义柏研究院丨量子计算专题研究

随着经典计算在摩尔定律下濒临极限，量子计算被认为是新一轮科技革命和产业变革的基础科技。近年来，随着越来越多的玩家入局，以及民间和政府资金的涌入，量子计算行业成高速发展态势，量子比特数翻倍速度加快，应用场景不断推进，产业化时代正在加速到来。

随着计算机芯片的集成度越来越高，晶体管越做越小，集成电路技术现在正逼近其极限。从28nm到10nm..…一直到最新的2nm，晶体管的大小已接近单个原子0.2nm的量级。电路中的电子开始“不再听话”、频频出错。这个时候，就需要一种全新原理的计算模式——量子计算。

因此，量子存储器的存储数据能力是经典的2的N次方倍，且随N指数增长。例如，N=250时量子存储器可同时存储比宇宙中原子数目还要多的数据。

除此之外，量子信息科技也被多国政府当作重要的国家战略布局方向，根据McKinsey统计，目前计划投入超过50亿美元资金用于支持量子信息科技发展的国家（地区）的政府已有9个，其中，中国计划投入约150亿美元，超过其他所有国家（地区）的投入之和。

随着众多玩家和资本入场，全球范围内量子计算的产业链逐步成型，主要由底层硬件提供商和技术配套商、中层中间件提供商和下游应用商共同构成，同时伴随着不同物理方案样机的推出和云服务接入，应用端也演化出一批针对行业的专门软件算法开发商。但国内方面，由于起步较晚，产业链分工尚不明确，大量初创公司集中于硬件供应层面，并同时与终端行业客户合作探索实用的量子算法。此外，国内的互联网巨头公司在量子计算方面的布局主要专注于中间件和应用层算法的开发，未来有望与量子计算初创公司形成产业协同。

虽然量子计算在过去的十年内取得了长足的进步，我们仍处于行业发展的早期阶段，距离大规模商业化应用仍有一段距离。

我们目前所处的阶段通常被称为NISQ时代（Noisy Intermediate Scale Quantum Technology，含噪声的中等规模量子计算），这一阶段纠错问题尚未解决，系统稳定性普遍受环境噪声影响。该阶段预计将持续3-5年。但即使在技术尚不完善的NISQ时代，量子计算仍将在特定行业的特定问题上展现出相对于经典计算的优势，目前在新药研发、投资组合优化的行业领域已有相关演示案例。

一旦纠错问题基本解决，行业将逐步跨入广泛量子优势时代，这一阶段预计将持续5年以上。根据多个全球领先的量子计算公司发布的技术演进路径图，通往广泛的量子优势的道路已经变得更加清晰。除了纠错，这一阶段需要关注的里程碑包括更高质量的量子比特，中间件层的开发，规模化和模块化系统，以及量子比特数量的扩展。这一阶段，量子计算预计将在多个实际行业问题中展现优势，并产生可观的商用价值。

当关键的里程碑达成并成熟，模块化和架构大规模扩展以实现全面大规模容错计算的竞赛就会展开，量子计算将赋能各行各业，实现广泛的商业价值。

超导量子计算是目前国际上较为常见的一种固态量子计算的实现方法。其核心元件叫约瑟夫森结（Josephsonjunction），由诺贝尔物理学奖得主Brian Josephson的名字命名。约瑟夫森效应即超导隧道效应。约瑟夫森结由二个互相微弱连接的超导体组成，而这个微弱连结的组成结构可以是一个薄的绝缘层，就得到一个超导-绝缘-超导结，称为约瑟夫森结。理论和实验都证明，当温度低于临界温度时，双电子会以库珀对的形式穿过绝缘体，形成超导电流。英国物理学家Brian Josephson最早理论上预言了这种超导状态下库珀对的隧穿现象，也因此获得了1973年诺贝尔物理学奖。

2019年，谷歌研究团队声明使用53个量子比特的超导量子计算芯片“Sycamore悬铃木”，率先实现了“量子霸权”，能在200秒内完成的特定问题计算，而当时世界上最快超级计算机Summit完成同样计算需要花费1万年的时间。2021年6月，我国潘建伟院士团队构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，在计算复杂度上比谷歌的“悬铃木”量子计算机高出3个数量级。2021年11月，IBM发布目前最高量子比特数的超导量子计算芯片：127量子比特处理器Eagle。

