量子科学是20世纪以来最重要的科学发觉之一。步入21世纪，量子科技革命的第二次浪潮将至，催生了量子估算、量子通讯、量子检测等一批新兴技术。假如把量子信息技术称作一架客机，这么量子估算技术则是这架客机的“发动机”。也正因这般，多国都纷纷投入大量精力，布局量子计算研制。当前，量子估算科技发展总体局面怎样？怎么完善中国量子估算生态？
选自|《人民峰会》杂志8月（下）
原标题|量子估算技术的产业转型与生态建构作者|全省人大代表，中国科大学量子信息重点实验室副组长，中国科学技术学院微电子大学副校长、教授郭国平
量子估算科技或将推动新一轮产业转型方向
量子计算机是一种根据量子热学规律运行的化学设备，能处理量子比特信息，进行高速的物理和逻辑运算，因为量子比特的叠加性、相干性、纠缠性，量子计算机可以在很短的时间内解决在精典计算机上无法解决的问题。
新技术研究路径仍未收敛。量子计算机，依照其逻辑构架主要分为量子逻辑门计算机和量子固溶计算机；按照其用途，可以分为专用量子计算机和通用量子计算机。目前量子计算机的技术路线主要包括：超导、离子阱、光量子、量子点、冷原子等。主要技术路线的相关原理不尽相同，各路线百花齐放，百舸争流。
从技术研制上看，超导路线拥有最多的技术跟随者。基于超导量子位的量子估算是一种最早被提出和研究的量子估算实现方式，它基于超导性能的材料，使用电荷量子比特、磁通量子比特和相位量子比特这三种形式来形成量子比特，超导量子比特在操控、耦合、测量、扩展等方面具有明显优势，在过去几六年中，超导量子估算有一定的发展，实现了与量子态所需精度相当的高精度控制、微波单光子状态的制备等主要技术。超导技术路线的缺点是易受环境噪音影响致使退相干时间变短，以致降低量子比特的操作难度。当前国际科技企业国际商业机器公司（后简称IBM）开发的超导量子芯片比特数目已步入百位时代，在全球已布署了30余台量子计算机，2022年11月发布了一台名为“鱼鹰”的433量子比特量子计算机。两个40位量子芯片组装的80位芯片开始商用。国外本源量子已向用户交付1台24比特的超导量子计算机、1台64比特超导量子计算机。其他研究路径上，各有校长，均在不同程度加快。
基于离子阱的量子估算则是借助电荷与电磁场间的互相斥力来制衡带电粒子的运动，并借助受限离子的能级和迸发态组成两个基态，作为量子比特。同时，借助微波激光照射操纵量子态，通过连续泵浦光和态相关萤光，实现量子比特的初始化和侦测。该技术路线的优势是量子比特品质高、相干时间较长、量子比特的制备和读出效率较高，其劣势主要是量子比特操纵速率相对较慢，随着量子比特数的降低，量子比特的操纵在技术上有困难。光量子计算机研究方向也有许多团队跟随，其优点在于光子的量子态与外部环境的互相作用十分微弱，致使光量子计算机可以在温度的大气环境中工作；同时光子是量子通讯的最佳信息载体，它们以光速传播，可为高速、大容量数据传输提供大带宽。缺点在于光子之间互相不作用，因而很难实现须要光子之间互相作用的两量子比特纠缠门。基于半导体量子点技术的量子计算机借助半导体量子点中的电子制造量子比特，将其电子的载流子方向编码为量子态存储量子信息。因其与传统芯片技术有相通之处，比其他方案更具可扩充性，有助于实现芯片产业化。因为半导体量子比特容积小、数量少且相干性较弱，量子点技术路线还未像超导、光量子技术路线一样实现高量子比特数。
国家战略计划聚焦量子估算。现在，量子估算活脱脱成为科技领域的研究热点，多国政府以及各大科技公司都纷纷投入大量精力和资金来研究和开发量子估算技术。日本在量子估算技术领域率先投资，早在1999年就发布了有关“量子信息科学”的科学技术报告。2018年马来西亚政府推出《国家量子呼吁法案》，2020年发布《美国量子网路战略愿景》等量子专项战略，并于2022年发布关于推动量子估算的《国家安全备忘录》。几年间，新加坡政府不断施行多项量子估算新政。日本政府在2021年7月宣布制订国家量子战略，该战略由美国创新、科学和经济发展部(ISED)的秘书处协调，除了提供大量资金支持该领域研究，还组建了量子估算发展机构，与美国商业界密切合作。日本政府于2014年启动“国家量子技术计划”，组建4个国家量子技术中心来举办工作，中心旨在于培养人才、开展研究和促进产业应用，以推动量子技术的商业化。日本政府于2021年制订了《量子估算路线图》，并启动法兰克福量子谷研究集群计划。美国政府也主张该领域的研究和发展，并创立量子估算研究与应用中心。
