2021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望賽迪顧問·人工智能產(chǎn)業(yè)研究中心2021年5月前言量子計(jì)算是利用諸如疊加和糾纏等量子現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算的一種革命性計(jì)算技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)典計(jì)算技術(shù)無法比擬的巨大信息攜帶量和超強(qiáng)并行計(jì)算處理能力。隨著量子比特位數(shù)的增加，其存儲(chǔ)能力與計(jì)算能力還將呈指數(shù)級(jí)規(guī)模拓展。量子計(jì)算的優(yōu)越性為解決大量新的議題和項(xiàng)目對(duì)計(jì)算能力更加強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)設(shè)備的需求提供了革命性的解決路徑，受到世界主要國家和科技企業(yè)廣泛的關(guān)注。盡管在短期內(nèi)，量子計(jì)算將作為一項(xiàng)基礎(chǔ)研究，尚未能呈現(xiàn)切實(shí)的落地應(yīng)用，但其正在不斷向人工智能、生物醫(yī)藥、金融安全、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域滲透。更重要的是，量子計(jì)算作為一種前所未有的計(jì)算微觀世界的強(qiáng)大工具，將給現(xiàn)有的計(jì)算理論帶來深刻變革，極大加深人類對(duì)物質(zhì)與信息的理解。量子計(jì)算試圖在量子水平上構(gòu)造、控制物質(zhì)系統(tǒng)，其研究過程是人類物質(zhì)科學(xué)質(zhì)的進(jìn)步。作為當(dāng)前最重要的科技領(lǐng)域之一，量子計(jì)算承載著人類對(duì)科技的想象和探索的勇氣，我們應(yīng)當(dāng)對(duì)量子計(jì)算報(bào)以熱忱。量子計(jì)算所能帶來的改變和應(yīng)用的領(lǐng)域還有待持續(xù)地發(fā)掘，站在拓展人類物質(zhì)科學(xué)實(shí)踐的風(fēng)口上，量子計(jì)算將不再是科學(xué)家的遙遠(yuǎn)夢(mèng)想，人類在量子計(jì)算領(lǐng)域的不懈探索使其未來不再遙不可及。1234目錄前言主要觀點(diǎn)0101概念界定及發(fā)展演進(jìn)02概念定義03發(fā)展歷程0402政策資源分布06全球政策及中國政策0703技術(shù)發(fā)展情況09技術(shù)成果10技術(shù)瓶頸1104賽迪預(yù)判12商業(yè)前景13發(fā)展趨勢(shì)141234圖目錄圖1經(jīng)典計(jì)算機(jī)與量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力影響因素4圖2量子計(jì)算發(fā)展歷程5圖3量子計(jì)算商用市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)13表目錄表1全球量子科技相關(guān)政策梳理7表2中國量子科技相關(guān)政策梳理82021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望 1234主要觀點(diǎn)量子計(jì)算為提升算力和降低能耗提供了顛覆性的處理思路，對(duì)量子計(jì)算的研究是突破經(jīng)典計(jì)算的算力極限的革命性科學(xué)嘗試。從概念構(gòu)想到實(shí)驗(yàn)室成果再到商業(yè)價(jià)值初探，探索物理實(shí)現(xiàn)粒子和提高量子比特位數(shù)是全球研究機(jī)構(gòu)及科技企業(yè)追逐的關(guān)鍵。世界主要國家高度重視量子科技發(fā)展，我國充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)以量子計(jì)算為代表之一的量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性。在各國頂層政策催化下，量子計(jì)算在前沿科技領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，科研探索和技術(shù)創(chuàng)新保持活躍，發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。量子計(jì)算存在多種技術(shù)路線以制作出糾纏態(tài)的最基本物理實(shí)現(xiàn)粒子，但尚無任何一種路線能夠完全滿足實(shí)用化條件要求從而推動(dòng)技術(shù)方案等融合收斂。量子計(jì)算目前還處于原型機(jī)研發(fā)階段，對(duì)粒子狀態(tài)的控制是亟需突破的難點(diǎn)。距離實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)?；囿w量子體系的精確制備、操控與探測(cè)還需至少十年的探索周期。若實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)機(jī)制的應(yīng)用，量子計(jì)算有望在10-15年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商用，市場(chǎng)規(guī)模將實(shí)現(xiàn)爆發(fā)性增長，預(yù)計(jì)量子計(jì)算的商用元年在2030年左右，量子計(jì)算商用元年的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到140.1億美元。11234 2021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望01概念界定及發(fā)展演進(jìn)概念定義發(fā)展歷程

