“兩會(huì)嘮科”是由騰訊科技推出的兩會(huì)特別策劃，重點(diǎn)講述中國(guó)科技名片。本期與科技云報(bào)道聯(lián)合出品，聚焦中國(guó)量子計(jì)算研究成果和相關(guān)進(jìn)展。

全球越來(lái)越多的國(guó)家加入到量子科技領(lǐng)域的競(jìng)賽當(dāng)中，爭(zhēng)奪下一步的技術(shù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

今年兩會(huì)，全國(guó)人大代表、中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任郭國(guó)平就計(jì)劃提出量子領(lǐng)域人才培養(yǎng)問(wèn)題。他建議，打造體系化、高層次量子科技人才培養(yǎng)平臺(tái)，完善科技人員績(jī)效考核評(píng)價(jià)機(jī)制，建立以信任為前提的頂尖科學(xué)家負(fù)責(zé)制。

過(guò)去20多年，中國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)行了全方位的布局，在量子計(jì)算基礎(chǔ)理論、物理實(shí)現(xiàn)體系、軟件算法等領(lǐng)域均開(kāi)展研究，并成為唯一在超導(dǎo)和光量子方向上都達(dá)到“量子霸權(quán)”的國(guó)家。

毫無(wú)疑問(wèn)，量子計(jì)算已經(jīng)成為中國(guó)硬科技的一張名片。

盡管成績(jī)顯赫，但量子計(jì)算攻堅(jiān)作為一場(chǎng)持久戰(zhàn)，也還有很多問(wèn)題有待突破和解決，包括技術(shù)落地難、產(chǎn)業(yè)配套不齊全、人才短缺等問(wèn)題，需要大家理性、客觀的認(rèn)知。

各國(guó)爭(zhēng)奪算力“核武器”

對(duì)于大多數(shù)人而言，量子計(jì)算是一個(gè)頗具科幻色彩的詞匯。

普通老百姓最接近量子計(jì)算概念的時(shí)刻，大約是國(guó)產(chǎn)電影《流浪地球2》中的智能量子計(jì)算機(jī)MOSS。

要理解什么是量子計(jì)算，以及為什么量子計(jì)算對(duì)于各個(gè)國(guó)家如此重要，可以從當(dāng)下普遍使用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)入手。

在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，信息是以二進(jìn)制代碼（0和1）的形式流通的，就是所謂的比特。

如果每個(gè)比特不用數(shù)字傳遞，而是改用一個(gè)粒子來(lái)傳遞的話，那么就可以大幅度推進(jìn)計(jì)算機(jī)的微型化，即量子計(jì)算機(jī)。

這種技術(shù)理論來(lái)源于20世紀(jì)初人類歷史上最偉大的科學(xué)革命之一——量子力學(xué)，它構(gòu)成了描述基本粒子現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著人們可以對(duì)光子、原子等微觀粒子進(jìn)行主動(dòng)的精確操縱，量子計(jì)算技術(shù)也隨之誕生。

不同于經(jīng)典計(jì)算機(jī)依靠“比特”（0和1）來(lái)處理信息，支撐量子計(jì)算的“量子比特”是微小的亞原子粒子，可以同時(shí)存在于某種比例的兩種狀態(tài)，就像一枚硬幣在半空中旋轉(zhuǎn)，遵循三進(jìn)制（0、1、2）的計(jì)算方法。

其中，0和1是確定狀態(tài)，2在量子力學(xué)中一般被稱為疊加態(tài)，是n個(gè)狀態(tài)的疊加。

在量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，“2”的存在使得量子計(jì)算機(jī)可以在同一時(shí)間處于n種狀態(tài)中。

舉個(gè)例子，假設(shè)存在一臺(tái)有四個(gè)比特的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，這臺(tái)計(jì)算機(jī)每一秒只能得到一個(gè)狀態(tài)，也就是0000或0101，那么想要獲得所有狀態(tài)就需要16秒。

但是，有一臺(tái)四個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，它可以同時(shí)計(jì)算從0000到1111的所有排列組合，這意味著量子計(jì)算機(jī)只需要1秒鐘就可以輸出16種狀態(tài)，相當(dāng)于16臺(tái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行的效率。

