 年以來，IBM 已交付了 28 款性能穩(wěn)步提高的系列設(shè)備。每年 QV 翻一番的既定目標，他們在過去一年中實現(xiàn)兩次。
2021 年 11 月 15 日，IBM 推出全球首個超過100量子比特的超導量子芯片——Eagle，該量子芯片擁有 127 個量子比特，采用了全新的芯片架構(gòu)，基于 IBM 之前公布的六邊形量子芯片，堆疊了多層芯片，但減少了之間的鏈接，鏈接越少，干擾就越少，這是量子計算機研發(fā)中的重要難點之一。
目前的 Eagle 量子芯片實現(xiàn)了 127 量子比特，但還只是個開始，IBM計劃在未來兩年中分別推出 433 量子比特的 Osprey 芯片及 112 量子比特的 Condor 芯片，屆時他們量子芯片將實現(xiàn)量子霸權(quán)。
IBM路線圖：2021 年 127Q（Eagle）、2022年433Q（Osprey）、2023年 1121Q（Condor），從而形成 100 萬量子比特的大規(guī)模系統(tǒng)。通過顏色代碼協(xié)議進行糾錯。
圖注：IBM路線圖
至于國內(nèi)進展，中國科學技術(shù)大學潘建偉團隊研制出 66 比特的可編程超導量子計算原型機祖沖之2.0，通過操控其上的 56 個量子比特，在隨機線路采樣任務上實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性，所完成任務的難度比 Sycamore 高 2—3 個數(shù)量級。前段時間，潘建偉研究團隊又有了新的進展，通過操控其上的 60 個量子比特，祖沖之2.1 所完成任務的難度比祖沖之2.0 又高出了 3 個數(shù)量級。
- 離子阱
離子阱體系的優(yōu)勢在于其有較好的封閉性，退相干時間較長，制備和讀出效率較高，離子阱體系在一定程度上可以滿足量子計算機的多個條件，而可擴展性問題是基于離子阱系統(tǒng)的量子計算的主要障礙。國際上開發(fā)該系統(tǒng)的研究組有霍尼韋爾、IonQ等等。
霍尼韋爾：2020 年，霍尼韋爾成為第一個用其 6Q H0 和 10Q H1 處理器達到 QV 64 和 QV 128 的廠商。有些人可能會想，10Q 處理器怎么能聲稱自己和 IBM 的 27Q 處理器一樣強大呢？這恰恰凸顯了離子阱研究者長期以來所闡述的兩個優(yōu)勢：與超導量子比特方法相比，它有優(yōu)越的連接性和更高的門保真度。這兩個優(yōu)勢可以保證更高的 QV?；裟犴f爾處理器也是首款實現(xiàn)中間電路測量的處理器，進一步提高了靈活性。
霍尼韋爾路線圖（不同的量子比特布局）：2020-2030年，H1（線性離子阱），H2（跑道布局），H3（網(wǎng)格布局），H4（集成光學元件），H5（大規(guī)模平鋪）。
圖注：霍尼韋爾路線圖
IonQ：2018 年 12 月，IonQ 推出了一個離子阱體系量子計算機原型系統(tǒng)，其主要技術(shù)指標如下：量子比特數(shù)目方面，最多可以加載160個量子比特，能夠進行單個比特操作的是79個量子比特，能夠進行雙比特操作的是11個量子比特?？删幊塘孔佑嬎惴矫?，實現(xiàn)了５個比特的可編程計算，在５比特上實現(xiàn)了４種量子算法。
2020年，IonQ 宣布了一款 32Q 設(shè)備，他們希望獲得比以前高得多的 QV，盡管他們現(xiàn)在更喜歡談論一種新的衡量指標——算法量子比特（AQ）。算法量子位比特（AQ）——IonQ 定義為可用于計算的有效量子比特的數(shù)量（注意：可用邏輯門深度仍有限）。在沒有糾錯編碼的情況下，AQ = log 2（QV）。
圖注：IonQ路線圖
離子阱系統(tǒng)的一個缺點是，與超導量子比特相比，它們提供的門速度要慢得多（通常慢100到1000倍）。他們希望通過更長的量子比特壽命和更高的保真度來彌補這一點，從而減少糾錯成本。
IonQ 相信，高保真的物理量子比特足以使得離子阱比其他方法更快實現(xiàn)量子優(yōu)勢。對于離子阱系統(tǒng)而言，真正的長期挑戰(zhàn)是再次擴大規(guī)模，尤其是在它們依賴精細調(diào)諧的激光系統(tǒng)來驅(qū)動其高保真量子比特門的情況下。就像超導量子比特方法不同一樣，離子阱也不盡相同。