“量子計(jì)算為提升算力和降低能耗提供了顛覆性的處理思路，對(duì)量子計(jì)算的研究是突破經(jīng)典計(jì)算算力極限的革命性科學(xué)嘗試。從概念構(gòu)想到實(shí)驗(yàn)室成果再到商業(yè)價(jià)值初探，探索物理實(shí)現(xiàn)粒子和提高量子比特位數(shù)是全球研究機(jī)構(gòu)及科技企業(yè)追逐的關(guān)鍵。2021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望 1234（一）概念定義：量子計(jì)算概念：量子計(jì)算是利用諸如疊加和糾纏等量子現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算的一種革命性計(jì)算技術(shù)。這些量子現(xiàn)象遵循量子力學(xué)規(guī)律通過調(diào)控量子信息單元實(shí)現(xiàn)。以量子比特為基本單位，通過量子態(tài)的受控演化實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，在某些計(jì)算困難問題上提供指數(shù)級(jí)加速。

發(fā)展定位

實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？删幊倘蒎e(cuò)量子計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用；將與經(jīng)典計(jì)算長期共存，相輔相成。原理特性

為計(jì)算困難問題提供高效解決方案，實(shí)現(xiàn)突破經(jīng)典計(jì)算極限的算力飛躍。

應(yīng)用前景量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的區(qū)別：量子計(jì)算機(jī)基于量子力學(xué)原理構(gòu)建，用于處理和計(jì)算量子信息，運(yùn)行量子算法。量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)在基本單位、運(yùn)算模式和計(jì)算能力上存在明顯區(qū)別?；締挝贿\(yùn)算模式計(jì)算能力

經(jīng)典計(jì)算機(jī)信息的基本單元是比特，比特是一種有兩個(gè)狀態(tài)的物理系統(tǒng)，用0與1表示。在量子計(jì)算機(jī)中，基本信息單位是量子比特（qubit），用兩個(gè)量子態(tài)│0>和│1>代替經(jīng)典比特狀態(tài)0和1，每個(gè)量子比特的狀態(tài)是0或1的線性組合（通常稱為疊加態(tài)）。經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算模式為逐步計(jì)算，一次運(yùn)算只能處理一次計(jì)算任務(wù)。量子計(jì)算為并行計(jì)算，因此量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)對(duì)2^n個(gè)數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)重復(fù)實(shí)施2^n次操作。在經(jīng)典計(jì)算中，計(jì)算能力與晶體管數(shù)量成正比例線性關(guān)系；量子計(jì)算機(jī)中算力將以量子比特的指數(shù)級(jí)規(guī)模拓展和爆發(fā)式增長。31234 2021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望圖1經(jīng)典計(jì)算機(jī)與量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力影響因素經(jīng)典計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力運(yùn)算能力線性關(guān)系指數(shù)關(guān)系晶體管數(shù)量量子比特?cái)?shù)資料來源：賽迪顧問，2021，05基于上述優(yōu)勢(shì)，量子態(tài)疊加原理使得1臺(tái)n位的量子計(jì)算機(jī)算力在理論上等同于2^n臺(tái)n位的經(jīng)典計(jì)算機(jī)算力。因此，相較經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)具備“量子優(yōu)越性”。