自2016年起，中国政府发布多项量子技术相关新政，2016年8月国务院颁授《“十三五”国家科技创新规划》，将量子计算机纳入科技创新2030重大项目，研发通用的量子估算截击机和实用化量子模拟机。“十四五”规划期间，全省多个市级行政区颁布地方发展规划，支持量子估算产业发展。中国政府在量子估算领域开始重点投入，并创立量子估算产业联盟量子通讯技术真伪，吸纳中国建设建行、中国联通、平安建行等行业领军企业陆续举办商业化应用探求。从各国近些年来加强对量子估算的研究与商业化支持力度来看，已然形成量子估算从基础研究到商业应用化研制全覆盖的局面。
量子估算成果不断涌现。继微软2019年宣布成功演示“量子霸权”证明量子估算巨大潜力后，在其量子估算路线图上达到第二个关键里程碑：首次通过实验证明可以通过降低量子比特的数目来增加估算错误率。假如量子计算机想在实用性方面取得进展，并解决普通计算机难以解决的问题，有效纠错就是必备技能。据悉，作为韩国科技大鳄的IBM仍然在新政的大力扶植下布局量子估算产业，其发布的“Eagle”是一款127量子位的量子处理器，IBM宣称它不能被任何精典计算机模拟，它的性能几乎是2020年发布的65量子比特处理器的两倍。2022年11月，IBM推出拥有433个量子比特的量子芯片“鱼鹰”，成为世界上迄今为止最大的通用量子处理器。
量子估算技术的四大总体发展态势
量子估算产业生态初现“曙光”，“合纵联横”态势袭来。从产业化程度看，全球已组建近300家量子估算专业公司，基本覆盖所有技术路线和行业潜在应用方向，创立时间最长的公司已达20多年之久，4家公司完成上市。而国外量子估算专业公司不足10家，从事的技术路线有超导、光学、离子阱、硅基半导体、中性原子等，创立时间最长的是本源量子（5年），目前没有上市公司。从行业生态看，日本以IBM为首的量子估算龙头企业为推动量子估算产业的发展，牵头构建国际主流量子估算产业联盟，组织日本、日本、韩国、德国、澳大利亚等230多家企业协同“联姻”，呈“合纵连横”融合创新发展趋势。国外本源量子牵头组建量子估算产业联盟，金融建模、海洋超算、轮船制造、大数据等领域30余家国内企业入盟，虽体量总体偏小，但已初步形成量子估算产业链雏型。例如以量子处理器、稀释制热机、低温元件、量子计算机整机、量子软件、算法、操作系统为主的量子估算上下游生产制造链，主要提供量子计算机软硬件资源；以面向用户，依据各行业特定场景需求开发应用算法为主的量子估算生态应用链，针对性提供应用服务；以及围绕量子估算教育、生态资源共享等的量子估算教育科普链，重点培植和培训行业人才。各国主流量子估算联盟合作伙伴间通过资源共享、技术交流与合作研制，在量子估算硬件、软件、算法等领域展开研究与创新，促使量子估算技术的商业化应用。
量子估算协同创新应用层出，领域内原创成果降低。在实际生产、科学研究等领域，量子估算技术的优势主要集中在模拟物质、优化问题、机器学习等方面。量子计算机可以模拟大分子、复杂材料等，可以通过优化算法，为生产和工作中的问题提供快速有效的解决方案，可以通过提供更大的储存和更高效的处理能力，对海量数据进行快速、准确的剖析和学习。从应用研究看，美国金融、医药、大型武器制造商等与量子估算公司进行深度融合，围绕量子估算在行业的应用进行协同创新，取得了不少原创性成果。2021年，法国量子估算研制大鳄微软（）与世界最大私有药业企业勃林格殷格翰（BI）合作研究量子估算抗生素研制。2022年，加拿大最大港口纽约港首次采用量子估算技术倍数提高港口营运效率。谷歌、苏黎世联邦理工大学和西南太平洋国家实验室基于量子估算模拟一个催化物理反应，实现了30倍加速和10倍成本增加。国外量子估算潜在应用顾客多数是央企，建信金科与本源量子合作开发首批量子估算金融算法，新华财经与本源量子联合开发上线首个量子金融App，但不仅金融、通讯机构外，其他行业单位展开量子估算应用合作研究较少。