這種從二元處理到多元處理的飛躍，成倍地提高了計(jì)算能力。

中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮院士曾表示，使用億億次的天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)求解一個(gè)億億億變量的方程組，所需時(shí)間為100年。而使用一臺(tái)萬(wàn)億次的量子計(jì)算機(jī)求解同一個(gè)方程組，僅需0．01秒。

隨著比特?cái)?shù)的增加，量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)之間的性能差距呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，量子計(jì)算的速度可以達(dá)到傳統(tǒng)計(jì)算望塵莫及的高度。

中科院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，“如果說(shuō)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是機(jī)關(guān)槍，那么量子計(jì)算機(jī)就像核武器。”

正是由于量子計(jì)算極大超越了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的超并行計(jì)算能力，在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢(shì)，一旦突破量子計(jì)算技術(shù)，掌握這種能力的國(guó)家和主體，便會(huì)在經(jīng)濟(jì)、軍事、科研、安全等領(lǐng)域迅速建立全方位優(yōu)勢(shì)。

例如，美國(guó)國(guó)家反情報(bào)和安全中心（NCSC）認(rèn)為，大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)可以任何破解加密系統(tǒng)，嚴(yán)重威脅國(guó)家信息安全。

如此前景之下，全球主要國(guó)家都在量子信息領(lǐng)域加強(qiáng)科技政策布局，推出發(fā)展戰(zhàn)略和研究項(xiàng)目規(guī)劃，加大公共研發(fā)資金的支持投入力度，推動(dòng)量子技術(shù)從“基礎(chǔ)到市場(chǎng)”。

2018年12月，美國(guó)啟動(dòng)了為期10年的《國(guó)家量子行動(dòng)法案》，計(jì)劃5年投資超30億美元；

歐盟于2018年10月正式實(shí)施“量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目”，總經(jīng)費(fèi)超過(guò)40億歐元；

英國(guó)于2016年啟動(dòng)“國(guó)家量子技術(shù)專項(xiàng)”，迄今總投入已超過(guò)10億英鎊；

2018年9月，德國(guó)政府通過(guò)“量子技術(shù)：從基礎(chǔ)到市場(chǎng)”國(guó)家量子技術(shù)框架計(jì)劃，在2018—2022年內(nèi)投入6．5億歐元，在新冠肺炎疫情后又追加了20億歐元。

相較之下，中國(guó)在量子信息領(lǐng)域公共投資方面處于全球領(lǐng)先地位。

2017年，中國(guó)投資超100億美元在合肥市建造了世界上最大的量子研究設(shè)施——量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室；至2022年，該實(shí)驗(yàn)室投資達(dá)到近150億美元。

在國(guó)家政策層面，2021年，量子信息作為“關(guān)鍵技術(shù)”被寫入“十四五規(guī)劃”；2022年，中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議指出加快新能源、人工智能、生物制造、綠色低碳、量子計(jì)算等前沿技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣。

量子計(jì)算作為未來(lái)算力的“核武器”，已成為世界各國(guó)和地區(qū)力圖搶占的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

中國(guó)進(jìn)入“第一梯隊(duì)”

如今在量子計(jì)算發(fā)展上，全球各國(guó)已開(kāi)啟了排位賽，如果從技術(shù)水平來(lái)看，究竟哪個(gè)國(guó)家實(shí)力最強(qiáng)？

對(duì)于量子計(jì)算的研究，業(yè)界公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：

第一階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性（又稱“量子霸權(quán)”），即量子計(jì)算機(jī)對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力超越超級(jí)計(jì)算機(jī)。

研究表明，當(dāng)量子計(jì)算可控制的量子比特?cái)?shù)量超過(guò)60－70個(gè)后，就可以達(dá)到一定的量子優(yōu)越性，這一目標(biāo)已經(jīng)有美國(guó)、中國(guó)和加拿大先后達(dá)到。

目前，國(guó)際上最高記錄來(lái)自美國(guó)IBM推出的量子計(jì)算芯片，可高達(dá)433個(gè)量子比特，而中國(guó)最新推出的量子處理器擁有121個(gè)量子比特。