一旦量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大到可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法執(zhí)行的計(jì)算時(shí)，“量子霸權(quán)”由此實(shí)現(xiàn)。（二）發(fā)展歷程：20世紀(jì)80年代量子計(jì)算概念的最初構(gòu)想到20世紀(jì)90年代劃時(shí)代的量子算法編制，再到21世紀(jì)以來商用量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)路徑的孵化成型，經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的積淀與培育，提高量子比特?cái)?shù)和探索物理實(shí)現(xiàn)粒子是科學(xué)界與企業(yè)界追逐的關(guān)鍵。未來，向?qū)嶒?yàn)室外拓展量子計(jì)算，實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)，面向廣泛商業(yè)化應(yīng)用場(chǎng)景是科技浪潮即將奔赴的海岸。42021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望 1234圖2 量子計(jì)算發(fā)展歷程1982-1993理論概念構(gòu)想期1982年，RichardFeynman提出利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的想法，即量子計(jì)算的早期概念構(gòu)想。1985年，DavidDeutsch提出了量子圖靈機(jī)模型，使得通用量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建更加清晰。1992年，DeutschJozsa提出了D-J量子算法，這是量子并行計(jì)算理論的基石。1994-2006實(shí)踐成果初探期1994年，PeterShor提出Shor算法,對(duì)RSA等在內(nèi)的加密算法和系統(tǒng)造成了威脅，成為量子計(jì)算的核心突破。1995年，BenjaminSchumacher第一次提出了量子比特信息學(xué)上的概念，并創(chuàng)造了“量子比特”（qubit）的說法。1996年，LovGrover提出了Grove量子搜索算法，該算法被公認(rèn)為繼shor算法后的第二大算法。1998年，BernhardOmer提出量子計(jì)算編程語言，拉開了量子計(jì)算機(jī)可編程的序章。2007-2013研究開發(fā)活躍期2007年，D-waveSystems實(shí)現(xiàn)了歷史上第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)。宣布研制成功16量子比特的量子計(jì)算機(jī)——“獵戶座”（Orion）。2009年，Harrow、Hassidim、Lloyd提出HHL量子算法。該算法在特定條件下實(shí)現(xiàn)了相較于經(jīng)典算法的指數(shù)加速效果，將在機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)值計(jì)算等場(chǎng)景有優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)。2014-2019商業(yè)價(jià)值孵化期2014年，Google建設(shè)“Google量子人工智能實(shí)驗(yàn)室”，自此專營量子計(jì)算的創(chuàng)業(yè)公司開始出現(xiàn)。2016年8月16號(hào)，墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射升空。2019年1月，IBM公司發(fā)布世界上首個(gè)商用集成量子計(jì)算系統(tǒng)：IBMQSystemOne，這一新系統(tǒng)對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室外擴(kuò)展量子計(jì)算至關(guān)重要。2019年，谷歌發(fā)布論文稱已經(jīng)利用一臺(tái)53量子比特的量子計(jì)算機(jī)，證實(shí)了量子計(jì)算機(jī)性能超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，成為量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展的標(biāo)志性事件，刺激了全球科技巨頭和初創(chuàng)企業(yè)的進(jìn)一步投入與競(jìng)爭(zhēng)。2020-以后技術(shù)應(yīng)用躍升期未來，隨著量子物理比特?cái)?shù)量和質(zhì)量的提升，預(yù)計(jì)到2030年，基于百位量級(jí)量子物理比特，在含有噪聲，即未實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)的條件下，探索開發(fā)相關(guān)應(yīng)用和解決特定計(jì)算困難問題。