量子計算領域發展現狀與展望

郝曉雪，王 婷，倪 琰，李向陽，杜彥昌

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量子計算領域發展現狀與展望

郝曉雪1*，王 婷2，倪 琰3，李向陽4，杜彥昌4

（1. 中國人民解放軍66132部隊，北京 100000；2. 中國人民解放軍61212部隊，北京 100000； 3. 中央軍委機關事務管理總局，北京 100000；4. 軍事科學院軍事科學信息研究中心，北京 100142）

隨著信息技術的高速發展，如何進行信息的安全傳輸是亟待解決的痛點問題，諸如超算等技術的快速發展已經讓傳統加密技術變得越發脆弱和不可控。自20世紀70年代以來，隨著量子計算理念的提出，科學家進行了量子計算的理論推理和測試驗證，對傳統密碼學領域造成了極大的影響，導致基于各種數學加密的方案不再可靠。美國等世界科技強國認識到量子計算技術是極有可能引發社會、經濟、軍事等領域又一次重大革命的關鍵技術，因此紛紛發布本國量子領域的研究戰略，力求在量子科學領域占據重要的引領地位。本文對量子計算領域的研究現狀進行了綜述，并基于發展預測，為未來量子計算的發展進行展望。

量子計算；糾纏態；發展現狀；展望；強軍興軍

0 引言

量子計算是一種新型計算模式，由量子力學規律調控，基于量子信息單元完成計算，顯著區別于傳統計算模式的新方式?；诹孔蛹m纏態計算建立的計算機則被稱為量子計算機。事實上，量子糾纏態和穩態的研究促進了量子計算機的發展。與傳統計算機不同，量子計算機的硬件基于糾纏態光量子的生成和湮滅，遵循量子計算理論，處理和計算的不再是簡單電平信號而是量子信息，運行的是基本邏輯也不再是簡單的與或非門電路，而是量子算法。1981年，美國阿拉貢國家實驗室的Paul Benioff最早提出了量子計算的基本理論[1]。

傳統計算機的運行速度受到溫度、濕度等外界因素制約，散熱不佳將極大的降低運算速度，而計算過程中的不可逆操作將帶來極大的能耗，從而造成發熱。反觀量子計算，由于可以進行可逆操作，因而其功耗能夠顯著降低，解決了傳統計算機能耗帶來的發熱問題。對于傳統計算機而言，其發展由摩爾定律給定，即集成電路的性能能夠于每18-24個月的時間內翻一倍，與之相對，當材料與技術成本不變時，價格也會降為原價的0.5倍[2]。近些年來，由于半導體工藝發展受到制約，電路原理多年未曾進步，因此摩爾定律的極限也逐漸逼近，缺乏一種新型顛覆性技術來推動計算領域的高速發展。究其根本，CPU中光刻機刻蝕出的布線密度是重要的限制原因之一，一旦逼近極限密度，該芯片電路發展將不再遵循摩爾定律，此時電路中高速數據傳輸導致的波粒二象性不容忽視。根據海森堡不確定性關系，集成電路中電子位置的相當確定時，動量的不確定量會很大，從而造成量子效應顯著，對電子的操縱難度極大，易造成CPU故障。因此單一CPU的集成度有限，單位體積運算速度受到很大影響，但量子計算機能很好的克服這一點。

1 量子計算國內外主要研究進展

2018年3月，谷歌宣布實現72個量子位的原型機，極大的拓展了量子計算的商業化應用。5月，我國阿里巴巴達摩院頂級科研機構量子實驗室發布消息，稱已成功模擬了81比特40層作為基準的谷歌隨機量子電路，研發出當前世界最強的量子電路模擬器“太章”，。因此，量子技術不僅事關國家網絡安全，更有望催生全新且龐大的產業鏈條，對經濟社會產生重大影響。

1.1 國內重要進展

我國在量子計算領域起步雖然落后于歐美國家，但是在國家支持下，還是取得了國際一流的研究成果。當前，由于物理、數學等基礎較為薄弱，因此在關鍵技術突破等方面與歐美仍存在一定差距。

