量子计算发展白皮书 （ 2019 年） 2019 年 9 月 前言 量子信息技术可以突破现有信息技术的物理极限，在信息处理速度、信息容量、信息安全性、信息检测精度等方面均能够发挥极大作用，进而显著提升人类获取、传输和处理信息的能力，为未来信息社会的演进和发展提供强劲动力。当前，人类对量子信息技术的研究与应用主要包括量子计算、量子通信和量子测量等。其中，量子计算是一种基于量子力学的、颠覆式的计算模式，具有远超经典计算的强大 计算能力，将在化学反应计算、材料设计、药物合成、密码破译、大数据分析和机器学习、军事气象等领域产生颠覆性影响。 近年来，一些国家以及企业纷纷加码布局量子计算，在相关领域的技术研究和应用不断提速。在此形势下，赛迪智库电子信息研究所编写了量子计算发展白皮书 （ 2019 年 ） ，阐述了量子计算的基本内涵，系统梳理量子计算的技术路线及发展路线图，介绍了国内外发展态势，并提出了我国量子计算发展面临的挑战及相关对策建议。 如有商榷之处，欢迎大家批评指正。 目 录 一、量子计算发展综述 . 1 （一）量子计算的内涵 . 1 （二）量子计算的发展背景与历程 . 5 （三）量子计算的应用展望 . 7 二、量子计算技术与发展路线图 . 9 （一 ）量子计算关键技术 . 9 （二）量子计算的发展路线图 .16 三、国际量子计算发展现状 . 19 （一）主要国家的战略规划 .19 （二）量子计算的技术与产业进展 .22 四、我国量子计算发展现状 . 29 （一）我国的量子计算国家战略 .29 （二）我国量子计算的进展 .29 五、我国量子计算发展面临的问题与挑战 . 31 （一）关键技术研发仍属起步阶段，与国际水平存在差距 .31 （二）市场尚在培育阶段，技术和应用场 景不成熟 .31 （三）国内企业参与度较低，缺乏全面战略布局 .32 （四）人才体系单一、集中，尚未形成全面培养体系 .32 六、对策建议 . 34 （一）加强前沿科技领域产业化布局 .34 （二）加大对关键核心领 域的研发支持 .34 （三）完善对专业人才梯队建设的全面布局 .34 （四）积极构建量子计算应用生态体系 .35 一、量子计算发展综述 （一）量子计算的内涵 1、量子信息科学的基本概述 量子信息科学是量子物理与信息科学交叉的新生学科，其物理基础是量子力学。量子是构成物质的基本单元，是不可分割的微观粒子的统称。量子力学就是研究和描述微观世界基本粒子结构、性质及相 互作用的一门科学。 量子信息技术就是基于量子力学，通过对光子、 电子等微观粒子系统及其量子态进行人工观测和调控，借助量子叠加 和量子纠缠等独特物理现象，以经典理论无法实现的方式获取、传输 和处理信息的一类技术 。 图 1 量子比特的概念示意图 在量子信息技术中，包含量子比特、量子叠加和量子纠缠等几个基本概念： 一是量子比特 。 比特是计算机技术中信息量的基本度量单位，量子比特则是量子计算中的最小信息单位。一个量子比特可以表 示 0、 1 或 0 和 1 的叠加，因此其搭载的信息量远超智能表示 0 或 1 的经典比特。 二是量子叠加 。 指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。在量子系统中，量子态是指微观粒子所处的一系列不连续 的恒稳运动状态。在无外界观测干扰时，量子系统可处于一系列量子 态叠加态上，也即是著名的 “ 薛定谔的猫 ” 。 三是量子纠缠 。 指微观 粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响影响的现象。在量 子系统中，存在量子关联的多个粒子即使在空间 上被分隔开，也能够相互影响运动状态，这是量子通信等的技术基础。 