超导量子计算有着较多优势，最重要的一条是可以沿用现有比较成熟的集成电路工艺，门保真度也较好，目前最高水平为99.6%，因此谷歌、IBM、Rigetti等公司都在这个技术路线上进行研发。取得进展的同时，超导量子计算最显著的劣势是成本高昂：它必须使用昂贵的稀释制冷机系统将超导量子计算芯片部分降温至绝对零度附近的mk级别超低温，同时，这也要求超导计算的相干设备全部使用超低温元器件，这将大大提高整体系统的成本，并使完成每次计算的成本高达数万美元。同时，稀释制冷机的有效制冷腔体的体积也极大的限制了超导量子计算的量子比特数规模的进一步扩展。另外，超导量子比特还由保真度较差的问题，且量子一致性存在疑问。

2021年的几项研究表明，超导量子计算机存在一些我们之前没有发现的障碍。如2021年8月，费米国家加速器实验室发现了纳米氢化物会导致超导量子比特的相干时间缩短。2021年12月，谷歌在其量子处理器上证明了宇宙射线确实会导致超导量子比特出错。

离子阱的基本原理是利用电荷与电磁场间的交互作用力牵制带电粒子体运动，将其局限在某一个小范围“阱”里面。采用受限离子的基态和激发态组成的两能级体系作为量子比特，再利用微波激光照射操纵量子态，通过连续泵浦光和态相关荧光实现量子比特的初始化和探测。

近年来，世界各地研究团队一直在尝试创建离子阱量子计算机，被捕获的离子充当纠缠的量子比特以执行量子计算，包括霍尼韦尔分拆出的Quantinuum公司、IonQ等企业都在这个技术路线上研究。2021年离子阱量子计算机实现了新的里程碑。2021年1月，清华大学交叉信息院金奇奂研究组在离子阱系统中首次将单量子比特相干时间提升至1小时以上，即5500秒。2021年底，由霍尼韦尔分拆出的Quantinuum公司宣布他们的H1-2量子计算系统达到了2048量子体积。

当前离子阱量子计算具有量子比特保真度高、相干时间长(可达5000秒)、量子比特的制备和读出效率较高等三大优点。但是由于离子阱既需要容纳离子阱芯片等真空超低温腔体，也需要复杂的调控激光和冷却激光的光路，设备小型化难度很大，计算成本也和超导量子计算一样很高。另外，可扩展性较差的问题是离子阱体系亟待解决的主要问题。因为能储存多条离子链的离子阱在实验上很难实现,离子的自发辐射会导致消相干等，因此，单阱中的量子比特数量不会很大，多个阱又无法做到量子比特之间的全连接。

对于光的本质的研究，是人类了解量子世界的开端，直接催生了量子力学。而光量子也是一种十分理想的量子比特的载体：光子的偏振、相位、空间路径等各个信息维度都可以用来编码量子比特；用各种光学器件就可以精确完成对量子比特的单比特操作；而且目前的单光子探测技术可以对光子进行令人满意的测量。因此，基于光量子的方案不仅在量子计算领域非常重要，在量子信息研究中也是一个十分重要的手段和研究方向。可以说在量子信息研究的每一个领域光量子都有贡献，其中包括量子远程传态、量子密码、多粒子量子纠缠、量子态和量子过程的重建、简单量子算法的实现等等。

2021年光量子相关研究成果丰硕，堪称光量子计算机商业化元年。2021年2月，国防科技大学和其他团队合作研制新型可编程光量子计算芯片，这一芯片首次实现了对量子漫步演化时间、哈密顿量、粒子全同性、粒子交换特性等要素的完全编程调控，从而支持实现多种基于量子漫步模型的量子算法应用。2021年5月，PsiQuantum与GlobalFoundries合作开发了硅光子学量子系统，将超导光子探测器引入300mm晶圆生产线，实现了可扩展性，同时为PsiQuantum铺平了通往百万量子比特规模系统的可行途径。2021年9月底NTT研究团队在《Science Advance》上发表的一篇论文指出，相干伊辛机 (CIM) 这种光量子计算方案又取得了重大技术突破，实现了100,512自旋的CIM计算实验，率先突破10万大关，在所有量子计算技术方案中遥遥领先。2021年10月，中国科大潘建伟、陆朝阳等在量子计算原型机“九章”基础上成功研制出“九章二号”。新的原型机从之前的76个光子增加到了113个光子，处理特定问题的速度比超级计算机快亿亿亿倍。