首先，從戰略上講，我國發布《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020）》，將“量子調控研究”列為四個重大科學研究計劃之一，提供持續性穩定性的國家層面支持，并且相關領域的專家已經開展了相應的研究，取得了不菲的研究成果。中國科技大學的郭光燦院士長期從事半導體量子芯片研究并取得了重大突破，實現了2個量子比特邏輯門電路[3]，在操控比特數量和量子相干時間等方面達到國際先進水平。同屬中國科技大學的潘建偉院士在量子保密通信和量子物理方面也取得了卓越成果，例如，潘院士首次在國際上使用光晶格技術生成并觀測了了約600對呈現糾纏狀態的超冷量子比特。

其次，我國量子計算研究基礎薄弱，經費和人力投入與歐美國家相比遠遠不足。雖然我國在量子計算領域投入了相當的人力物力，然而，實用化的量子計算機的應用是一個復雜的系統工程，既要對量子物理基礎學科進行原理性創新，又要進行量子計算所需的普適材料、制程、架構和控制軟件等實現創新。當前，由于我國精密工業領域發展的限制，造成我國在傳統計算和量子計算工藝技術上基礎薄弱，從而導致核心電子元器件、高端計算芯片、操作系統和高級計算軟件、增材制造裝備等長期落后，受到西方國家的制裁和禁運，最終導致我國量子計算的研究主要處于原理驗證和演示層面，無法深入進行脫離實驗室環境的量子計算模擬和深層次計算，以至于直到現在，我國都尚未研發出可以商業化使用的量子計算芯片，而同期IBM的量子計算已經提供商業化服務。此外，我國從事量子計算領域的單位較少，由于基礎設施的缺乏，量子計算領域入門門檻較高，目前僅有中科大、阿里巴巴達摩院、中科院、清華等單位開展了量子計算方面的研發，導致我國在量子計算實用化方面進程緩慢。

2017年5月3日，我國成功研發出世界上第一臺光量子計算機，這標志著我國在量子計算機領域取得世界一流的入場券。該光量子計算機由中國科技大學、中國科學院-阿里巴巴量子計算實驗室、浙江大學、中科院物理所等協同完成參與研發。經初步實驗測試，該原型機的取樣速度比國際同行類似的實驗快約24000倍[4]，比人類歷史上第一臺電子管計算機和第一臺晶體管計算機運行速度快10倍至100倍。

圖1 我國第一臺光量子計算機示意圖

1.2 國外重要進展

由于歐美一直重視基礎學科的發展，因此在量子領域一直走在世界前列。自量子計算機概念被提出以來，歐美學術界和工業界不斷加大資本和人力投入，并取得舉世矚目的重大進展。量子信息科技將引領下一場技術革命，給國家安全、經濟發展、基礎科研等帶來重大變革。

首先，歐美在國家戰略布局層面上顯著高于國內。自2014年以來，歐美研究機構與企業投入力度不斷加大，歐盟于2018年啟動總額10億歐元的量子技術項目，旨在進一步加強歐盟量子領域的力量[5]；9月24日，美國白宮科技政策辦公室（OSTP）會同國家科學技術委員會（NSTC）發布《量子信息科學國家戰略概述》，標志著特朗普政府將量子霸權提升到國家戰略。此外，英國政府投入約2.5億美元在牛津大學等高校建立量子研究中心，培養該領域的頂尖人才，荷蘭政府向國內頂尖大學代爾夫特理工大學資助1.4億美元開展量子計算研究，加拿大政府也資助滑鐵盧大學2.1億美元開展量子領域的研究，澳大利亞政府、銀行等出資8300萬澳元在新南威爾士大學成立量子計算公司。