“示范性”领域带头，多行业“齐头并进”。量子估算科学研究与产业应用理应“相辅相成”，科研课题来自于各行业的真需求，选择更有实际应用价值的课题带入科研，进而探求出新技术的更多应用场景，也是国际量子估算技术发展的一大趋势。金融行业是当前国外外最热门的应用领域之一，量子估算可以用于该领域加密和揭秘数据，以提供更高的安全性；可用于市场的预测和优化，协助金融机构加强决策、降低风险和降低利润；还可以应用于精准定价、交易结算和资产分配等方面。2022年，瑞典全省性保险业龙头企业新加坡州立农业保险公司（StateFarm）在其内部创立量子团队，即将入局量子估算，探求潜在解决方案，以更好地满足顾客需求。再者，量子估算也被证明在生物药业、能源化工、气象预测等行业具有潜力。在药业行业，量子估算可以拿来研究新药的分子结构和物理反应，模拟物理剖析结构，从而解决量子物理的合成和抗生素辅助设计，增强新药的产值和品质。在采矿和钻探行业，量子估算可以协助找寻金矿和石油等宝贵资源，优化企业的生产效率和节约成本。在物流行业，量子估算可以拿来规划最优路径和优化交通网路，因而提升货运效率并减少运输成本。在能源领域，量子估算可用于剖析和管理太阳能、氢能、风电场的流体动力学特点等，从而为能源高效借助、转化、储存提供更多的技术支持。在气象行业，量子估算可以拿来快速、有效地处理大量且多维度的复杂气象数据，有助于提升天气预报实时性和确切性。基于其并行性和高效算法优化能力量子通讯技术真伪，还可以对气象进行有效的仿真、跟踪和预测。在安全行业，量子估算可以用于对当前正在使用的加密系统的逼抢和功击。量子估算技术在这种应用领域“齐头并进”，或将为科学研究提供革命性突破。
量子估算技术反哺教育事业发展。全球主要国家都在加强对该领域的投资。量子估算的国际竞争快速提高着量子估算的发展水平，伴随着量子估算技术的突破和应用，相关行业人才“加速”稀缺，而关乎量子估算未来发展持续性的人才培养，则越来越遭到关注和注重。2018年末出台的《美国国家量子计划法案》计划在人才培养、标准制订、技术应用领域投资12亿欧元，德国国家科学基金会和白宫科学技术新政办公室牵头启动巴基斯坦量子信息K12教育。从此，各国相应开办量子人才培养计划。2022年，加拿大量子公司Q-CTRL与日本主营量子教育公司合作完善量子估算人才培养通道，为任何想要入门量子估算的人提供学习机会。日本田纳西州立学院宣布构建量子信息科学与工程中心，为量子估算学科建设奠基。而我国量子估算技术虽起步较晚，但量子估算产业发展势头良好、前景宽广，量子估算人才缺口巨大。近些年来，我国构建了一批量子估算研究机构和实验室，并拥有了一定的量子估算研究基础。中国科学技术学院、清华学院等院校均开始开办量子信息等相关专科专业，专业课程囊括了量子估算的基础和应用等。为培植量子估算与各行业综合型人才，构建建立量子估算行业教育培训体系，本源量子在2018年就已推出国外首批量子估算行业应用技术指导课程，包含量子金融、量子物理两个课程体系，近些年还同步开办专用领域人才教育培训课程，例如量子金融赛道班，以满足金融行业领域人才协同举办量子估算应用研究需求。
因而，推动量子估算的技术研制、应用推广和生态建立，除了重要并且必要更是紧要。世界已步入大科学时代，全球科技发展的信息化特点日趋显著，呈现出两级分化的演化状态。一个是智能化，一个是边沿化。就像工业化的核心是“马力”，智能化的核心就是“算力”，而量子估算是算力发展的新赛道。这些两极分化不光彰显在经济发展，还彰显在国家安全、社会公共管理等方方面面，假如不能智能化、量子化，可能还会被边沿化。
怎么完善中国量子估算生态？
当下，量子估算早已发展到了性能提高、生态建设、习惯培养、应用拓展并重的阶段。量子估算归根结底是算力的竞争，我国应强化量子估算核心软硬件产品和技术攻关。“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。”量子估算国际竞争愈加激烈，我国必须奋起直追，2022年12月，中央经济工作大会也明晰提出了要推动量子估算研制和应用推广。
研发量子计算机涉及量子芯片、测控、软件、算法和云平台等多领域协同，我国须要强化量子估算核心软硬件产品和技术攻关，突破量子处理器、稀释制热机、低温元件等核心硬件技术，促进实现量子估算软硬件国产代替；支持量子估算操作系统、量子估算语言、编程框架、芯片设计工具等关键基础软件的研制。
