近十余年来，量子计算技术无论在理论还是应用方面都取得显著进步。研究者们普遍估计，量子计算将在不久的将来实现质的突破，并可能引发下一场科学技术革命。本文对量子计算领域中的超导量子计算、量子点量子计算、拓扑量子计算等热点的研究现状进行了分析，并对量子计算的未来发展趋势进行了展望。
一、量子计算技术概况
量子计算是指利用纠缠的量子态作为信息载体，利用量子态的线性迭加原理进行信息并行计算的方案；量子计算对某些问题的处理能力大大超越经典计算。
量子计算机具有极高的并行计算能力，可以将经典计算机几乎不可能完成的某些计算难题，诸如大数分解、复杂路径搜索等，在可接受的时间内予以解决。以量子计算为基础的信息处理技术的发展有望引发新的技术革命，为密码学、大数据和机器学习、人工智能、化学反应计算、材料设计、药物合成等许多领域的研究，提供前所未有的强力手段，对未来社会的科技、经济、金融，以及国防安全等产生革命性的影响。在国际上，有人甚至将量子计算提到了“量子霸权”的高度。
二、国外发展现状
（一）战略层面布局
1、美国
美国已经在量子计算领域完成战略布局，在理论研究方面推进量子信息科学（quantum information science）的学科建设，在应用技术层面以研发高性能计算系统（high-performance computing）为牵引，重点突出量子计算硬件设备发展。目前，上述两项工作都被提升到国家战略层面，正处在加速推进落实的过程中，并已经取得了若干阶段性成果。2017年5月，美国高级情报研究计划局（IARPA）启动了“增强型量子计算机”研发项目。这一名为“量子增强优化”（QEO）的项目旨在研发可用于加快机器学习算法训练、支持较大电路故障诊断、加快多机器处理多任务优化调度的技术。2017年11月，美国能源部（DOE）科学办公室为橡树岭国家实验室（ORNL）量子信息科学研究组的两个小组授予1050万美元，用于评估量子结构在解决重大科学问题方面的可行性，并且开发能够利用大功率量子计算的系统算法。
2、欧洲
欧洲早在2008年9月，欧盟就发布了关于量子密码的商业白皮书，启动量子通信技术标准化研究，联合了来自12个欧盟国家的41个小组成立了SECOQC工程。2016年4月，欧盟委员会正式宣布启动总额10亿欧元的量子技术项目，投资“量子旗舰”计划。该计划更加全面地包括了量子计算、量子通信等量子技术，目的是“使欧洲在第二次量子革命中占据领先地位，给欧洲的科学、工业和社会带来变革性的进步”。“量子旗舰”计划是“欧洲云计划”的一部分，后者将向欧洲170万名研究人员和7000万名技术专业人员提供一个虚拟环境，用于存储、管理、分析和重用海量研究数据。欧盟表示，此前已经对量子技术提供了长达20年的长期支持，总投资额度目前已达5.5亿欧元。
（二）技术层面进展
量子计算概念提出至今，实验方面历经了从单个量子比特到约十个量子比特（不算D-Wave等的量子模拟或退火装置）的发展过程。相对于最终做成实用化普适量子计算机的目标，目前仍然处于原理演示的探索性研究阶段。但近年来在超导量子计算、量子点量子计算、拓扑量子计算等方案上所取得的进展，向人们展示了量子计算时代即将来临，引起了学术界、工业界和政府组织的高度重视。一些国家政府的大力推动和国际大公司的积极参与，成为了这一领域发展的风向标。
1、超导量子计算
超导量子计算是目前最被看好的量子计算方案之一。1999年首次在超导器件中实现了量子相干演化以来，超导量子比特和量子电路的研究取得了快速的进展，已成为实现可扩展量子计算的一个优选方案。电路从早期的单比特电路到双比特电路，发展到现在的10个量级的多比特电路；单个超导量子比特的量子相干保持时间-退相干时间增加了6个数量级，可以实现103-104个操作；量子相干操控，从早期验证超导量子比特电路中的量子特性、单比特或双比特电路上量子计算所必须的各种量子操作，发展到在包含多比特的电路上，实现部分量子纠错和进行一些量子算法的演示。相信在不远的将来，专门设计的，包含几十到一百个左右量子比特的超导电路，可以在特定的算法上演示超越经典大型超级计算机的能力。