其次，歐美量子技術研發取得一系列重大突破。在量子芯片方面，美國加州大學圣塔芭芭拉分校在國際上首次實現了9量子比特的超導量子芯片，美國新南威爾士大學成功研發出2量子比特的硅基半導體量子芯片，應該牛津大學則實現了5量子比特的離子阱量子芯片；在量子計算方面，美國IBM公司于2016年5月發布了5超導量子比特的量子計算機，并在2017年將20量子比特的計算機完成了商業化，西班牙巴斯克大學于2016年6月公布了具有9超導量子比特的模擬量子計算機，馬里蘭大學與美國國家標準與技術研究院于2016年8月發布5量子比特的可編程量子計算機[6]。

2017年11月11日，IBM宣布20量子位的商用量子計算機研制成果，并于同年完成50量子位的量子計算機原理樣機。該20量子比特的計算機是商業化版本，其糾纏態量子相干時間較長，穩定性得到極大的增強，平均相干時間提升到90微秒，并具備柔性的擴展設計，可以增加量子位，基于相同技術的50量子位的量子計算機能夠達到更加強大的性能，幫助IBM構建量子霸權。美國哈佛大學的盧金教授，格雷納教授和麻省理工學院的武菜蒂奇教授則在量子模擬方面取得較大進展，他們通過激光捕捉到超冷銣原子，并利用磁場將冷原子進行排序，最終研發出一種51量子位的模擬器，可以實現特定的量子計算。

2 量子計算未來發展展望

目前，量子計算機的產業化和軍事化應用已經進入關鍵時期，世界主要國家和龍頭企業都投入巨大人力和物力開展量子計算方面的研究。我國也十分重視量子領域的發展，期待在本次科技革命中占據先機，因此發布了《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020）》，將“量子調控研究”列為重點方向，計劃在量子保密通信、量子計算等領域開展預研，取得重要的研究成果。近五年來，我國量子領域的研究已經處于國際領先地位，尤其是中科大潘建偉院士領銜的基于量子物理的新型量子保密通信技術。

2.1 軍事應用前景分析

（1）在破解加密算法中的應用

量子技術不僅可以通過糾纏態的不可測技術確保自身通信安全，也可以通過極高的并行度破解現有密碼體系，產生顛覆性的影響。隨著新型計算技術的快速發展，尤其是巨型機、并行計算的發展，使得密鑰加密的破解難度逐漸降低，而對于并行度極高的量子計算，更是可以利用先天優勢，快速破譯以因式分解為數學基礎的傳統密碼體系。例如，傳統的無線網絡WPA-128加密方案，如果使用“量子搜尋算法”進行暴力破解，所需時間不到4分鐘，而傳統摩爾架構的計算機則需要1000年。

（2）在反隱身作戰中的應用

隨著吸波材料計算的發展，隱身戰機也逐步成為未來戰場的顛覆性作戰裝備。而量子糾纏理論則有望突破這一優勢，即基于量子技術的量子雷達可將量子比特調制到雷達波形中，利用糾纏態的光量子產生極其敏感的探測信號，其靈敏度遠高于傳統射頻波段雷達，是未來戰場隱身戰機的終結者。利用光量子則有可能實現高分辨率成像，對對地高分偵察、復合習制導等起到積極作用，并在光路上探測目標圖像，擁有極其可觀的戰場應用需求。此外，光量子信號對環境變化非常敏感，因此也有望在無源導航等方面產生顛覆性影響。

（3）在智能作戰中的應用

由于量子信息領域展現出強大的生命力和顛覆性的物理效能，因此其有望在戰場人工智能、軍事大數據、戰場氣象水文環境偵察、智能聯合指揮控制領域發揮重要作用，是未來戰爭的重要顛覆性技術。因此，必須直面量子技術的機遇與挑戰，才有可能在未來戰爭中占據有利位置。