强化以企业为创新主体的量子估算应用研究，促进国外应用落地。量子计算机是一个工具，要到用户手里去，而不是逗留在论文上或汇报中。我国量子估算技术研制成本高，商业化开拓难，研制和应用之间存在“断层”。国际上，量子估算的研发开发已进入由龙头企业主导阶段，研制、应用“双向驱动”，应用牵引和市场导向的加速效能凸现。我国量子估算产业发展则较为滞后，和中国量子算力“携手”开发应用的国企不到国企总量的5%。为加强企业创新主体地位和责任，应鼓励小型国企率先举办量子估算应用赋能场景示范。量子估算作为国家战略，关系到国家未来军事安全和经济发展。国家宜鼓励引导小型国企及其他行业龙头企业和量子估算企业在目前国际量子算力早已发挥作用的领域早日推进合作，那些领域有金融、生物医药、新材料、人工智能、气象预报、密码破译、智能制造等，进而推动我国量子估算技术在经济层面的应用，发挥国外市场优势，以应用“反推”行业技术发展。
加大对我国量子估算教育的注重。2021年教育部批复中国科学技术学院新增“量子信息科学”学科，标志着我国专科高校开启量子估算人才培养的新征程，但在实际推动专业建设和人才培养的进程中，仍有一些高校存在“浅尝辄止”和“畏手畏脚”的现象。量子估算作为综合性学科，包含数学、数学、计算机等一系列学科知识，其发展须要培养更多的人才。部份美国企业和研究机构通过通识教育和职业教育，推广量子计算机操作系统和编程语言，但目前国外只有为数不多的量子企业或团队在量子教育上加码。为鼓励高校举办量子估算人才培养工作，推动我国占据量子信息全球产业高地，各院校和科研机构应积极参与量子估算教育工作，搭建合作交流平台，强化师资队伍建设，引入国外外优秀的量子估算专业人才和专家，不断更新教材体系，推陈出新，以期提高我国量子估算教育的整体水平和质量。全省大中中学尤其是院校应进一步加大国产量子计算机、量子操作系统、编程语言宣传推广。为此，有如下建议：一是将国产量子计算机科普列入中高中科普的重要内容之中；二是在已开办量子科技相关课程的院校中引入国产量子计算机软硬件相关课程；三是鼓励并引导院校中学生积极参与公益性学术组织召开的全省性量子估算各种技能竞赛，以更好更快发觉中国量子估算编程人才，为中国量子算力事业汇聚更多中国英才。通过这三项措施让更多的中国“下一代”了解和把握量子估算基本常识，引导中学生非常是院校青年中学生养成用国产量子操作系统的习惯，逐渐建立中国自主量子估算应用生态圈。
推进建立自主量子估算生态圈。欧美等国量子估算起步早、发展快，产业成熟度高，已逐渐完善量子估算生态“链”。2017年，新加坡的国际商业机器公司（IBM）创立的产业联盟拥有210多个成员，涉及500强公司、初创企业、学术机构和研究实验室。日本2020年成功成立量子工业部，包含24家专门从事量子领域的美国硬件和软件公司。2022年，西班牙比萨启动“量子创新之都”量子估算网路联盟。同年，加拿大国家级最高机构美国技术委员会宣布创立美国量子联盟。美国联盟发展壮大的同时也意味着越来越多的国际用户甚至中国公民会使用几大国际大鳄的量子计算机语言、操作系统，甚至养成习惯。如同习惯使用系统一样，习惯一旦养成，再替换国产操作系统将十分艰辛。为此，在核心技术攻关基础之上，应加强自主量子估算软硬件产品和服务在包括“一带一路”和金砖国家在内的国外外市场的应用推广，培植壮大自主的量子估算软硬件产业和生态。
当前，我们早已从研究探求哪些是量子估算以及怎么用量子特点优化估算，逐步过渡到量子估算产业发展壮大阶段，在高度注重有序推动中国量子估算事业的同时，我们需避免“家家打火、户户着火”，一拥而上搞量子估算。欧美大概从30年前开始布局量子估算研制，中国大概从20年前起步量子估算研制，不论是日本还是中国，在量子估算研制方面都经历了一个常年过程。量子估算不是一代人就能完成的事业，要从源头上加大对量子估算的科学客观认识，逐渐在中国产生对量子估算的共识，才会从源头上防止量子估算“热”带来的“盲目冲动”，最终产生一代又一代中国量子估算人接续拼搏的良好局面。
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