量子计算技术研究及应用探索分析.docx

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1、量子计算技术研究及应用探索分析摘要：量子计算是量子信息技术的研究热点，具有经典计算无法比拟的强大并行计算处理潜力，已成为世界各国在量子信息技术领域的布局推动重点。对量子计算技术的研究进展进行了分析，探讨了未来的发展趋势，讨论了应用探索的发展情况。关键词：量子计算；技术研究；应用探索引言量子信息技术是物理学和信息学的前沿交叉领域，其物理基础是量子力学特性，包括量子纠缠、量子叠加以及量子隧穿等，量子计算通过操纵量子叠加态，使用量子力学特性作为计算逻辑，基于量子纠缠原理，可以实现信息的并行处理。量子信息技术包括量子通信、量子计算以及量子测量三大领域1。量子计算作为未来算力跨域式发展的重要探索方向，具

2、备原理上远超经典计算的强大并行计算潜力，有望为人工智能、量化金融、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计、信息安全等所需的大规模计算难题提供潜在的解决方案。近年来，随着量子计算原理样机和实验平台科研的快速发展，量子计算优越性的实验验证不断取得阶段性成果2,量子计算领域正逐步形成集学术研究、工程研发、应用探索和产业构建为一体的全方位发展格局。近年来，全球多个国家/地区诸如美国、欧洲、中国、日本、加拿大等均高度重视量子信息技术，尤其是量子计算领域的发展，纷纷采用出台政策法案、制定量子计划、成立研究机构、支持企业发展等措施，积极开展量子计算领域布局。本文梳理了量子计算领域国内外重要的战略布局，对最新

3、研究成果进行了总结并探讨了技术发展趋势，并讨论了量子计算在若干场景中的应用探索发展情况。1国内外政策布局美国在量子计算领域具有深厚的研究基础，其发展处于世界领先地位，近年来其对量子计算领域的投入不断增大。早在2002年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）发布量子信息科学与技术规划3；2018年，美国连续颁布量子信息科学国家战略概述国家量子计划法案等计划法案4,确立以国家量子协调办公室（NQCO）为统筹中心、为期10年的国家量子计划；2023年，白宫发布关键与新兴技术国家战略5,同年NQCo颁布美国量子网络战略愿景；2023年3月，白宫颁布国家安全临时战略指南7,再次强调量子计算等新兴技术有

4、望改变各国之间的经济和军事平衡，同年6月，参议院颁布2023年美国创新与竞争法案8,表明重点支持包括量子计算和信息系统在内的十大关键技术。美国量子计算呈体系化发展模式，重视战略部署、顶层设计以及路线规划，采取建立有效协作机制、成立委员会、资助研究机构等措施，充分发挥战略科技力量优势，预计未来几年将持续加大投入。欧洲对于量子计算的研究起步也较早，大力推动技术及应用产业发展，各成员国积极响应。2016年，欧盟委员会推出量子宣言（草案）9,倡导尽早实施量子技术旗舰计划；2018年，量子技术旗舰计划正式实施，投资约10亿欧元，计划为期10年；2023年初，量子技术旗舰计划发布欧洲量子计算和量子模拟基础

5、设施白皮书10,阐述当前欧洲量子计算技术的发展状况与未来规划，发展时间表如表1所示。英国国家量子技术计划（NQTP）横跨量子计算、通信、计时、传感和成像等多个领域。德国于2018年启动QUTEGA国家量子计划11,重点关注包括量子计算在内的多个研究领域。荷兰于2019年发布QuantumDe1taN1（QN1）计戈J,研究集中在量子计算、量子模拟、量子网络和量子传感应用等方面。欧洲各国积极制定量子计算相关计划，系统、详细地规划欧洲量子计算领域的发展，部署诸多研究项目，涉及多种技术路线,旨在构建具有竞争力的欧洲量子计算产业。表1欧洲量子计算与模拟基础设施发展时间表时间阶段性目标2023年部署5台