2.2 國際格局影響分析

量子技術是一種潛在顛覆性技術，需要10年甚至更長時間的培育才能影響到整個世界，但是這種潛在的顛覆性技術關系到我國未來發展，關系到未來數據驅動的國家基礎計算能力，有望幫助我國迅速建立起全域戰略優勢，引領量子信息時代的國際發展。首先，規?；逃昧孔佑嬎銠C的有望滿足未來大數據和互聯網發展需求，對國際政治經濟格局產生重大影響。量子計算作為當前潛在的顛覆性技術，其重要性可以比肩工業革命的蒸汽機和信息時代的數字化計算，能克服現代半導體工藝的熱耗效應帶來的瓶頸，還可以利用量子糾纏實現超越巨型機計算能力的并行計算。因此，商業化量子計算機的應用，有望進一步提高計算速度和海量信息處理能力，有力的支撐生物、核等新領域帶來的計算和仿真瓶頸，從而進一步對國際格局產生影響。其次，商用量子計算機難以在短期內大規模應用，于通用計算機相比還有很大差距，僅僅在相關領域具備顛覆性優勢。

2.3 產業化影響分析

量子計算將突破摩爾定律代表的現代計算機限制，打破現有信息系統產業格局，構建全新的產業體系和生態圈。首先，量子核心產業體系有望重構。作為計算技術的潛在顛覆者，量子計算將通過20年甚至更長時間形成龐大的技術和產品產業鏈，同時形成對應的生態圈，為各領域的發展開辟廣闊空間，帶動包括增材制造、信息與通信、新能源等一大批產業和技術的跨越式發展。量子計算在專業領域展現出的強大計算和模擬仿真能力，也將為密碼破譯、氣象水文、石油勘察、生物制藥等領域提供解決方案，進一步形成新的產業體系。其次，為我國提供引領世界發展潮流的機遇。摩爾時代的計算機興起過程中，歐美國家成為技術和產業的主導者，并長期掌握產業發展的主導權，造成我國在計算機領域發展常年的被動地位。而量子計算技術的發展為我國提供了千載難逢的機遇，我國有望在未來掌握該產業發展的主導權和決策權，從根本上實現量子領域的霸權。

3 結論

本文主要綜述了量子計算領域發展的現狀，對我國量子領域的發展提出了期待。當前，量子領域是我國彎道超車的絕佳時機，考慮到國際上量子計算和量子保密領域的發展步驟，我國應該進一步考慮量子領域的戰略布局，為國家和軍隊發展奠定基礎。

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Review and Prospect of Quantum Computing Techniques

HAO Xiao-xue1*, WANG Ting2, NI Yan3, LI Xiang-yang4, DU Yan-chang4

(1. Unit 66132 of the PLA, Beijing 100000, China; 2. Unit 61212 of the PLA, Beijing 100000, China;3. Offices Administration of the PLA, Beijing 100000, China; 4. Academy of Military Science of the PLA, Beijing 100142, China)

With the rapid development of information technology, how to transmit information securely is a painful problem to be solved. The rapid development of technologies such as supercomputer has made traditional encryption technology more vulnerable and uncontrollable. Since the 1970s, with the introduction of the concept of quantum computing, scientists have carried out theoretical reasoning and test verification of quantum computing, which has a great impact on the field of traditional cryptography, resulting in a solution based on various mathematical encryption is no longer reliable. The world's technological powers such as the United States recognize that quantum computing technology is a key technology that is likely to trigger another major revolution in the social, economic, and military fields. Therefore, they have released their research strategies in the field of quantum, and strive to occupy an important leading position in the field of quantum science. This paper reviews the research status of quantum computing and forecasts the future development of quantum computing based on development predictions.

Intelligent theory; Scientific information; Opportunities and challenges; Military reinforcement

G250.2

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.012

國家自然科學基金項目(61701503)

王婷(1982-)，女，助理研究員，主要從事科研管理；倪琰(1982-)，助理研究員，主要從事科技信息研究；李向陽(1971-)，副研究員，室主任，主要從事科技信息研究，杜彥昌(1982-)，助理研究員，主要從事科技信息研究。

郝曉雪(1982-)，助理研究員，主要研究方向：主要研究方向軍事戰略，外軍情報研究，軍事外交等。

郝曉雪，王婷，倪琰，等. 量子計算領域發展現狀與展望[J]. 軟件，2018，39（12）：51-54