到2050年，有望實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)，提高量子比特的操縱精度使之達(dá)到能超越量子計(jì)算苛刻的容錯(cuò)閾值（>99.999%），并進(jìn)一步面向更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。51234 2021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望02政策資源分布全球政策與中國政策“全球主要國家高度重視量子科技發(fā)展，我國充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)以量子計(jì)算為代表之一的量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性。在各國頂層政策催化下，量子計(jì)算在前沿科技領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，科研探索和技術(shù)創(chuàng)新保持活躍，發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。2021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望 1234（一）全球政策及中國政策：量子科技是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的必爭(zhēng)領(lǐng)域之一。近年來，美國、歐盟、英國、日本等主要國家和地區(qū)高度重視量子科技發(fā)展，通過出臺(tái)政策文件、成立研究機(jī)構(gòu)、支持量子科技研究等方式加大對(duì)量子科技的規(guī)劃布局和支持力度。表1全球量子科技相關(guān)政策梳理年份國別主要政策2002《量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》2009《量子信息科學(xué)的聯(lián)邦愿景》2015《2015-2019年技術(shù)實(shí)施計(jì)劃》2016《推進(jìn)量子信息科學(xué)發(fā)展:美國的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》2016美國《與基礎(chǔ)科學(xué)、量子信息科學(xué)和計(jì)算交匯的量子傳感器》2018《國家量子倡議法案》2018《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》2018《國家量子倡議法案》2020《美國量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》2015《量子技術(shù)國家戰(zhàn)略——英國的一個(gè)新時(shí)代》2015《英國量子技術(shù)路線圖》2016英國《量子技術(shù)：時(shí)代機(jī)會(huì)》2018《量子技術(shù)》報(bào)告2020《量子信息處理技術(shù)布局2020：英國防務(wù)與安全前景》2016《量子宣言(草案)》歐盟2020《戰(zhàn)略研究議程（SRA）》2020澳大利亞《量子技術(shù)路線圖》2017日本《關(guān)于量子科學(xué)技術(shù)的最新推動(dòng)方向》資料來源：賽迪顧問整理，2021，05在我國，量子科技產(chǎn)業(yè)獲政策持續(xù)支持，已上升為國家戰(zhàn)略。早在2006年發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中，就已經(jīng)提出“重點(diǎn)研究量子通信的載體和調(diào)控原理及方法，量子計(jì)算，電荷-自旋-相位-軌道等關(guān)聯(lián)規(guī)律以及新的量子調(diào)控方法”。2016年，在國務(wù)院《國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》中提出了促進(jìn)“量子信息技術(shù)”發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃。2020年，中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景進(jìn)行第二十四次集體學(xué)習(xí)，習(xí)近平總書記提出“要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢(shì)，下好先手棋”。71234 2021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望表2中國量子科技相關(guān)政策梳理時(shí)間發(fā)布機(jī)構(gòu)政策名稱具體內(nèi)客《國家中長期科學(xué)和技術(shù)重點(diǎn)研究量子通信的載體和調(diào)控原理及方法，量子計(jì)算，電荷-自旋-相位-軌道等關(guān)聯(lián)規(guī)律以及新的量子調(diào)控2006/02國務(wù)院發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020方法，受限小量子體系的新量子效應(yīng)，人工帶隙材料的年)》宏觀量子效應(yīng)。