6、千兆级计算机,作为欧洲盘子计算与模拟基础设施,同时建立高性能计算机与址子模拟器混合项目20232023年部畀3台前百万兆级的算系统.将成为欧洲橘子计算芍模拟的基础设施20232023年旗舰计划进入过渡阶段,部署中等规模（5O2OO物理情予比特）原型机.并探索城子计算应用20232025年部署2台百万兆级超算系统2025年实现中等规模的址子计算原型机测试,通过纠错增强NISQ址子计算机的处理机制,实现难度更大的算法,将于N1SQ设备开发出软件与具由.前景的应用,后动欧洲粒子计算1j模拟”础设施2027年部署和接入中等规模的计算平台,基于NISQ设备实现第代大规模应用,演示全IftI剧越经典算法的

7、址子算法.演示采用百万兆级高性能计算机和微干计算机的混合应用架构实现加速的使用案例2030年整合盘子旗舰计划所带来的大规模量子it算平台（超2址子比特）,演示具有完全纠错能力和一组通用班子门的址子处理器,实现班子优越性我国在国家战略层面对量子计算高度重视。2016年，国务院印发十三五国家科技创新规划，将量子计算列入面向2030年的科技创新重大项目；2019年，国务院印发长江三角洲区域一体化发展规划纲要13,再次提出需加快培育布局包括量子信息等重点领域在内的未来产业；2023年，国家颁布中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要14,在强化国家战略科技力量、整合优化

8、科技资源配置等多个方面对量子信息发展进行规划。我国的量子计算研究起步较晚，但重视程度逐渐加大，近年来在多个方向实现突破，未来也将持续加大量子硬件研究、量子软件开发等方面的支持力度，持续完善布局。2技术研究进展信息通信技术发展十分迅速，但经典信息技术正逐渐逼近边界效应，例如摩尔定律晶体管制程工艺极限、通信信道香农容量极限等2,以大规模集成电路为基础的经典计算机面临算力提升的问题。经过近40年的发展，量子计算技术研究取得诸多成果。2.1 硬件平台量子计算处理器硬件平台存在超导、光量子、离子阱、半导体、中性原子、拓扑、金刚石NV色心等主要技术路线。超导是目前发展较为迅速的路线，核心单元是超导体-绝缘

9、体超导体三层结构的约瑟夫森结电子器件，在量子操控与读取、退相干时间、可控耦合、可扩展性等方面有较大优势,但也存在低温屏蔽、宇宙射线干扰15等问题，目前国内外采用超导路线的企业与机构包括IBM、谷歌、中科大、本源等，主要成果包括谷歌53位悬铃木处理器、IBMI27量子比特处理器Eag1e、中科大66量子比特祖冲之二号等。光量子具有室温大气环境可工作、量子态易操控等优势，同时存在光子间没有相互作用而造成双量子逻辑门难以实现等问题，PsiQuantumXanadu上海交大、中科大等企业与高校正在开展相关研究，主要成果有中科大76位光量子比特原型机九章、113位光量子比特原型机九章二号（见图1）等16

10、。离子阱实现原理是电荷与电磁场间的交互作用使带电粒子运动，同时利用受限离子的基态和激发态组成的两个内能级作为量子比特，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初始化与读取，优势在于消相干效应小、量子比特质量高、制备与读取效率高，短板是可扩展性差，Honeywe1kIonQ.中科院、清华大学、启科量子等在进行离子阱研发，2023年Quantinuum宣布H1-2量子计算系统可达到4096量子体积。量子点作为一种有着三维量子强束缚的半导体异质结构，将电子自旋等作为量子比特，使用微波脉冲或纯电学方式进行操控，优点是稳定性好、相干时间长、兼容性良好等，缺点在于量子纠缠数量少、易受环境

11、影响，日本理化学研究所、中科大、本源等均在进行相关研究，2023年中科大实现硅基自旋量子比特的超快操控17o中性原子是近几年的后起之秀，原理是在超高真空腔中利用远失谐光偶极阱阵列或光晶格从磁光阱或玻色爱因斯坦凝聚体中捕获并囚禁超冷的原子形成单原子阵列，将原子基态超精细能级的两个磁子能级编码为一个二能级量子态（量子比特），研究者包括Co1dQUanta、AtomComputings哈佛大学、麻省理工学院等，2023年CC）IdQUanta推出IO0+量子比特处理器Hi1bert,AtomComputing推出量子系统Phoenix,2023年哈佛大学展示289量子比特中性原子量子处理器在解决实际