例如，奧地利公司 AQT ，他們沒有使用霍尼韋爾和 IonQ 使用的在超精細躍遷上定義的量子比特，而是使用在光學躍遷上定義的量子比特。雖然保真度稍低，但這種量子比特的工作波長是集成光子組件易于制造的波長，因此有望實現(xiàn)更容易的擴展。2020 年，這種集成設(shè)備在實驗室中以這些波長進行了演示。AQT 與歐洲量子技術(shù)（QT）旗艦計劃、AQTION 合作，首次構(gòu)建完整的「機架系統(tǒng)」。
其他離子阱初創(chuàng)公司的目光也不再局限于激光驅(qū)動的門。Universal Quantum、NextGenQ 和 QT 旗艦計劃的 MicroQC 正在尋求將遠場微波門帶出實驗室，并應用到商業(yè)設(shè)備。與激光驅(qū)動門的許多關(guān)鍵性能記錄密切相關(guān)的 Chris Balance 和 Thomas Harty，已選擇以自己的初創(chuàng)公司作為基礎(chǔ)，建立近場微波門，如 Oxford Ionics。
離子阱架構(gòu)通常使用模塊之間的光子互連進行擴展。最近已經(jīng)出現(xiàn)了更快的互連，但似乎仍然是一個性能瓶頸。另一方面，Universal Quantum 已經(jīng)證明他們的離子穿梭方法原則上可以提供類似于全連接的 QV。
- 中性原子
中性原子又叫作冷原子，因為它使用激光冷卻和高度真空來達到毫開（mK）的溫度，遠低于低溫冷卻的范圍。該技術(shù)與離子阱有許多相同的特性，它們的優(yōu)點是中性原子可以被包裹得更緊密。這意味著可以更快地擴展到 1000Q 模塊。
ColdQuanta 是采用這種方法的知名公司，已經(jīng)推出了 QuantumCore 作為一個基本單元，以瞄準許多量子領(lǐng)域的機會。它也是云上的量子物質(zhì)系統(tǒng) Albert 的基礎(chǔ)。ColdQuanta 已經(jīng)被 DARPA（美國國防高級研究計劃局）選中，作為 ONISQ 計劃的一部分，參與 1000Q 處理器的開發(fā)工作，該獎項的價值高達 740 萬美元。
ColdQuanta 路線圖：到 2021 年達到 100Q，到 2022 年達到 300Q，到 2024 年達到 1000Q。其他選擇中性原子的公司還有 QuEra、Paswal 和 Atom Computing 等。
- 硅量子點
2020 年，QuTech 和新南威爾士大學（UNSW）在 1K 的溫度下用金屬氧化物半導體（MOS）量子點演示了量子比特操作。這有望成為一個操作和擴大設(shè)備規(guī)模明顯更容易的機制，盡管在這些更高的溫度下，相干時間和保真度是否具有競爭力仍有待觀察。
澳大利亞初創(chuàng)公司 Silicon Quantum Computing 一直是硅量子比特的早期推動者。2020 年，它宣布了其路線圖的重點，放棄了 MOS 量子點，并加碼了磷原子量子比特。這些設(shè)備使用超尖端制造技術(shù)，提供了超越傳統(tǒng) CMOS 技術(shù)的原子精度方法。
在描述 SQC 的制造技術(shù)時，其創(chuàng)始人Michelle Simmons指出不僅能夠以原子精度設(shè)計量子比特，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、簡單和原始的控制線路。2021年，他們報道了硅量子比特實現(xiàn)迄今為止最低的噪聲。
2020 年，加拿大初創(chuàng)公司 Photonic Inc 發(fā)表了早期的研究，承諾給硅量子比特「軍械庫」增加一個重要的新工具。這有望改善基于硅中 T-centre 缺陷的光子的界面。
- 光量子比特
中國的九章實驗能夠證明光量子比特可以實現(xiàn)比迄今為止在任何其他平臺上實現(xiàn)的都要復雜的計算。九章通過實現(xiàn)一種被稱為高斯玻色取樣的算法來實現(xiàn)這點，成功構(gòu)建了 76 個光子 100 個模式的高斯玻色采樣量子計算原型機。在 200 秒的時間里產(chǎn)生的輸出樣本，聲稱世界上最強大的超級計算機 Fugaku 需要 6 億年才能實現(xiàn)。它的復雜程度大大超過了 Sycamore 最初的量子優(yōu)勢（量子霸權(quán)）演示。