当前，量子信息技术主要包括量子计算、量子通信和量子测量等三个技术领域 。 量子计算 是基于量子态受控演化的一类计算技术。量子计算具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力， 有望成为未来几乎所有科技领域加速发展的 “ 新引擎 ” 。 量子通信 利 用微观粒子的量子叠加态或量子纠缠效应等进行信息或密钥传输，主 要包括量子隐形传态和量子密钥分发两类。量子通信可大幅提升通信 的安全性，将对信息安全和通信网络等领域产生重大变革和影响。 量子测量可基于微观粒子系统及其量 子态的精密测量，完成被测系统物 理量的执行变换和信息输出。量子测量主要包括时间基准、惯性测量、 重力测量、磁场测量和目标识别等方向，其在测量精度、灵敏度和稳定性等方面比传统测量技术有明显优势。 2、量子计算的基本原理与特征 量子计算以量子比特为基本单元，通过量子态的受控演化实现数据的存储计算。量子计算机就是遵循量子力学规律，基于上述原理进行信息处理的一类物理装置。当前，量子计算机可大致分为三类：量子退火、嘈杂中型量子（ NISQ）计算、容错型通用量子计算。 图 2 新一轮量子信息科学变革的主要突破领域 数据来源：走进新量子革命，陆朝阳， 2019年 7月 数据来源：量子信息技术发展概况，郭光灿， 2019年 7月 与经典计算相比，量子计算具有以下特点： 一是并行计算能力更强 。一般地，描述 n 个量子比特的量子计算机需要 2n 个系数数字，当 n 增大时所有状态所需数字很大。但由于量子叠加效应，量子计算过程中的幺正变换可以对处于叠加态的所有分量同时进行操作（也即量子并行性 ） 。因此，量子计算机可以同时 进行多路并行运算，这也是量子计算机超强信息处理能力的源泉。 图 4 量子计算的并行计算示意图 数据来源： Visure Science， 2019年 7月 二是能耗更低 。当前，经典计算中运算速度遇到的一大瓶颈就是能耗问题对芯片集成度的制约。有研究表明，能耗产生于计算过程中 的不可逆操作。直观而言，传统芯片的特征尺寸很小（数纳米）时， 量子隧穿效应开始显著，电子受到的束缚减小，使得芯片功能降低、能耗提高，这即是传统摩尔定律面临失效的原因。因此，必须将不可 逆操作改造为可逆操作，才能大大提高芯片的集成度。相较之下，量 子计算中的幺正变换属于可逆操作，因而信息处理过程中的能耗较低， 这有利于大幅提升芯片的集成度，进而提升量子计算机算力。 （二）量子计算的发展背景与历程 1、传统计算技术供给不足成为量子计算重要驱动因素 当前，传统计算技术迭代提升面临瓶颈，而各领域算力需求则快 速攀升。一方面，集成电路技术在材料和制程工艺方面越来越逼近物理极限，摩尔定律日渐趋缓，传统计算技术的发展面临体系性困局。冯 · 诺依曼架构数据读写瓶颈日益凸显，程 序执行时处理器在程序计 数器的指引下顺序读取指令和数据，带来高延迟、低带宽等问题。此 外随着数据量的日益增加，传统云计算面临网络带宽压力、服务响应 缓慢、安全与隐私隐患、资源利用率低等诸多挑战。另一方面，随着 信息化社会的飞速发展，人类对信息处理能力的要求越来越高，低延 时、低能耗、高性能的计算需求应运而生。多种学科的融合创新发展 与复杂的人类活动催生了诸多新兴计算场景，亟待利用新的计算技术与模式进行分析与评估。例如，人工智能技术的导入，带来海量、非 结构化数据存储与处理需求，同时对计算技术的解释性、推理能力以 及举一反三 能力等方面均具有较高需求。因此，传统计算领域供给不足与需求攀升之间的矛盾愈发突出，这成为了驱动量子计算技术发展的重要因素之一。 