目前，超导量子计算技术及其科学问题的研究，不仅得到各国学术界的高度关注，某些国际大公司也已经开始实质性地支持相关研究。最引人注目的是谷歌将目前实力最强的超导量子计算研究团队—UCSB Martinis组纳入其超导量子计算机研制计划，以期实现量子霸权。谷歌还与哈佛大学、劳伦斯伯克利国家实验室、塔夫茨大学、伦敦大学等众多研究机构展开合作，期望在量子化学计算领域取得实质突破。半导体巨头因特尔公司，与荷兰Delft大学Dicarlo研究组合作，将最先进的半导体技术结合到超导量子电路中，引人注目。IBM公司和NIST合作，最近在网上推出5个超导量子比特的“云量子计算”平台供研究人员使用。
欧盟启动了高达10亿欧元量子计算研究计划，以使欧洲“在量子计算研究中处于领先地位”，提出了“第二次量子革命”的口号，超导量子计算也是其中一个重要部分。日本NEC的实验室最早实现超导器件量子相干演化，Riken/NEC和NTT以及东京大学的研究团队，在超导量子比特研究中也做出过显著的成果。加拿大的D-wave公司已经推出基于退火算法的，宣称是超导量子计算机的产品。虽然业界对其能否具有量子加速效应持否定的态度，但是这样一个初创小公司在十年左右的时间推出可以进行快速计算的产品，也说明了超导技术的优势。
2、量子点量子计算
半导体量子点是指三维空间受限的半导体纳米结构。纳米尺度下的量子限制效应造成其类似原子的分立能级，因此，半导体量子点也被称为“人工原子”。通过控制量子点的形状和大小可以有效地调节其能级结构，从而极大地扩展了半导体器件的应用领域。近年来，半导体量子点在量子计算和量子信息方面的研究备受人们的关注，并且已经取得了一系列的重要进展。
半导体量子点量子计算是另一个被看好的发展方向。这个方向上的先驱研究团队是原哈佛大学（现哥本哈根）的Charles Marcus、荷兰代尔夫特理工大学的Lieven Vandersypen，日本东京大学/RIKEN的Seigo Tarucha等的研究组。相当长的一段时间内半导体量子计算的量子比特数停留在几个比特的水平上，但基于高纯硅材料和成熟半导体工艺技术，有望发展出可规模化的半导体量子芯片。英特尔公司于2015年宣布资助荷兰代尔夫特理工大学QuTech量子研究所，从事硅量子点自旋量子计算等方面的研究并取得进展。
3、拓扑量子计算
拓扑量子计算是目前国际上量子计算领域公认的几个主要方案之一。拓扑量子计算是在量子系统整体拓扑性质的保护下，通过非阿贝尔任意子的编织操作，实现对量子信息的存储和处理，有望从根本上解决因环境噪声导致的量子态退相干等问题。拓扑量子计算的概念于上世纪末提出。由于拓扑量子计算基础理论的重要性和可行性，一些理论先驱者获得了狄拉克奖章、巴克利奖等多个国际学术界重要奖项。拓扑量子计算的关键是寻找遵从非阿贝尔统计的任意子，并构建拓扑物理系统。美国、欧洲、日本等国家的顶尖研究机构，已经对此进行了大量的理论和实验研究，提出了多种可能的实现方案。这些方案包括分数量子霍尔系统、内秉拓扑超导体、半导体与超导的复合系统、量子自旋液体等。
原贝尔实验室和微软公司一直在推动拓扑量子计算的研究，后者还专门为此成立了研究机构Station-Q。最初探索的重点是利用二维电子气的5/2等分数量子霍尔态开展拓扑量子计算。但实验进展一直停留在验证5/2分数量子霍尔态的准粒子激发是否有效电荷为e/4、是否满足非阿贝尔统计等问题上。由于从事这方面的研究门槛太高，对二维电子气材料质量和测量条件的要求太过苛刻，国际上能够开展这方面研究的实验组并不多。近年研究表明，在具有强自旋轨道耦合的半导体纳米线或薄膜、拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应系统等体系中，通过超导近邻效应都有可能得到拓扑超导态，从而实现具备非阿贝尔统计的马约拉纳准粒子这种任意子。正是这些方案的提出大大拓展了拓扑量子计算实现的可能途径，是目前量子计算关注的焦点之一。