九章并非憑空而來。至少從 2006 年起，中國就一直在增加對量子技術(shù)的投資。2019 年，潘建偉團隊首次實現(xiàn) 20 個光子 60 個模式干涉線路的玻色取樣量子計算。2021 年 10 月，他們又宣布了一則令人激動的消息：量子計算原型機“九章二號”研制成功。這意味著我國已成為世界上唯一在兩種物理體系達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑的國家。
與目前全球最快的超級計算機相比，“九章二號”求解高斯玻色取樣數(shù)學問題要快 10 的 24 次方倍（億億億倍）。陸朝陽教授解釋稱，團隊把之前九章光量子計算機的光子增加至 113 個，從而實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，“我們主要有三大突破，首先顯著提高了量子光源的產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率，將光源關(guān)鍵指標從 63% 提升到 92%。其次，將多光子量子干涉線路從 100 維度增加到 144 維度，操縱的光子數(shù)從 76 個增加到 113 個。第三，新增了可編程功能”。
圖注：“九章二號”整體裝置圖
潘建偉院士表示，團隊的下一步任務是實現(xiàn)量子糾錯，并在這個基礎(chǔ)上，借助一些專用的量子計算機或量子模擬機解決一些具有重大應用價值的科學問題。
- 金剛石 NV 色心
金剛石 NV 色心可以在環(huán)境溫度下操作，雖然靈敏度不高，但卻可以實現(xiàn)小型化，并且其毒性質(zhì)使其特別適合現(xiàn)場生物測量。Qnami 受益于量子技術(shù)旗艦項目 ASTERIQS 的參與。該項目的合作伙伴還包括泰雷茲集團、博世、NVision 和比利時微電子研究中心，他們各自在金剛石技術(shù)上尋求不同的應用。
HP-MRI 是一種先進的核磁共振診斷技術(shù)，可以追蹤注入人體的糖分并顯示糖分變成什么。例如，在報告胸痛的患者中區(qū)分有生命或無生命的心臟組織時很有用。但是，由于生產(chǎn)該方法消耗的超極化分子緩慢且昂貴，因此該技術(shù)未被廣泛采用。使用金剛石 NV 色心有望實現(xiàn)更快、成本效益更高且可部署的解決方案。
量子技術(shù)旗艦項目 MetaboliQs 正在尋求開發(fā)基于 NV 金剛石的 HP-MRI 技術(shù)。他們最近從概念驗證轉(zhuǎn)變?yōu)樾阅芴岣吡?1000 倍的原型。政府計劃將在加速該技術(shù)適應各種應用方面發(fā)揮重要作用。
3 量子計算軟件進展
軟件是連接人與機器的橋梁，通過軟件才能發(fā)揮機器的作用。在數(shù)字革命中，軟件被認為是至關(guān)重要的商業(yè)競爭領(lǐng)域，許多人期望在新的量子革命中同樣如此。各種各樣的參與者正在研究不同的策略。如今，早期的量子社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)初步形成。
- 量子計算云服務
IBM Q：過去四年中，IBM Cloud 上部署了 28 個量子計算系統(tǒng)，其中 8 個系統(tǒng)的量子體積達到 32。IBM Q Network 擁有 115 家客戶、政府、初創(chuàng)企業(yè)、合作伙伴及高校成員。IBM Quantum Experience 注冊用戶數(shù)超過 25 萬，用戶定期通過 IBM Cloud 在 IBM 量子系統(tǒng)運行電路超過 10 億。研究人員利用 IBM 量子系統(tǒng)已發(fā)表 250 多篇學術(shù)論文。IBM 用于商業(yè)的量子計算機服務 IBM Q 取得了階段性的成功。