第二階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)專用的量子模擬機(jī)，可以應(yīng)用于組合優(yōu)化量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問(wèn)題，來(lái)指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)、藥物開(kāi)發(fā)等。

要達(dá)到這一階段，按照目前的估計(jì)還需要5到10年，是當(dāng)前學(xué)術(shù)界主要的研究任務(wù)。

第三階段是在實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建可編程通用量子計(jì)算機(jī)。由于技術(shù)上的難度，何時(shí)實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)尚未明確，學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為還需要15年至20年，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。

在技術(shù)路線方面，各國(guó)科學(xué)家都在探索基于多種不同物理體系的量子計(jì)算研究，比如超導(dǎo)量子比特體系、光學(xué)體系、離子阱體系、超冷原子體系……

目前，中國(guó)是唯一在超導(dǎo)和光量子方向上都達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國(guó)家，而諸如離子阱、硅自旋等技術(shù)路線的研究同樣在進(jìn)行中。

據(jù)業(yè)內(nèi)專家透露，在超冷原子體系上，我國(guó)目前整體與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家處于并跑狀態(tài)，在規(guī)�；�原子糾纏的制備與操縱，對(duì)自旋軌道耦合、超冷分子反應(yīng)等的量子模擬方面取得了系列重要成果，為解決若干經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以勝任的復(fù)雜問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。

總的來(lái)看，我國(guó)對(duì)量子計(jì)算的研究與發(fā)達(dá)國(guó)家處于同一階段，已進(jìn)入國(guó)際“第一梯隊(duì)”。

目前，中國(guó)已完成了所有重要量子計(jì)算體系的研究布局，成為包括歐盟、美國(guó)在內(nèi)的三個(gè)具有完整布局的國(guó)家（地區(qū)）之一。

不僅如此，中國(guó)的量子技術(shù)專利數(shù)量也在快速增長(zhǎng)。

據(jù)IPRdaily2022全球量子計(jì)算技術(shù)發(fā)明專利排行榜（TOP100）榜單顯示，截至2022年10月18日，入榜前100名企業(yè)主要來(lái)自18個(gè)國(guó)家和地區(qū)，美國(guó)占比40％，中國(guó)占比15％，日本占比11％。

其中，美國(guó)公司IBM以1323件專利位列第一，美國(guó)公司Google和加拿公司D－Wave分別以762件專利、501件專利排名第二位和第三位。

中國(guó)公司本源量子以234件量子計(jì)算專利數(shù)量排名中國(guó)第一、世界第六，超越了排名世界第七的英特爾公司。

榜單還顯示，從2020年到2022年，中國(guó)的量子計(jì)算技術(shù)發(fā)明專利由137件增長(zhǎng)至804件，實(shí)現(xiàn)約五倍增長(zhǎng)。

同時(shí)，更多中國(guó)公司開(kāi)始進(jìn)入Top 100榜單，如：本源量子、百度網(wǎng)訊、浪潮、騰訊科技、華為、阿里巴巴、圖靈量子等。

盡管中國(guó)的量子計(jì)算專利數(shù)量正在快速增長(zhǎng)，但這并代表中國(guó)在量子計(jì)算技術(shù)上已經(jīng)領(lǐng)先美國(guó)。

與IBM、Google這些量子計(jì)算賽道里面最強(qiáng)的美國(guó)團(tuán)隊(duì)相比，以本源量子為代表的中國(guó)團(tuán)隊(duì)，目前仍然處于追趕國(guó)外一流水平的地位。

正如郭國(guó)平所說(shuō)，在量子計(jì)算技術(shù)研發(fā)上，中國(guó)還有很高的科學(xué)高峰需要攀登。

產(chǎn)業(yè)化臨界點(diǎn)來(lái)臨

近年來(lái)，中美等國(guó)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，并交付出工程化的量子計(jì)算機(jī)整機(jī)，這標(biāo)志著量子計(jì)算踏入了發(fā)展的第二階段，為實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

技術(shù)突破，讓量子計(jì)算不再只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)物，而是有可能解決實(shí)際問(wèn)題，甚至有望顛覆一個(gè)行業(yè)，創(chuàng)造一個(gè)全新的行業(yè)。