光量子有着很多其他路线不具备的优点，基于天然属性，光量子长时间保持相干，且难与其他微观粒子发生相互作用，即使在常温环境下也能保持稳定运行，大大降低了应用门槛；此外，光量子计算的器件可沿用现有半导体和硅光工艺制程，工艺成熟度较高，加之其“飞行比特”的独特属性，让时分复用技术成为可能，这使得光量子可以从空间和时间两个维度实现规模扩展，是现有主流可扩展的技术路线中首个达到100个量子比特规模，也被认为是实现100万量子比特的最有希望的解决方案。

同时，光子是量子通信的最佳信息载体，因为它们以光速传播，并为高数据传输容量提供大带宽，光量子计算机与量子通信完全兼容，并可以实现未来的量子互联网。此外，光子的大带宽也在光量子计算机中提供了高速（高时钟频率）操作。

但是，光子的特性同时也给量子计算带来了内在的困难。光子之间几乎没有相互作用，很难实现两量子比特直接的逻辑门操作。直到2003年研究人员才首次通过光学方法利用纠缠光子对明确地实现了两量子比特的逻辑门———控制非门，但这种实现是概率性的。此外，由于光子以光速传播，并且不停留在同一位置，因此必须沿着光子的光路布置许多光学组件，导致效率不高。

超导量子计算的最大优势在于可沿用现已成熟的半导体工艺制成进行加工，是目前三种路线中工程成熟度最高的，因此也是工业界投入研发资源最多的一条路径；但长远来看，超导量子比特面临的退相干问题在科学层面还没有得到有效解决，这给其更大规模的扩展打上问号；而其对环境噪声的敏感也为其未来的工程化落地带来诸多不确定因素，稀释制冷机庞大的体积、高昂的成本和有限的腔体面积给超导计算机的应用带来了很大挑战，即使工业界在超导路线上投入研发资源最多、时间最长，这个问题至今仍没有有效解决方案被提出。

离子阱量子计算的最大优势在于原子的一致性和保真度非常好，需要最少的物理比特即可实现容错量子计算，但即便数十个量子比特全部参与计算，所解决的问题规模仍然有限，要实现量子比特规模上百，就要解决芯片阱的设计和制造工艺、以及多通道激光的控制等关键技术问题，我们认为这部分问题属于工程问题，但解决也仍需至少数年；而对于百量子比特以上的规模扩展，受制于原子特性，目前尚没有任何得到验证的技术路径，这部分问题还属于科学问题，需要投入大量科研资源持续研究。

光量子计算的最大优势在于可以从时间和空间两个维度进行规模扩展，最有望实现实用的大规模量子比特；其优越的稳定性也给商业落地提供了便利；并且该路线在以往面临的最大困难，容错双比特逻辑门构建，近年来也在理论层面得到了解决和验证；其面临的挑战主要在于对硅光工艺和高速电光调制等技术参数的不断打磨，我们认为这部分问题属于工程问题，且得益于硅光产业链几年来高速发展的态势，将在相对短的时间内得到解决。

基于上述诸多优势，有观点认为，光子量子计算将在近几年实现商业化，以满足大数据、人工智能等领域市场对计算需求激增的需求。基于上述优势和积极的市场前景，风险投资在光子量子路线上的押注也比其他技术路线更多。目前，在光量子技术路线上的主要企业非常多，有PsiQuantum、微软、Xanadu、玻色量子、图灵量子等。

在NISQ时代，量子计算已在数个特定问题上实现原理验证和优势展现，国内外的量子计算公司正在通过广泛的行业合作开发特定的量子算法，以解决经典计算难以解决的计算难题。

对于量子计算能解决的全部问题，还没有形成定论，目前为止的研究显示量子计算在优化、模拟、线性代数、因式分解这四大类问题上，相比经典计算具有显著的计算速度和准确度优势。

量子计算非常适合复杂的金融建模，在投资组合优化、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。国内方面，光量子计算初创公司玻色量子与光大科技、北京量子信息科学研究院联合发布了量子计算投资组合产品——“天工经世量子计算量化策略平台”，基于真实数据运行量子优化算法，用于解决投资组合配比的优化问题。

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。

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。

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。

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。

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。

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。