當其他競爭者開始建立自己的量子社區(qū)時，IBM 也不例外。他們指出在不斷發(fā)展的供應商生態(tài)系統(tǒng)中，可以提供與 Qiskit 兼容的庫和工具，而不只是 IBM 硬件。2021 年 11 月 1 日，IBM 提出了一個度量量子性能的新指標-CLOPS（Circuit Layer Operations Per Second），稱之為每秒線路層操作數(shù)，即衡量處理器可以執(zhí)行與用于測量量子體積的相同類型的參數(shù)化模型線路層的速度。
除 IBM 外，D-Wave 在 2018 年 10 月推出了 Leap 云平臺，基于 D-Wave 量子退火處理器提供量子計算云服務。量子計算先驅(qū) Rigetti Computing 推出了Rigetti 量子云服務(QCS)，一個利用 Rigetti 的混合量子及經(jīng)典方法開發(fā)和運行量子算法的完整平臺。
量子優(yōu)勢是使用量子計算技術(shù)解決重要或有價值的業(yè)務問題。最近，越來越多實力雄厚的量子公司開始投入量子云服務平臺的研發(fā)當中。亞馬遜 AWS 發(fā)布量子計算服務 Braket，此外，AWS 還將啟動 AWS 量子計算中心和亞馬遜量子解決方案實驗室，推動更多量子計算的合作。
- 高性能模擬器
對于量子開發(fā)來說，高性能模擬是關(guān)鍵一環(huán)。隨著要模擬的量子比特數(shù)量增加，量子模擬器的開發(fā)迫在眉睫。IBM Quantum 支持一系列離線和在線模擬器。谷歌的高性能開源量子電路模擬器 Qsim 已證明能在 111 秒內(nèi)在一個谷歌云節(jié)點中以 14 柵極深度模擬一個 32 量子比特量子電路。Amazon Braket 和 Azure Quantum 則非常重視靈活配置傳統(tǒng)云硬件以滿足用戶需求的能力。Amazon Braket 提供完全托管的高性能張量網(wǎng)絡(luò)模擬器 (TN1)，這種基于張量網(wǎng)絡(luò)的電路模擬器可以支持高達 50 個量子比特的量子計算模擬。
Atos 是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的全球領(lǐng)導者，同時也是第一個成功模擬量子噪聲的公司。其開發(fā)的量子模擬器Atos 量子機器學習機（Atos QLM）被稱為世界上性能最好的商用量子模擬器，該模擬器將高功率、超緊湊的機器與通用編程語言相結(jié)合，使研究人員和工程師能夠開發(fā)和試驗量子軟件。Atos 已在奧地利、丹麥、法國、德國、荷蘭和美國等國家安裝了量子學習機，量子模擬器能夠模擬多達 40 個量子比特。
國內(nèi)云產(chǎn)品目前強調(diào)研發(fā)量子計算模擬器。華為的 HiQ 2.0（出于監(jiān)管原因僅在亞洲使用）最多可模擬 42 量子比特 。阿里巴巴的 AC-QDP 聲稱即使在 50 量子比特時也可用于某些應用。本源量子最近通過訪問 6 比特量子處理器之一（計劃擴展到 24 比特，正在進行中）推出了基于真實量子計算機的云。
- 量子編譯器
與傳統(tǒng)編譯器相比，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上應用雙門。現(xiàn)實世界中的量子設(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算機噪聲的算法以解決這一問題。從技術(shù)上講，我們實際上經(jīng)常在談論轉(zhuǎn)碼操作，因此互操作性是一個有用的功能。
編譯器市場中出現(xiàn)了幾個富有前景的方向，都是建立在深厚的專業(yè)知識基礎(chǔ)上，這些專業(yè)知識在許多情況下是互補而不是競爭。隨著在早期在量子硬件上實施糾錯代碼的競爭日漸激烈，編譯器創(chuàng)新又將迎來新的浪潮。
- 量子操作系統(tǒng)
量子軟件行業(yè)的前景令人印象深刻，但是在量子計算機硬件高速增長的今天，如果沒有操作系統(tǒng)，量子計算機的實用性將會大打折扣。
