量子计算关键技术钻研停顿 (量子计算关键词)

起源： 信息 通讯技术 与政策

作者：王敬，张萌等

摘要

量子计算具有或许逾越经典计算的潜在才干，近年来在技术钻研、运行探求及产业生态培育等方面取得诸多停顿，全体开展进入慢车道，已成为环球多国科研规划与投资热点。重点梳理剖析量子计算关键技术钻研停顿、运行探求展开态势和产业生态培育等，并对未来开展趋向启动展望。

0引言

随着人类关于量子力学原理的意识、了解和钻研始终深化，以及关于宏观物理体系的观测和调控才干始终优化，以宏观粒子系统为操控对象，借助其中的量子叠加、量子纠缠等量子物理现象启动信息失掉、处置和传输的量子信息技术应运而生并蓬勃开展。量子信息技术关键蕴含量子计算、量子 通讯 和量子测量三大畛域[1]，有望在优化运算处置速度、信息安保保证才干、测量精度和灵便度等方面打破经典计算瓶颈。量子信息技术曾经成为信息通讯技术演进和产业更新的关注焦点之一，在未来国度科技开展、新兴产业培育、国防和经济树立等畛域，将发生基础特性乃至推翻性严重影响。量子计算是遵照量子力学法令启动信息处置的新型计算范式，以量子比特为基本单元，具有为某些计算艰巨疑问提供减速的才干，是未来算力逾越式开展的关键方向之一，有望满足量子 模拟 、量化金融、组合优化、 人工智能 等畛域日渐增长的算力需求。

近年来，环球多个国度与地域继续增强量子计算畛域的规划规划，始终投入资金允许。量子计算畛域热度始终升高，科研翻新生动，超导和光量子路途成功量子计算优越性实验验证[2-5]，适用化运行探求多方展开，产业生态逐渐构建，全方位多元化的开展格式正在构成。本文重点梳理剖析量子计算最新钻研停顿、运行探求展开态势和产业生态培育等，并对量子计算未来开展趋向启动展望。

1干流技术路途钻研停顿

量子计算历经数十年开展，多方面钻研与探求同步展开，逐渐构成集实践钻研、样机研制、运行探求和产业培育为一体的体系化开展格式。近年来，量子计算在技术钻研、样机研制、软件开发、 算法 钻研等方面取得诸多停顿，关键成绩层出不穷，而技术路途选用是样机研制中的重中之重。量子 配件 经过制备、操作和测量量子比特，并基于单比特叠加和多比特纠缠的 耦合 与形态演变成功高效并行计算模拟等配置，是量子计算样机研发攻关亟待打破的疑问。超导、离子阱、光量子、硅基量子点和超冷原子等技术路途处于并行开展和放开竞争形态，尚未出现融合收敛趋向，近年亮点停顿颇多，竞争较为强烈。此外，金刚石氮-空位（NV）色心路途、拓扑路途等也取得停顿，目前仍处于基础钻研阶段，未来开展值得等候。上方对干流技术路途启动总结和剖析。

1.1超导

超导技术路途是开展相对迅速的一种路途，外围器件为二能级系统超导约瑟夫森结，已衍生出Transmon、Xmon、Fluxonium等多种新型超导量子比特，具有可设计、可扩展、易控制、易耦合等长处。近年来，超导技术路途在量子比特数量和保真度方面均有肯定打破。2022年，Riget推出80量子比特Aspen-M系统，IBM发布433量子比特 芯片 Osprey[6]。美国劳伦斯伯克利国度实验室在超导量子信息处置器中启动三量子比特高保真iToffoli本机门初次实验展示，保真度达98.26%，阿里巴巴在新型Fluxonium系统中成功99.72%的双比特门操控精度[7]。

超导技术路途关键瓶颈在于极高温制冷环境带来的工程应战，须要陈腐和高度集成化的测控系统允许大规模量子比特操控，以及结合资料迷信等提高相干寿命和保真度等。超导技术路途是成功通用量子计算有力竞争者之一，已取得诸多科研机构、 科技 企业和初创公司允许，比特数量稳步优化，每秒电路层操作数等目的占优。