12、使用问题方面的应用。图1九章二号整体装置图量子硬件技术路线总体呈多元化发展趋势，每种路线的亮点成果层出不穷，面临的挑战也各不相同，各技术路线竞争较为激烈，其中超导、光量子及离子阱3种路线发展较为迅速，中性原子、金刚石NV色心未来可期，不同技术路线的逻辑门操作存在一定差异，这可能引起量子计算软件、量子开发工具以及量子算法实现等方面发展路径的差异。总体而言，量子硬件的发展仍处于比较早期的阶段，现阶段的量子计算原型机存在量子比特数较少、量子态操控精度不高、相干时间短等诸多问题，此外还可能面临不同技术体系之间量子态的导入、存储、导出等方面的工程化挑战。在含噪声中等规模量子(NoisyIntermedi

13、ate-ScaIeQuantum,NISQ)阶段，基于经典计算的量子模拟器可作为在量子计算样机研制和算法研究中开展技术验证的重要补充。根据IBM、谷歌等发布的技术路线图，预计未来3年左右有望实现数千量级的物理比特，在量子比特数达到一定规模且量子态质量足够高的条件下，可能催生出解决实际问题的杀手级应用案例，而后基于量子硬件水平提升与量子纠错技术的发展，由物理量子比特向逻辑量子比特过渡。长期来看几种量子硬件技术路线和性能提升的趋势仍具有一定的不确定性，后续业界将持续在扩展量子比特规模、提高量子态质量、加快量子计算运行速度等方向发力,逐步向着实现可容错通用量子计算机的远期目标努力。2.2 软件算法在

14、量子计算软件与算法方面，量子软件作为连接量子硬件与用户的桥梁，目前尚处于开放探索阶段，研发主要集中在基础运行类、计算开发类、应用服务类以及通用系统类等方面，且均有一定成果。国外应用广泛的包括IBM全栈式量子编译工具Qiskih谷歌开源量子计算框架Cirq、微软开源量子开发工具包等；国内也有本源量子计算机操作系统司南、百度云原生量子集成开发环境YUnIDE、图灵光量子计算模拟软件FeynmanPAQS等初步成果。量子算法是体现量子计算优势的有效途径，各类算法逐步优化，处于起步阶段，追溯其发展历程，早期的Deutsch-Jozsa算法是为了展示量子计算优势而特意构造的数学问题，而后的Shor算法与

15、Grover算法则被证明有望成为解决实际问题的两类算法。量子软件目前处于发展的初期阶段，虽然近期研究发布成果层出不穷，但整体成熟度较低，基本可以达到工具级，应用类软件多聚焦解决某类特定问题，仍处于发展迭代起步阶段，总体而言与经典软件的发展成熟度相差尚远。相比之下量子计算编译工具的成熟度较高，有代表性的编译工具包括IBM的Qiskih谷歌的Cirq等。综上所述，量子软件的发展是一个持续迭代的过程，不仅需要注重软件本身的开发，还需重视应用生态的培育。量子算法的主要研究难点在于需要结合量子本身的特性，专门设计针对某类问题的算法，同时还需体现出超越经典算法的优势。量子算法的研究同时也离不开量子硬件，算

16、法需要硬件的支持以便进行测试对比，以便验证算法的优势，目前受限于量子硬件的发展，许多量子算法只能在量子模拟器上进行试验验证。未来量子算法的研究可能需要将重点放在研究更多可用于解决更多实际问题的算法，并进行量子算法优化的相关研究。3应用探索现状量子计算机可解决的问题类型在业内尚未达成共识，近期的研究主要集中在量子加速优化与量子模拟两类问题上，前者有望用于人工智能、量化金融、密码解析等领域，后者则可能用于生物制药、分子化学、能源研究等领域。3.1 量子计算+人工智能量子人工智能是量子计算与人工智能交叉发展起来的技术，将有望对工业、交通、金融、气象等领域的技术变革提供强有力的支持，全球已有诸多创业公司和研究团队对其开展积极的研究探索。量子机器学习(QUan