Deltaflow.OS是一個新的全棧量子操作系統(tǒng)。由量子計算軟件開發(fā)商 Riverlane 牽頭的財團從英國政府獲得 760 萬英鎊的撥款，用于部署高度創(chuàng)新的量子操作系統(tǒng) Deltaflow.OS。與其他旨在吸引早期用戶的軟件平臺形成鮮明對比的是，Deltaflow.OS 解決了一個非常重要的問題：實現(xiàn)硬件和軟件的交互，并充分利用量子計算性能。為此，它提供了加速開發(fā)、低延遲以及在應用程序和控制層之間進行靈活交互的潛力。
Deltaflow.OS：量子處理器通常由常規(guī)主機處理器驅(qū)動。在這兩者之間，設(shè)想一個由全局和本地控制節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)。Deltaflow.OS 簡化了將自定義代碼獲取到由 FPGA 實現(xiàn)的控制節(jié)點上的任務，強調(diào)了簡化的指令集實現(xiàn)，這些實現(xiàn)更易于調(diào)試。這種方法有望縮短研發(fā)周期。它還使用分布式而不是分層的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點概念，并公開了整個量子計算堆棧的不同元素，這些功能有望最大程度地減少運行時的延遲。
Deltaflow.OS現(xiàn)已發(fā)布第一個版本，該版本與 ARTIQ（一種流行的離子阱控制系統(tǒng)）集成為「Deltaflow-on-ARTIQ」。這是該公司開發(fā)支持量子計算的技術(shù)的最新里程碑，標志著 Riverlane 朝著構(gòu)建高性能、可移植于所有量子比特技術(shù)、可擴展到數(shù)百萬量子比特的量子操作系統(tǒng)的目標邁出了重要一步。
- 量子算法
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算的具體實現(xiàn)路徑。QC Ware 在 IonQ 的 11 量子比特設(shè)備上展示了他們最近使用的質(zhì)心算法和 Forge 數(shù)據(jù)加載器；Zapata 建了企業(yè)級、量子賦能的軟件，可以針對大量行業(yè)和用戶，允許用戶建立量子工作流，并在一系列量子和經(jīng)典設(shè)備上自由執(zhí)行；Rahko 展示 VQE 和 QML 技術(shù)的有趣組合，在霍尼韋爾 HS0 量子計算機上發(fā)現(xiàn)了 2Q 和 4Q 分子的第一個激發(fā)態(tài)。
VQE（變分量子特征值求解算法）：用于模擬化學反應過程——分子級電子能量的 HartreeFock 計算上。盡管所執(zhí)行的計算也可以在經(jīng)典計算機上運行，但該實驗構(gòu)建了許多用于量子化學模擬的關(guān)鍵構(gòu)建模塊，為實現(xiàn)針對化學問題的量子計算鋪平了道路。
化學公式（Trotterisation）：用于模擬 8 位 1D Fermi-Hubbard 模型在材料科學中很受歡迎。令人驚訝的是，Google 能夠成功實現(xiàn)量子算法所需的量子電路深度接近 500，比當前設(shè)備所期望的深度還要深得多。在多次化學量子模擬的情況下，Google 展示基于 N 表示性的錯誤緩解決策，極大地改善了實驗的有效保真度。
隨機數(shù)和抽樣：作為早期的量子計算服務產(chǎn)品，許多學者正在研究隨機數(shù)。
? 可證明的隨機數(shù)——Google 報告了通過質(zhì)詢和響應協(xié)議提供隨機數(shù)的進展。這是 Google 第一個用于商業(yè)領(lǐng)域的量子設(shè)備，主要缺點在于成本較高。
? 可驗證的隨機數(shù)——CQC 展示如何使用現(xiàn)有的量子設(shè)備來實施基于云技術(shù)的 QRNG 服務。通過 Bell 測試，可驗證產(chǎn)生的隨機數(shù)來自量子源。beta 版 QRNG 服務已可用于 IBM Quantum 網(wǎng)絡(luò)。但在該協(xié)議中，用戶仍然必須信任云服務提供商，因此該應用程序目前正在與其他擁有 QRNG 解決方案的公司進行競爭。
? 高斯玻色取樣——九章提出了「量子優(yōu)越性」這一定義，再次吸引了人們對高斯玻色取樣的關(guān)注，并將其作為早期量子設(shè)備的候選算法。