1.2离子阱

离子阱技术路途是另一种受关注水平较高的路途，基本原理是应用电荷与磁场间的交互作使劲构成势阱，从而操控带电粒子构建二能级量子比特，具有无需极高温冷却、量子比特物理全同、相干期间长等长处。近年离子阱技术路途钻研停顿关键体如今保真度优化和全衔接比特数增长等方面。2022年，Quantinuum优化ModelH1系统量子体积至8192[8]。IonQ离子阱量子 处置器 保真度达99.96%，并推出32Qubit离子阱量子计算机IonQF。2023年，Quantinuum的H1-1系统量子体积优化至32768[9]。华翊博奥（北京）量子科技有限 公司 （简称华翊量子）推出37Qubit离子阱量子计算原型机。

离子阱技术路途关键瓶颈应战在于离子囚禁期间有限，捕捉离子的形态制备期间和量子门操作期间较长，单比特多路激光读写需求和线性阱尺度规模制约比特数扩展等。离子阱技术路途是通用量子计算另一个有力竞争者，未来样机研发在真空、激光、 微波 和 电子 学等多个工程畛域需继续攻关。

1.3光量子

光量子技术路途原理是应用光子的多种自在度（例如偏振、相位和期间位置等）启动量子态编码和量子位构建。关键长处在于，与周围环境相互作用弱、可常温上班、相干期间长、保真度较高。近年光量子路途科研停顿关键是量子优越性证实、光子纠缠操控实验等。2022年，Xanadu[5]在光量子计算机Borealis上成功216光子高斯玻色采样实验。德国马克斯普朗克量子 光学 钻研所展现双光子CNOT门并成功14光子纠缠操控[10]。

光量子技术路途关键瓶颈应战在于不同光子态之间构建双量子比特门和成功逻辑操作，以及高质量光源与光子探测性能待优化等。未来基于集成光学芯片的光量子计算方案或将成为开展演进的关键方向。

1.4硅基量子点

硅基量子点技术路途的基本原理是在硅或砷化镓等 半导体 资料制备门控量子点来编码量子比特。长处在于，可扩展性好、门操作速度快、与成熟 集成电路 工艺相兼容。近年亮点成绩在于量子比特数量和保真度的优化。2022年，《人造》杂志宣布三种不同成功方案的硅基量子处置器双量子比特门保真度到达99%以上[11]。另外，成功12位硅自旋量子比特[12]。

硅基量子点技术路途关键瓶颈应战在于噪声影响显著，保真度较低，须要提纯资料以延伸相干寿命，量子位间存在搅扰与串扰等。因为硅基量子点技术路途与经典电子学可兼容，经典电子学的开展很有或许优化量子处置器扩展性。未来，克制电子自旋易受电磁环境影响将是硅基量子点科研攻关的关键目的。

1.5超冷原子

超冷原子技术路途经过被称为光镊的严密聚焦激光束阵列，解放超冷原子在超高真地面悬浮，并基于此构建二能级系统。长处在于长相干期间和超高维列阵构建才干。近年在超高维列阵构建才干与量子模拟方向失掉运行。2022年，美国芝加哥大学成功512位双元素二维原子阵列[13]。Pasqal捕捉324位量子比特的超冷原子大型量子处置器阵列[14]。

超冷原子技术路途关键应战是须要克制激光控制系统复杂性影响，进一步优化逻辑门操控才干和保真度等。超冷原子技术路途适用于求解量子哈密顿量和模拟量子处置，未来岂但可用于钻研和处置凝聚态物质中诸多物理疑问的典型模型，还有望用于模拟钻研剖析量子化学、多体物理、凝聚态物理、核物理等诸多复杂体系和现象。

总体而言，量子计算样机研制已成为环球关键国度和地域在前沿科技畛域攻关打破的重点方向之一，不同技术路途具有自身的共同长处，超导与离子阱继续领跑，光量子成功量子计算优越性实验验证，硅基量子点与超冷原子的开展值得等候，技术路途开展全体仍出现多元并行的态势，尚未成功技术收敛。

2运行探求方向详情

量子计算配件的飞速开展使得含噪声的中型量子（NoisyIntermediate-ScaleQuantum，NISQ）时代未然来临，以量子计算机为基础展开的运行场景探求，已逐渐成为业界的钻研热点，旨在为诸多行业提供更高效的量子计算处置方案。近年来，运行探求关键集中在量子模拟、量子组合优化以及量子线性代数等方向，代表性行业运行探求状况如表1所示。