2、量子计算技术突破随着科技巨头介入而提速 基于量子力学的量子信息科学是上世纪最为重要的科学发现之一，自问世以来先后孕育出原子弹、激光、核磁共振等新技术。近年 来，随着人类对微观粒子系统观测和调控能力的提升，利用量子力学 中的叠加态和纠缠态等独特物理特性进行信息的采集、处理和传输已 经成为可能。人类对微观粒子系统的探索从 “ 探测时代 ” 向 “ 调控时 代 ” 迈进，量子信息科学因此迎来新一轮快速发展 。在这一轮发展浪潮中，量子信息技术的突破点集中在量子计算、量子通信和量子测量 等领域。其中，量子通信的技术难度相对较小，产业化进程也最快， 目前人类已在积极探索基于卫星或光纤网络的长距离传输和广域组网应用。相比之下，量子计算尚未取得关键技术突破。然而，伴随着近年来国内外科技巨头的大力布局，量子计算的技术突破大大加速。 例如，近十年内，在 IBM、谷歌等的推动下，量子比特数量的增加速 度明显加快。尤其在近五年内，由 9 位迅速提升至 72 位，实现了 8 倍提升。此外，围绕量子计算的产业生态也初具雏形，形成了科研机 构、科技巨头、初创企业协力研发，各垂直领域企业纷纷布局的发展态势。 3、量子计算正处于技术验证和原理样机研制阶段 迄今为止，量子计算的发展可分为三个阶段。 一是 20 世纪 90 年代以前的理论探索时期 。量子计算理论萌生于上世纪 70 年代， 80 年代处于基础理论探索阶段。 1982 年， Benioff 提出量子计算机概念， Feynman 也提出利用量子系统进行信息处理的设想。 1985 年， Deutsch算法首次验证了量子计算并行性。 二是 20 世 纪 90 年代的编码算法研究时期 。 1994 和 1996 年， Shor 算法和 Grover 算法分别提出。前者是一种针对整数分解问题的量子算法，后者是一种数据库搜索算法。 这两种量子算法在特定问题上展现出优于经典算法的巨大优势，引起了科学界对量子计算的真正重视。 三是 21 世纪以来，随着科技企业 积极布局，量子计算进入了技术验证和原理样机研制的阶段 。 2000 年， DiVincenzo 提出建造量子计算机的判据。此后，加拿大 D-Wave 公司率先推动量子计算机商业化， IBM、谷歌、微软等科技巨头也陆续开始布局量子计算。 2018 年，谷歌发布了 72 量子位超导量子计算处理器芯片。 2019 年， IBM 发布最新 IBM Q System One 量子计算机，提出衡量量子计算进展的专用性能指标 量子体积，并据此提出了 “ 量子摩尔定律 ” ，即量子计算机的量子体积每年增加一倍。若该规 律成立，则人类有望在 10 年内实现量子霸权。 图 5 IBM 量子计算系统开发路线图（量子摩尔定律） 数据来源： IBM， 2019年 3月 （三）量子计算的应用展望 当前，量子计算的产业化仍处于最初阶段。因此，在未来 5-10 年内，倘若量子计算技术未能取得跨越式突破，则其市场规模将较为有限。据 BCC Research 预测，全球量子计算市场规模有望于 2022 年超过 1.5 亿美元， 2027 年有望达到 13 亿美元。此外，据波士顿咨询报 告，预计到 2035 年，全球市场规模将达到 20 亿美元。从中远期来看， 若量子计算技术迭代速度超出预期，则 2035 年的市场规模可突破 600 亿美元， 2050 年则有望接近 3000 亿美元。相比之下，当前全球计算市场的总规模约为 8000 亿美元。 量子计算具有经典计算技术难以企及的并行计算能力和信息携带量，有望成为满足未来计算需求、加速科技创新的新引擎。在可预期的未来，量子计算机不会完全取代经典计算机，但会依托其在并行