伯克利的 Umesh Vazirani 將經(jīng)典密碼學與量子領(lǐng)域進行結(jié)合，解決了量子計算中最根本的問題之一，即如果你讓一臺量子計算機為你執(zhí)行一個計算，那么你如何確定它確實執(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。
優(yōu)化基準測試 ：早期的優(yōu)化算法有 QUBO 和 QAOA 以及在傳統(tǒng)硬件上運行的量子啟發(fā)算法。BBVA已完成一系列針對金融領(lǐng)域應用的前期項目，其中包括初創(chuàng)公司 Multiverse Computing 和 Zapata。BBVA 與 Multiverse 的合作是動態(tài)投資組合優(yōu)化的一個經(jīng)典案例，該投資組合現(xiàn)在已用于各種早期量子硬件的評估中，包括對 NISQ、量子退火解決方案和量子啟發(fā)算法的測試。BBVA 的結(jié)果表明，量子退火解決方案和量子啟發(fā)算法可以很好地解決投資組合問題。
- 量子機器學習算法
許多人認為 AI 和機器學習是量子計算的關(guān)鍵。量子計算的未來，就像量子狀態(tài)本身一樣， 仍然是不確定的。但量子計算的前景是光明的。
IBM 的最新理論工作首次證明，即使僅訪問經(jīng)典數(shù)據(jù)，也可以在某些受監(jiān)督的機器學習應用程序中實現(xiàn)指數(shù)級加速。QC Ware QC Ware 開發(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)以用于機器學習應用，而且還可以使用一種優(yōu)化的距離估計算法。微軟提出了一個普遍的觀點，為避免「輸入瓶頸」，應著眼于「小數(shù)據(jù)，大計算」。例如，CQC成立了一個團隊來研究量子自然語言處理的相關(guān)問題。
迄今為止，量子機器學習的大部分成功的實驗都采用了一種不同的方法，那些實驗里量子系統(tǒng)不僅只是模擬了網(wǎng)絡(luò)；它們本身就是網(wǎng)絡(luò)，每個量子比特代表一個神經(jīng)元。盡管缺乏指數(shù)化的力量，但是這樣的裝置可以利用量子物理學的其他特性。
4 全球競逐量子信息技術(shù)高地
當前，量子技術(shù)研究已成為世界科技研究的一大熱點，世界各主要國家高度關(guān)注量子信息技術(shù)發(fā)展，紛紛加大政策和資金支持，力爭搶占新興信息技術(shù)制高點。
- 歐盟
歐洲國家很早就意識到量子信息處理和通信技術(shù)的潛力。2014 年英國已啟動「國家量子技術(shù)計劃」，計劃投資超過10億英鎊建立量子通信、傳感、成像和計算四大研發(fā)中心，推動產(chǎn)學研合作。2016 年德國提出「量子技術(shù)——從基礎(chǔ)到市場」框架計劃，并預計投資 6.5 億歐元。
2016 年，歐盟推出的「量子技術(shù)旗艦計劃」，并通過調(diào)整其他計劃（例如其數(shù)字和太空計劃）的支出，增加其可用資金，為實現(xiàn)未來的「量子互聯(lián)網(wǎng)」遠景奠定基礎(chǔ)。2020 年 5 月，歐盟「歐洲量子技術(shù)旗艦計劃」官網(wǎng)發(fā)布了《戰(zhàn)略研究議程（SRA）》報告。估計 10 年內(nèi)歐盟在整個量子技術(shù)旗艦計劃中的相關(guān)量子支出為 30-40 億歐元。
「旗艦計劃」——在拓展階段，這個計劃中的 19 個項目遍及量子計算、通信、模擬、傳感和計量以及基礎(chǔ)科學。2020 年，這些項目通過了中期審查，同時啟動了兩個新項目——QLSI 將硅自旋量子比特添加到已經(jīng)成為目標的超導和離子阱量子比特的行列中；NEASQC 專門針對 NISQ 應用程序，解決許多人認為缺乏軟件重點的程序的平衡問題。
- 北美
加拿大在現(xiàn)代量子科學方面有著杰出的貢獻，尤其是 Gilles Brassard 1984 年提出的著名的 BB84 量子密碼協(xié)議。2002 年，加拿大首創(chuàng)的量子計算研究所（IQC）在滑鐵盧大學成立。在 2008-2018 年，量子科學和技術(shù)投資超過10 億加元。