近年来，荷兰、丹麦、瑞典和美国等国家，在具有强自旋轨道耦合的半导体纳米线、拓扑绝缘体和铁原子链中，观察到马约拉纳零能模存在的实验证据，使得这个领域进入白热化。由于拓扑量子计算的重要性和近年来实验方面的快速进展，西方发达国家近期对相关研究给予了巨额资助。荷兰投入了超过1亿欧元的研究经费，美国也启动了名为“马约拉纳工厂”的巨型研究项目。微软公司自本世纪初持续资助拓扑量子计算方面的研究，从最初的分数霍尔态到现在的半导体与超导的复合系统，都在大力推动。2016年11月，他们宣布在拓扑量子计算上的投资加倍，联合荷兰、丹麦、瑞士、澳大利亚等国家的研究组扩展微软的研究机构Station Q，大力推进拓扑量子计算机的研制。
从目前的发展趋势看，拓扑量子计算仍然处在初期阶段，研究基础有待成熟，有望在随后的几年内取得突破性进展。符合非阿贝尔统计马约拉纳零能模，已经在多个系统中发现，众多研究组正在寻求对其进行操控和调制，一旦成功，将实现第一个拓扑量子比特。由于其受拓扑保护的特性和可扩展性，其成功将大大推动拓扑量子计算机的实现。
三、量子计算发展趋势
（一）将被广泛应用于未来军事装备
量子计算能够满足海量信息存储与处理、武器装备研制、战场态势分析与数据传输、信息安全、重大科学问题研究对计算速度不断提高的需求，一旦突破将引发新的科技发展浪潮。量子物理与计算科学第一次大规模结合的直接原因就是研制核心武器的需求。互联网技术的诞生最初就是为了在计算弹道的大型计算机之间传输数据。
未来量子计算能为军事复杂问题提供高效的解决方案，有效支撑先进武器装备研制和国防安全对高性能计算的需求。除了通过建模和模拟功能确保核武器安全可靠性、加速高科技武器研发、解决新材料问题，使下一代原子钟准确度提高10倍，从而大幅提高定位、导航、预警和精确打击能力。量子计算能力与人工智能、大数据分析等技术结合，还将在战场计划、组织决策、精确后勤保障等方面发挥巨大作用，甚至有可能改变未来战争的形态。在信息安全领域，量子计算机强大的并行处理能力使现有RSA公开密钥体系无密可保，这对基于经典保密系统领域的信息安全构成了根本性的威胁。此外，基于量子力学的测不准原理，量子计算技术将提供一种理论上绝对安全的量子密钥分配方案。
（二）将成为未来信息技术的战略制高点
量子计算是计算机技术的重要发展方向，是未来信息技术的战略制高点，是未来信息安全对抗的核心技术。目前量子计算机的研究可以分为2个方向：专用量子计算机（量子模拟器）和通用量子计算机。
专用量子计算机商业化进程进一步加速。专用量子计算机只是针对特定算法的专用硬件，但由于量子模拟在现有技术条件下较容易实现，其有望成为量子计算机领域首先得到实用化的技术，是实现量子计算机道路上的中间目标。
量子计算技术发展的最终目标是实现大规模通用量子计算机，但其实用化尚需时日。近几年，随着量子计算硬件技术快速发展，中小规模量子比特集成、高保真高速量子逻辑门、长时间量子存储等核心技术不断突破，大规模通用量子计算已初见曙光。根据美国《量子信息科学技术路线图》2.0版的预测，未来5～10年内，可能出现超越现有运算能力的量子计算机；未来20年内，有可能出现实用化的大规模通用量子计算机。
（来源：北京航天情报与信息研究所，刘秀、赵飞）
发表于 2018-7-10 04:38
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