上海交大集成量子信息技術(shù)研究中心（IQIT）主任、圖靈量子創(chuàng)始人金賢敏認(rèn)為，在國(guó)內(nèi)，量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化已是正當(dāng)其時(shí)。

除了國(guó)家之間科技競(jìng)爭(zhēng)的需求外，量子計(jì)算已經(jīng)到了走出實(shí)驗(yàn)室的臨界點(diǎn)。

百度量子計(jì)算研究所所長(zhǎng)段潤(rùn)堯也表示，“如果我們能夠突破這個(gè)臨界點(diǎn)，后面就能夠得到數(shù)百個(gè)量子比特，就可以在一些人工智能、組合優(yōu)化的應(yīng)用上產(chǎn)生效果”。

這就不能不提，IBM在量子計(jì)算軟件發(fā)展路線圖中預(yù)計(jì)，到2030年量子計(jì)算可能達(dá)到上百萬(wàn)量子比特，這標(biāo)志著量子計(jì)算機(jī)即將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

若以2030年為量子計(jì)算商用元年，基于賽迪《2021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望》報(bào)告測(cè)算，預(yù)計(jì)2030年全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到140．1億美元，并以30％左右的增速平緩上漲，至2035年預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到489．7億美元的量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模。

巨大的市場(chǎng)潛力，吸引了很多投資機(jī)構(gòu)和科技企業(yè)，希望在量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化早期的階段就參與進(jìn)來(lái)。

國(guó)際頭部科技互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)如：谷歌、IBM、微軟、英特爾、霍尼韋爾等均圍繞量子科技展開(kāi)布局。

國(guó)內(nèi)方面，阿里、騰訊、百度、華為近年來(lái)先后布局量子計(jì)算，如：阿里推出了量子模擬器“太章”；百度成立了量子計(jì)算研究所；華為推出了“昆侖”量子計(jì)算模擬一體機(jī)。

同時(shí)，創(chuàng)業(yè)公司也正在跑步入場(chǎng)，全球不斷有量子計(jì)算公司在拿到大額的融資：

2022年，來(lái)自歐洲的超導(dǎo)量子計(jì)算公司IQM宣布獲得世界基金（World Fund）領(lǐng)投的1．28億歐元A2輪融資，在7月刷新了歐洲量子計(jì)算公司的融資記錄；

緊接著，國(guó)內(nèi)的本源量子宣布正式完成近10億元的B輪融資，登頂當(dāng)年全球量子計(jì)算融資榜首。

此外，加拿大的光量子計(jì)算公司Xanadu獲得了1億美元的融資，美國(guó)中性原子量子計(jì)算公司Atom Computing獲得了6000萬(wàn)美元的融資，牛津量子電路公司（OQC）宣布A輪融資3800萬(wàn)英鎊，以色列量子算法設(shè)計(jì)平臺(tái)提供商Classiq宣布B輪融資3300萬(wàn)美元，法國(guó)量子計(jì)算公司Alice ＆ Bob也拿到了2700萬(wàn)歐元融資……

而國(guó)內(nèi)也在展開(kāi)融資競(jìng)爭(zhēng)賽，近一年來(lái)，國(guó)內(nèi)已有9家量子計(jì)算企業(yè)獲得融資，融資額在億元以上的就有5家，包括量旋科技、圖靈量子、華翊量子、未磁科技、本源量子。

這些量子計(jì)算公司融資的特點(diǎn)是，不僅金額大，一線機(jī)構(gòu)多，還表現(xiàn)在融資輪次密。

據(jù)光子盒研究院報(bào)告數(shù)據(jù)，2021年量子科技公司完成融資共計(jì)49筆，全年融資總額近32億美元（約202億人民幣），是2020年全年融資規(guī)模的3倍多。

在應(yīng)用層面，氣象、金融、石油化工、材料、生物醫(yī)藥、汽車交通等眾多行業(yè)已開(kāi)始關(guān)注和重視到“量子計(jì)算”的巨大發(fā)展?jié)摿�，并開(kāi)始與量子計(jì)算企業(yè)進(jìn)行合作探索。