表1量子计算行业运行探求详情

2.1量子模拟

量子模拟能够在原子尺度模拟宏观系统相互作用，对宏观环球行为发生洞察力，对迷信钻研、 工业 制作和社会开展均有望发生渺小影响，近年来已成为钻研热点。2022年，IBM展现EntanglementForging技术用于量子模拟并使得量子比特数量减半[15]。中国迷信技术大学搭建超冷锂-镝原子量子模拟平台成功平均费米气体的制备[16]。Google成功16bit费米子量子蒙特卡罗模拟[17]。

量子模拟运行探求关键集中在物理模型、化学工业、动物制药、资料钻研等畛域，经常使用量子计算机模拟量子系统的运转形态，具有实在凑近系统人造形态原貌的长处，目前正在从提供物理现象的定性展示向为运行疑问提供处置方案的方向开展。

2.2量子组合优化

数学中的优化疑问，简而言之即应用数学方法寻觅团圆事情中的最优解或启动最优的编排、分组，组合优化疑问是目前算法中最抢手的疑问之一，搜查空间往往随着搜查规模呈指数级增长，造成有效期间内难以求解,或难以取得全局性最优解。目前，在触及复杂多变量组合优化的量化金融、交通规划、气候预测等畛域，量子计算运行探求也在宽泛展开。2022年，MultiverseComputing推出奇点投资组合混合求解器用于量化投资优化剖析[18]。Quantum-South发布基于量子计算的航空货运优化运行程序[19]。PsiQuantum启动Qlimate方案旨在提供气候相关计算疑问的量子处置方案[20]。

量子组合优化有助于优化寻觅优化方案的效率和准确性，对诸多复杂数学识题启动高效计算，具有将计算期间大幅增加以实事实时优化等长处，未来须要继续放大运行探求的深度和广度，成功更多行业畛域的量子组合优化案例。

2.3量子线性代数

量子线性代数蕴含多种量子技术和方法，关键运行于量子 机器学习 、明码破译、信誉评分等畛域。其中，量子机器学习经过构建新型数据处置模型，将传统机器学习算法中的局部关键步骤由经过验证的量子算法替代，有望优化目前机器学习算法处置大数据的计算效率。2022年，Google经常使用40位超导量子处置器验证量子主成分剖析环节中的原理性长处[21]。美国哈佛大学应用里德堡原子阵列构建量子递归 神经网络 的认知义务学习实验[22]。

量子线性代数应用量子计算的高效、处置复杂数学识题的才干，剖析求解多行业畛域的复杂数学识题，具有优化复杂数学识题计算效率等长处。

综上所述，量子计算相关畛域的运行探求正在逐渐深化，总体处于开展的早期阶段，在运行落地和产出实践价值方面仍面临应战。未来运行探求的攻关方向关键集中在量子比特集成规模、运行算法设计等方面，并须要在增强量子计算与已有运行场景结合的同时，探求更多具有后劲的运行方向，并经过实践及实验等形式判别实践运行中量子计算相较于经典计算的长处。

3产业生态培育停顿

近年来，量子计算畛域热度始终升高，已成为环球前沿技术畛域投资焦点之一，且投入力度始终放大。与此同时，产业生态构建培育也成为近期热点，各国和地域企业、钻研机构始终经过成立产业联盟等形式，逐渐培育量子计算产业生态系统。

3.1市场融投资

量子信息畛域市场融投资近两年来呈迸发式增长趋向，量子信息畛域企业取得市场高度关注以及少量资金允许，且投资高度集中于量子计算畛域（见表2）。量子计算初创企业在欧洲和美国汇集度和关注度更高。少量的资金涌入既为量子计算样机配件研发、软件开发、运行探求等方向提供翻新允许和资源保证，也引发了技术炒作、夸张宣传和行业泡沫等不同观念和争议。

表2国际外量子计算企业融投资详情

2022年，美国ScoronCapital[23]发布对量子计算上市公司IonQ的做空报告，指出其量子计算 产品 与运行局限，以及治理运转方面的疑问，质疑其交付才干与商业形式。英国牛津大学学者[24]指出，资金涌入造成量子计算成就和前景夸张宣传，行业泡沫不容漠视。以上观念也引发业界回应，从技术开展成就、科技巨头投入和运行探求前景等方面展开讨论，各方对行业泡沫争议的看法观念不一。