突破光子信息處理、董子通信、量子計(jì)算、太赫茲通2011/07科技部《國家“十二五“科學(xué)和技信、新型計(jì)算系統(tǒng)體系、網(wǎng)構(gòu)軟件、量數(shù)據(jù)處理、智能術(shù)發(fā)展規(guī)劃》感知與交互等重點(diǎn)技術(shù)，攻克普適服務(wù)、人機(jī)物交互等核心關(guān)健技術(shù)。全面突破第五代移動(dòng)通信(5G)技術(shù)、核心路由交換技術(shù)、2015/05國務(wù)院《中國制造2025》超高速大客量智能光傳輸技術(shù)、“未來網(wǎng)絡(luò)”核心技術(shù)和體系架構(gòu)，積極推動(dòng)量子計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等發(fā)展?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)將量子通信和量子計(jì)算機(jī)列為科技創(chuàng)新2030——重大科2016/03全國人大和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)技項(xiàng)目之一。劃綱要》《國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略前瞻布局新興產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)研發(fā)，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“彎道超2016/05國務(wù)院車”。開發(fā)移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)、量子信息技術(shù)、空天技術(shù)，推綱要》動(dòng)增材制造裝備、智能機(jī)器人、無人駕駛汽車等發(fā)展?？萍疾?、教育量子計(jì)算機(jī)研究解決大尺度量子系統(tǒng)的效率問題，研發(fā)量2017/05部、中科院、《“十三五”國家基礎(chǔ)研究子系統(tǒng)、量子芯片材料、結(jié)構(gòu)與工藝、量子計(jì)算機(jī)整體構(gòu)國家自然科學(xué)專項(xiàng)規(guī)劃架以及操作和應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)量子信息的調(diào)制、存儲(chǔ)、傳基金委員會(huì)輸和計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)可實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)。科技部、軍委《“十三五”科技軍民融合積極推動(dòng)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)、量子通信與量子計(jì)算2017/08機(jī)、腦科學(xué)與類腦研究等新一輪軍民融合重大科技項(xiàng)目科技委發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》論證與實(shí)施。《國務(wù)院關(guān)于全面加強(qiáng)基礎(chǔ)優(yōu)化國家科技計(jì)劃基礎(chǔ)研究支持體系，拓展實(shí)施國家重2018/01國務(wù)院大科技項(xiàng)目，加快實(shí)施量子通信與量子計(jì)算機(jī)、腦科學(xué)科學(xué)研究的若干意見》與類腦研究等“科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目”。中央辦公廳、《金融和重要領(lǐng)域密碼應(yīng)大力推動(dòng)密碼科技創(chuàng)新，加強(qiáng)密碼基礎(chǔ)理論、關(guān)健技術(shù)2018/07用與創(chuàng)新發(fā)展工作規(guī)劃和應(yīng)用研究，促進(jìn)密碼與量子技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、國務(wù)院辦公廳(2018-2022年)》物聯(lián)同、人工智能、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)融合創(chuàng)新。量子科技發(fā)展具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值，是一項(xiàng)對(duì)2020/10中央政治局第二十四次集體學(xué)習(xí)傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進(jìn)行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。