不過(guò)值得注意的是，量子計(jì)算的各種技術(shù)路才剛起步，商業(yè)化前景仍然存在不確定性。

華映資本管理合伙人章高男表示，量子計(jì)算遠(yuǎn)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)技術(shù)收斂，且10年之內(nèi)肯定無(wú)法在普通商業(yè)環(huán)境中跟傳統(tǒng)計(jì)算抗衡。

量子計(jì)算攻關(guān)在即

顛覆性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及空前的市場(chǎng)想象力，引發(fā)資本押注量子計(jì)算，但也面臨著諸多客觀的挑戰(zhàn)和難題。

以國(guó)內(nèi)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)為例，仍面臨著技術(shù)落地難、產(chǎn)業(yè)配套不健全等方面的挑戰(zhàn)。

例如，目前量子計(jì)算在運(yùn)算過(guò)程中難以提供穩(wěn)定的算力；量子比特的數(shù)量雖然已達(dá)到了量子優(yōu)越性，但量子糾纏的操縱精度、糾錯(cuò)容錯(cuò)能力仍舊不夠等。

從產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，量子計(jì)算設(shè)備供應(yīng)商主要以國(guó)際公司為主，特別是稀釋制冷機(jī)和低溫同軸線纜。

在芯片制造方面，目前國(guó)內(nèi)量子芯片的制造過(guò)程主要是在實(shí)驗(yàn)室完成，但國(guó)際上一些領(lǐng)先的量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在工廠制造量子芯片。

在軟件方面，國(guó)際上已有100多家量子軟件公司，但中國(guó)的量子軟件公司較少。

此外，相比于產(chǎn)業(yè)配套的不健全，人才短缺也掣肘量子計(jì)算的發(fā)展。

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局最新公布數(shù)據(jù)，全國(guó)量子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域一線人才僅百余人。

更為緊迫的是，在量子信息科技領(lǐng)域，歐美也開(kāi)始加大出口管制。

在經(jīng)典計(jì)算機(jī)體系內(nèi)，計(jì)算芯片設(shè)計(jì)與制造的核心技術(shù)掌握在科技巨頭公司手中，并處于壟斷地位。但在量子計(jì)算領(lǐng)域，全球尚未形成壟斷性巨頭公司或者較高的技術(shù)專利壁壘，當(dāng)前搶占技術(shù)入口將獲得至關(guān)重要的議價(jià)權(quán)。

為此，國(guó)家提出“十四五”期間的重點(diǎn)任務(wù)是力爭(zhēng)造出真正“有用”的專用量子模擬機(jī)，即相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特，用于解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的實(shí)用問(wèn)題的量子計(jì)算機(jī)。

對(duì)此，潘建偉表示，在量子計(jì)算方面，需要在光子、離子、超導(dǎo)、超冷原子金剛石色心、量子點(diǎn)、拓?fù)涞任锢眢w系中，突破量子疊加和量子糾纏的長(zhǎng)時(shí)間保持、多粒子糾纏、超越容錯(cuò)閾值的高精度量子比特操縱等技術(shù)。

同時(shí)，鑒于量子計(jì)算迅猛的發(fā)展態(tài)勢(shì)，也需要相關(guān)部門與研究機(jī)構(gòu)合作探索量子計(jì)算可能的應(yīng)用模式以及相關(guān)的算法研究等。

結(jié)語(yǔ)

量子計(jì)算是一門艱深的學(xué)科，人類目前所做的研究不過(guò)是剛剛敲開(kāi)量子科技的大門，在諸多物理體系的技術(shù)突破上仍充滿荊棘。

而量子計(jì)算從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程，也需要一個(gè)漫長(zhǎng)的周期。這場(chǎng)量子計(jì)算的全球爭(zhēng)奪戰(zhàn)，本質(zhì)上更像一場(chǎng)長(zhǎng)跑馬拉松。

在面向“十四五”乃至更長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來(lái)，量子計(jì)算能否成為中國(guó)在全球科技產(chǎn)業(yè)中“換道超車”、掌握尖端技術(shù)話語(yǔ)權(quán)的重要核心技術(shù)，且拭目以待。

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       原文標(biāo)題 : 中國(guó)躋身量子計(jì)算“第一梯隊(duì)”，為何它是硬科技必爭(zhēng)之地？丨兩會(huì)嘮科