量子计算是未来科技与产业开展改革的关键变量之一，已成为环球各国学术界、产业界和利益攸关方的普遍共识，近年来在技术钻研和样机研制等方面取得一系列关键停顿，但样机比特数量、质量和操控速度等性能目的仍有很大优化空间，软配件技术开展远未成熟，运行探求与产业培育尚处起步阶段。泡沫质疑是量子计算开展环节中的必修之路，也是量子计算在学术界和产业界反差气氛中发生的肯定结果。在政策与资金始终涌入时，对量子计算畛域的捧杀须要坚持苏醒和警觉。在无人区探求和技术运行成绩的短期交付达不到预期时，对量子计算畛域的开展须要坚持策略定力与信念，防止对未来构建技术产业竞争力发生不利影响。

3.2生态培育

近年来，量子计算畛域热度始终升高，各国和地域相继出台策略政策以推进国际外科技公司和初创企业的开展。目前，环球已有数百家量子计算企业，钻研笼罩量子计算软配件、基础配套、运行探求、用户培育等多个方面，产业汇聚度以美国和欧洲最高，量子计算产业生态体系正在逐渐构建。

美国占据环球量子计算产业开展长处，以科技公司Google、Microsoft、IBM、Intel、Honeywell、HP，以及初创企业IonQ、Rigetti等泛滥具有较强技术实力和资金允许的企业为首，减速环球量子计算产业开展。从量子计算产业高层的运行服务、软件开发到高层量子处置器研发和撑持系统配套研发等各层面，均有企业深化介入。企业踊跃启动量子计算原型机及软件算法相关研发，踊跃与科研背景弱小的科研院所和高校展开宽泛协作，对量子计算成绩转化和减速开展助力显著。欧洲各国及地域也纷繁允许量子计算畛域开展，踊跃制订量子计算开展策略，部署诸多钻研名目。欧洲量子企业大多为初创企业，代表性企业包括IQM、Atos、Qu&Co等，近年呈减速开展态势。欧洲量子计算企业与美国等企业之间协作严密，各企业经过与其余量子企业协作、与产业界企业协作等形式取得诸多钻研停顿与成绩。除美国和欧洲鼎力开展量子计算外，加拿大、澳大利亚、日本、新加坡等也涌现出一批量子初创企业。总体而言，国际企业具有较强的技术实力，全方位推进基础迷信钻研、运行场景探求和产业生态培育等方面的开展，强烈竞争的同时坚持分工协作，有力推进量子计算的减速开展。国际的多家科技公司也努力于量子计算的钻研，包括华为、百度、阿里巴巴、腾讯等。近年来，经过与科研院所协作或延聘 出名 迷信家等形式成立相关实验室，在配件、软件、算法、运行和量子计算云平台等方面踊跃规划。除此之外，国际的量子初创企业也正鼎力推进量子计算各环节的钻研与运行，代表性初创企业包括根源量子计算科技（合肥）股份有限公司、国开启科量子技术（北京）有限公司、华翊量子、深圳量旋科技有限公司、上海图灵智算量子科技有限公司等。我国科技企业在样机研制、运行推进及产业培育等方面与国际企业相比存在差距，但正在踊跃追逐，产业培育等上班逐渐失掉注重和增强。

经过成立产业联盟等形式开展和完善产业生态系统，已逐渐成为近期开展热点。近年来，多个国度及地域均成立量子计算畛域产业联盟，成员单位涵盖量子信息畛域企业、泛滥钻研机构以及各运行畛域重点企业。IBM成立的IBMQNetwork目前已有蕴含政府及科研机构、初创企业、行业运行协作同伴等在内百余家成员，笼罩航空、银行、动力等运行畛域。Microsoft动员MicrosoftQuantumNetwork与NorthwestQuantumNexus，关键包括处置方案协作方、下游潜在客户及钻研机构三类成员，努力于推进量子计算开展并讨论实践运行。日本24家企业联结成立量子策略产业反派联盟，旨在评价与量子计算相关的基本准则与法律，并就其适用性和必要产业结构提出倡导。德国10家企业成立量子技术与运行联盟，旨在明白现阶段或许成功的行业运行，评价量子计算工业化实施后劲。芬兰树立量子计算产业联盟名目BusinessQ，目的在于扩展量子计算对芬兰工业与商业的影响。加拿大成立量子产业部，旨在减速技术翻新、成功人才转化及推进量子计算商业化进程。我国根源量子树立根源量子计算产业联盟，减速技术开发和探求运行落地。中国信息通讯钻研院联结国际量子信息畛域高校、科研机构和企业动员量子信息 网络 产业联盟，组织推进 论坛 交换、案例征集、报告钻研、验证测评等上班。