資料來源：賽迪顧問整理，2021，0582021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望 123403技術(shù)發(fā)展情況●技術(shù)成果 “●技術(shù)瓶頸量子計(jì)算存在多種技術(shù)路線以制作出糾纏態(tài)的最基本物理實(shí)現(xiàn)粒子，但尚無任何一種路線能夠完全滿足實(shí)用化條件要求從而推動(dòng)技術(shù)方案的融合收斂。量子計(jì)算目前還處于原型機(jī)研發(fā)階段，對(duì)粒子狀態(tài)的控制是亟需突破的難點(diǎn)。距離實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)?；囿w量子體系的精確制備、操控與探測(cè)還需至少十年的探索周期。1234 2021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望（一）技術(shù)成果量子計(jì)算存在多種技術(shù)路線以制作出最基本的物理實(shí)現(xiàn)粒子。主流技術(shù)路徑包括超導(dǎo)、離子阱、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、量子光學(xué)以及拓?fù)淞孔拥?。技術(shù)路徑的研發(fā)目的都是為了制作出糾纏態(tài)的最基本粒子。超導(dǎo)和離子阱技術(shù)路線當(dāng)前處于領(lǐng)先地位，受到關(guān)注程度最高，半導(dǎo)體量子點(diǎn)和光量子路線發(fā)展提速，上述四種路徑均已制作出物理原型機(jī)，但拓?fù)淞孔由袩o物理層面的實(shí)現(xiàn)。目前，仍無任何一種路線能夠完全滿足實(shí)用化條件要求從而推動(dòng)技術(shù)方案等融合收斂。超導(dǎo)量子計(jì)算路線超導(dǎo)量子計(jì)算路線利用超低溫“凍結(jié)”粒子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)粒子狀態(tài)的控制。由于超導(dǎo)量子電路的能級(jí)結(jié)構(gòu)可通過外加電磁信號(hào)進(jìn)行調(diào)控，電路的設(shè)計(jì)定制的可控性強(qiáng)。得益于基于現(xiàn)有的成熟集成電路工藝，超導(dǎo)量子電路具有多數(shù)量子物理體系難以比擬的可擴(kuò)展性。谷歌、IBM、英特爾等企業(yè)均在積極開展超導(dǎo)量子比特實(shí)驗(yàn)研究，我國中科大、南方科大、中電科、阿里巴巴、本源量子等公司和研究機(jī)構(gòu)開展了超導(dǎo)線路的研究和布局。量子比特?cái)?shù)近年來穩(wěn)步提升。但超導(dǎo)路線在邏輯門保真度和相干時(shí)間方面存在一定短板，比特見連接的物理布線工藝難度要求將對(duì)著比特?cái)?shù)增加而加大。離子阱量子計(jì)算路線離子阱量子計(jì)算路線在物理比特質(zhì)量和邏輯門保真度等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具備室溫條件工作的優(yōu)點(diǎn)。2020年Honeywell發(fā)布了6量子比特離子阱計(jì)算機(jī)，先后實(shí)現(xiàn)了64和128量子體積，平均單量子比特門保真度為99.97%，雙量子比特門保真度為99.54%；IonQ宣布在32量子比特離子阱量子計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)預(yù)期超過400萬量子體積；我國清華大學(xué)、中山大學(xué)和啟科量子等公司和研究機(jī)構(gòu)開展了離子阱線路的研究和布局。離子阱路線在真空工作環(huán)境要求，門操作時(shí)間指標(biāo)和激光讀寫操控復(fù)雜度等方面存在短板，單平臺(tái)實(shí)現(xiàn)物理比特?cái)?shù)量的大規(guī)模擴(kuò)展也存在瓶頸。半導(dǎo)體量子計(jì)算路線半導(dǎo)體量子計(jì)算路線與現(xiàn)代半導(dǎo)體集成電路工藝兼容，在可拓展性和可集成性等方面具備優(yōu)勢(shì)。2020年英特爾與代爾夫特QuTech共同在Nature上發(fā)表論文，證明了在高于1開氏度下能夠成功控制“高溫”量子比特；澳大利亞硅量子計(jì)算公司（SQC）刷新了有史以來的半導(dǎo)體量子比特的最低噪聲水平，通過將該研究成果與在1微秒內(nèi)讀出量子比特信息的能力相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了雙量子比特門保真度99.99%；我國中科大和本源量子等公司和研究機(jī)構(gòu)開展了半導(dǎo)體線路的研究和布局。但半導(dǎo)體路線物理比特易受環(huán)境噪聲影響且物理機(jī)制復(fù)雜近年來在物理比特?cái)?shù)量等指標(biāo)方面暫無突破性成果。量子光學(xué)路線量子光學(xué)路線在相干時(shí)間、室溫工作、高維糾纏操縱、實(shí)現(xiàn)量子信息系統(tǒng)互聯(lián)等方面具有優(yōu)勢(shì)。我國中科大在光量子計(jì)算研究方面處于領(lǐng)先地位，2020年9月完成了對(duì)50個(gè)光子的玻色取樣，12月構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。