2017 年，加拿大國家研究委員會（NRC）發(fā)起了一個名為「Quantum Canada」的計劃。對于加拿大來說，總部位于加拿大或與加拿大有緊密聯(lián)系的知名量子公司的數(shù)量眾多。例如 D-Wave、Xanadu、1QBit、Quantum Benchmark、evolutionQ、Zapata 和 ISARA。其中，創(chuàng)意破壞實驗室（CDL）一直是量子行業(yè)初創(chuàng)企業(yè)的標桿。
2020 年，加拿大量子產(chǎn)業(yè)通過成立新的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，來鞏固這一地位。2020 年，溫哥華的數(shù)字技術(shù)超級集群也宣布共同投資資金達 1.53 億加元。
美國在量子科學方面的投資歷史悠久，從 20 世紀 90 年代即開始將量子信息技術(shù)作為國家發(fā)展的重點，在量子相關(guān)學科建設(shè)、人才梯隊培養(yǎng)、產(chǎn)品研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面進行大量布局，聯(lián)邦政府機構(gòu)對量子計算領(lǐng)域的支持在每年 2 億美元以上。近兩年來，美國政府頻繁參與量子計算布局。
2018 年 12 月，美國政府正式頒布《國家量子計劃法案》，制定長期發(fā)展戰(zhàn)略，計劃在未來 5 年向相關(guān)領(lǐng)域投入 12 億美元研發(fā)資金。2019 年 2 月，白宮發(fā)布未來工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，將量子信息科學視為美國未來發(fā)展的四大支柱之一。
2020 年是美國國家量子倡議(NQI) 計劃的第二年，并且隨著該計劃的真正成形，人們也看到了量子科技發(fā)展的亮點。NQI 將在 2019-2023 年支出 13 億美元，大量私人資金也已投入其中，在美國國家科學基金會設(shè)立了 3 個新的量子飛躍研究所。這些以學術(shù)為主導的研究所將支持不同領(lǐng)域的研究。在美國能源部啟動量子戰(zhàn)略之后，美國國防部根據(jù)美國能源部的 17 個國家實驗室的初始骨干網(wǎng)絡(luò)，提出了量子互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略藍圖。
- 中國
「五年規(guī)劃」（尤其是2006年）以來，中國一直推動著科技領(lǐng)域的發(fā)展，中央和省級資金已經(jīng)投入超 15 億美元，中國科學技術(shù)大學已經(jīng)成為世界上主要的量子研究中心。迄今為止，中國擁有全球最大的已部署 QKD 網(wǎng)絡(luò)，并在先進空間量子通信技術(shù)方面繼續(xù)保持世界領(lǐng)先地位?！改犹枴剐l(wèi)星和九章量子處理器是該計劃成功的標志。
據(jù)官方媒體報道，到 2022 年，對量子科學領(lǐng)域的投資將達到近 150 億美元（1000 億元人民幣）。目前，正在建立量子信息科學國家實驗室（NLQIS）的網(wǎng)絡(luò)：
? NLQIS 合肥：將成為世界上最大的量子研究機構(gòu)以及該計劃的總部。將重點關(guān)注光子、金剛石 NV 色心和硅自旋量子比特技術(shù)以及量子通信和量子感測。
? NLQIS 北京：該分支將專注于理論、離子阱和拓撲量子比特。
? NLQIS 上海：該分支將專注于超導量子比特和超冷原子以及自由空間量子通信。
阿里巴巴、百度、騰訊和華為都在量子技術(shù)上進行了量子投資。國盾量子和本源量子是著名的創(chuàng)業(yè)公司?！甘奈逡?guī)劃」詳細介紹了該計劃，計劃將于 2021 年正式通過。一個關(guān)鍵概念是「雙循環(huán)」，包括減少對外國高科技的依賴，同時增加對外國投資的開放度。同時，創(chuàng)新也是一個關(guān)鍵主題。
