隨著人類社會對信息處理的需求越來越高，以半導體大規模集成電路為基礎的經典計算在性能提升方面面臨瓶頸，無法突破量子效應挑戰。量子計算是量子力學與計算機科學相結合的一種新型計算方式，以微觀粒子構成的量子比特為基本單元，具有量子疊加、糾纏和相干特性，通過量子態的受控演化實現信息編碼和計算存儲，具有經典計算技術無法比擬的巨大信息攜帶量和超強並行計算處理能力，且隨著量子比特位數的增加，其計算存儲能力還將呈指數級規模拓展。

（一）量子計算關鍵技術仍有待突破

量子計算理論從上世紀八十年代開始創立，經過初期的理論研究和實驗探索，在物理實現、量子編碼、量子算法和計算模型等方面取得了大量研究成果。目前，量子計算整體上仍處於基礎理論研究和原型產品研發驗證階段，多項關鍵技術仍有待突破。

物理實現方案競爭激烈，超導體系相對領先。找到相干時間長、易集成和可擴展的物理硬件體系是量子計算的實現基礎與關鍵。目前，量子計算的物理實現有超導、離子阱、半導體、鑽石空位、光、核磁共振、冷原子等不同技術路線，每種路線各有優缺點。就現階段實驗操控技術水平而言，超導和離子阱體系處於領先地位，尤其超導體系勢頭更盛，備受IBM、谷歌等科技巨頭的青睞。IBM物理學家在早期曾提出實現量子計算機物理體系必須滿足的幾條DiVincenzo判據，如可擴展的具有良好特性的量子比特系統、能製備量子比特到某個基態、具有足夠長相干時間完成量子邏輯門操作、能夠實現一套通用量子邏輯門、能夠測量量子比特等。然而，目前尚沒有任何一種體系能夠在實驗上同時滿足所有判據，有專家預測，未來的量子計算機可能基於混合體系。

量子編碼是大規模量子計算機的實現基礎，代價仍然較大。量子編碼以消耗更多量子比特資源為代價來克服退相干效應，由於量子態不可克隆、不可測量、錯誤自由度大等特性，量子編碼的實現比經典編碼更為複雜。1995年，Shor構造出第一個量子糾錯碼9位碼，目前發展至7位和5位碼，即用7個或5個物理比特編碼1個邏輯比特。不同糾錯方式對應不同的容錯閾值，通常來說閾值越低，所需要的量子比特資源越多。

量子算法數量有限，核心算法創新困難。上世紀九十年代中期，美國科學家提出可應用於公鑰密碼體系破解的量子Shor大數分解算法和可應用於數據庫搜索的量子Grover算法，大大激發了量子計算的研究熱情，這兩類算法已成為構造其他量子算法的重要基礎。然而，由於量子計算特殊的運行方式，經典算法的設計思路無法直接移植，且目前可用的量子工具仍然較少，具有核心作用的量子算法相對匱乏，不能在處理所有問題上均取得優勢，適用範圍有限。

量子計算模型和體系結構均與經典計算存在差異。量子計算的數學模型基礎是80年代定義的“量子圖靈機”，目前，量子線路模型是主流方向，量子絕熱和拓撲模型亦是研究熱點。同時，由於量子態疊加、糾纏、不可複製、相干保存時間短等特點，通用量子計算機的體系結構將不同於經典計算機，設計更為複雜，技術選擇目前尚不明朗。

（二）科技巨頭競相佈局，初創企業迅速發展

歐美等發達國家政府和科技產業巨頭大力投入量子計算技術研究，取得一系列重要成果並建立了領先優勢。以美國加州大學、馬里蘭大學、荷蘭代爾夫特理工大學和英國牛津大學等為代表的研究機構基於超導、離子阱和半導體等不同技術路線，展開了量子計算機原理樣機試製與實驗驗證。通常用“糾纏量子比特位數量”來表徵量子芯片的計算能力，量子糾纏的製備與操控會隨著量子比特位數量的增加而呈指數級的難度增加。美國科技產業巨頭開始大舉進軍量子計算研究領域，成為推動量子計算機研發加速並走向實際應用的重要力量。谷歌與加州大學合作佈局超導量子計算，2016年報道了9位超導量子比特的高精度操控，併購買了初創企業D-Wave公司的量子退火機，探索人工智能領域。微軟佈局基於“任意子”方案的拓撲量子計算，並注重模擬器等軟件領域的同步開發。Intel同時開展半導體和超導方案，2017年10月報道了17位量子比特的超導芯片。IBM在2016年上線了全球首例量子計算雲平臺，目前IBM Q處理器已升級至16/17位量子比特；2017年11月宣佈基於超導方案實現了20位量子比特的量子計算機。此外，以D-Wave、IonQ、Rigetti Computing、1QBit為代表的初創企業迅速發展，各具特色，涵蓋硬件、軟件、雲平臺等環節，企業數量以美國居多。

我國近年來開始加大重視程度、積極趕進，在科研佈局和企業投入方面取得一定成果。以中科大、浙江大學和清華大學等為代表的研究機構在量子計算原理實驗和樣機研製等方面取得一定研究成果。2017年，中科大和浙江大學聯合宣佈基於超導量子計算方案實現了10位量子比特的糾纏操控。同年，中科大還報道了基於波色子採樣的光量子計算機研究成果。在產業佈局方面，阿里巴巴聯合中國科學院在2015年設立“中國科學院-阿里巴巴量子計算實驗室”，此外，騰訊也正在籌備建立量子實驗室。2017年9月，中科大成立了國內首個量子計算初創企業，合肥本源量子計算科技有限公司，計劃開展量子計算芯片、測控系統、軟件等方面的研發。2017年10月，清華大學、阿里巴巴和本源量子各自發布了基於不同物理體系的量子計算雲平臺。整體而言，我國在量子計算領域雖已取得一定成績，但在投入力度、團隊數量、創新成果、方案種類和指標方面仍落後於美國。

（三）量子計算發展雖困難重重，但前景可期

量子計算發展面臨技術、模式、資金的多重挑戰。技術挑戰是量子計算目前發展所面臨的最嚴峻問題，實現量子計算最困難的地方在於量子系統的脆弱性，如何克服退相干帶來的系列困難，提高量子系統的可靠性和可擴展性存在挑戰。其次，量子計算屬於交叉學科，需同時對量子力學、計算機科學等基礎理論有充分理解，因而需要多方面學者專家通力協作，不同學科和機構間的合作交流有待強化。最後，量子計算對資金投入水平和持續性要求較高，需長期探索。

量子計算成長速度較快，前景可期。目前，量子計算發展處於技術理論驗證和原理樣機研發攻關關鍵階段，可行性不斷增加，技術競爭方案不斷明朗，後續的應用研究發展也將進一步加速，預計專用量子計算機可能會率先獲得應用。在與經典計算的發展定位方面，量子計算目前只能解決部分經典計算不能或難以解決的問題，並非在所有問題的解決上都優於經典計算，且量子計算機的複雜操控仍需要經典計算機輔助，在未來相當長時間內，量子計算都無法完全取代經典計算，兩者將相輔相成。儘管量子計算規模目前還很小，但成長速度較快，前景可期，其發展與應用將為基礎科學研究、新型材料和生物藥品開發、人工智能等眾多領域帶來深遠影響。

吳冰冰，博士，中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師，主要從事傳送網、光器件模塊和量子信息技術研究。

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