环球量子计算企业数量始终增多，呈减速开展态势，全体数目已超百家，量子计算畛域钻研笼罩量子计算软配件、基础配套和运行探求等多个方面，产业汇聚度仍以北美和欧洲最高，量子计算产业生态体系正在逐渐构建。相较美国和欧洲而言，我国企业在技术研发水平与全体产业生态构建等方面仍有优化空间，未来须要组织展开产业需求、供应链树立等方面深化交换，探求科研、工程和产业各畛域的分工协作协同机制，打破和把握外围使能技术，为用户习气造就和产业生态构建奠定基础。

4未来开展趋向展望

总体而言，量子计算技术钻研处于早期加快开展阶段，多种技术路途出现多元化放开性的竞争态势，这种竞争态势短期内将继续存在。量子计算运行探求在诸多行业宽泛展开，距离运行落地尚有肯定距离，相关探求必将是一个常年环节。量子计算产业生态正在逐渐构建，处于早期培育阶段，产业全体开展势头良好，未来将继续探求适合的商业形式。

在技术钻研方面，量子计算钻研开展迅速，始终取得打破性停顿，配件研制、软件算法、量子纠错、撑持保证等方面取得一系列关键成绩。量子计算仍处于早期加快开展阶段，各钻研畛域仍存在较多亟需处置的疑问。在配件研制方面，须要在可扩展性、操作复杂度、噪声克制才干和集成化水平等方面重点打破，集中力气增强研发攻关。在软件算法方面，须要在注重软件自身的钻研与开发的基础上，注重运行生态的培育以及用户习气的造就。在量子纠错方面，须要结正当论钻研与样机实验，进一步设计和改良纠错程序，同时降落纠错所需的资源开支。在撑持保证方面，须要明白不同路途量子计算机所需撑持保证系统面临的应战，重点攻关稀释制冷机、测控系统、真空腔等关键局部。

在运行探求方面，基于NISQ样机展开量子算法钻研和运行场景探求，逐渐成为业界钻研热点，涵盖化学模拟、量化金融、交运航空、人工智能、气候预测等多个行业畛域。量子计算运行成绩层出不穷，但已发布成绩大多倾向于预研性质，处于原理性与可行性验证的探求阶段，量子计算距离运行实践落地和发生改革性价值仍有肯定距离。近期，数学工程与先进计算国度重点实验室、清华大学等[25]提出亚线性资源量子经典混合大数分解算法，有望推进NISQ量子样机的实践运行。在具有适用价值的疑问上，明白展现量子优越性是下一步努力的目的。

在产业生态培育方面，以美国、中国、欧洲、加拿大等为首的各国和地域企业纷繁开启量子计算高低游各环节的系列钻研与产品研发，环球量子计算生态体系正在逐渐构建。量子计算产业推进处于早期阶段，产业力气始终壮大的同时，开展仍具有肯定的不确定性，产业开展与生态构建须要业界共同钻研讨论和继续推进。未来产业开展的关键关键集中在生态系统构建、产业联盟、开源社区、市场投融资等方面，经过整合多方力气构建具有竞争力的量子计算产业。

5完结语

量子计算畛域是目前各方关注与希冀的焦点，环球关键国度及地域纷繁放大公共研发资金的允许投入力度。迷信钻研和技术研发亮点纷呈，多种技术路途并行开展，量子计算优越性取得实验验证，量子纠错钻研欣欣向荣。行业运行探求宽泛展开，多畛域运行探求蓄势待发。产业翻新与投融资增长迅速，开展趋向微弱。未来业界须要结合量子计算关键技术、运行与产业生态的现状与需求，继续增强基础科研攻关，展开行业运行探求，促成产、学、研、用协同，培育产业生态系统，多措并举，共同聚力推进量子计算畛域开展。

审核编辑：汤梓红

原文题目：量子计算关键技术及运行开展剖析