但基于離散器件平臺(tái)等光量子計(jì)算探索在比特?cái)?shù)量大規(guī)模方面將面臨困難，上海交大在基于光子集成的光量子芯片領(lǐng)域開展了研究。102021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望 1234拓?fù)淞孔佑?jì)算路線拓?fù)淞孔佑?jì)算路線無需糾錯(cuò)算法，相干時(shí)間長，保真度強(qiáng)。但拓?fù)淞孔游挥布?gòu)建難度大，目前尚無物理層面的實(shí)現(xiàn)。微軟為該實(shí)現(xiàn)路徑的主要研發(fā)企業(yè)，2020年微軟宣布與哥本哈根大學(xué)合作成功實(shí)現(xiàn)了一種重要的、有希望用于拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的材料。這種新材料有可能在沒有磁場(chǎng)的情況下實(shí)現(xiàn)拓?fù)錉顟B(tài)，可用于實(shí)現(xiàn)真正的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。（二）技術(shù)瓶頸量子計(jì)算目前還處于原型機(jī)研發(fā)階段，在技術(shù)上仍面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)，主要包括以下五方面的困難。對(duì)粒子狀態(tài)的控制是亟需突破的難點(diǎn)，距離達(dá)到超越量子計(jì)算苛刻的容錯(cuò)閾值（>99.999%），實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)?；囿w量子體系的精確制備、操控與探測(cè)還有至少十年的探索周期。外界環(huán)境對(duì)于量子的相干疊加態(tài)及量子計(jì)算由于量子計(jì)算機(jī)通常難以避免量子比特退相干出機(jī)計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定性的干擾性較為明顯。因此量子錯(cuò)，引入了糾錯(cuò)機(jī)制，而退相干的糾錯(cuò)機(jī)制，目前還無計(jì)算機(jī)需通過使用超導(dǎo)材料對(duì)抗外界干擾，而這法實(shí)現(xiàn)1個(gè)真正的能夠容錯(cuò)的滿足量子計(jì)算的邏輯比特。些超導(dǎo)材料一般需要在約為0.1開爾文（即零下05攝氏度）的環(huán)境下工作，該溫度低于宇宙星際空間的平均溫度2.73開爾文。此外，在進(jìn)行量子計(jì)算的時(shí)候，隨著量子比特?cái)?shù)量增加，保持量子比特相干態(tài)的難度也在不斷加大。1.擴(kuò)展性2.相干時(shí)3.去相干糾錯(cuò)4.輸入和末5.量子算法間較短態(tài)的測(cè)量由于量子計(jì)算機(jī)容易受外界環(huán)境的影響而導(dǎo)致退相干，因此為保持運(yùn)算結(jié)果的可靠性，量子計(jì)算必須在其發(fā)生退相干之前全部完成。而由于目前相干時(shí)間的上限一般為100微秒，在這極其短暫的時(shí)間段內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)必須完成要量子計(jì)算機(jī)運(yùn)作時(shí)需一定邏輯操作，這對(duì)于量子邏輯門之間的切換把量子比特初始化為一個(gè)標(biāo)速度要求非常高。準(zhǔn)態(tài)，即要求量子計(jì)算的輸入態(tài)是已知的，同時(shí)具備對(duì)量子計(jì)算末態(tài)進(jìn)行測(cè)量的能力。該能力目前還不成熟。

目前的QPU需要依賴經(jīng)典芯片（CPU或?qū)ｉT設(shè)計(jì)的量子比特控制芯片）對(duì)其進(jìn)行操作，目前，量子計(jì)算只能執(zhí)行用于分解質(zhì)因數(shù)的Shor量子算法、用于無序數(shù)據(jù)庫搜索的Grover量子算法等有限的量子算法。111234 2021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望04賽迪預(yù)判商業(yè)前景發(fā)展趨勢(shì)“若實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)機(jī)制的應(yīng)用，量子計(jì)算有望在10-15年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商用，市場(chǎng)規(guī)模將實(shí)現(xiàn)爆發(fā)性增長，預(yù)計(jì)量子計(jì)算的商用元年在2030年左右，量子計(jì)算商用元年的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到140.1億美元。2021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望 1234（一）商業(yè)前景當(dāng)前，量子計(jì)算市場(chǎng)主要集中于研發(fā)環(huán)節(jié)。若實(shí)現(xiàn)量子比特質(zhì)量、量子糾錯(cuò)算法、量子比特控制等核心挑戰(zhàn)的突破，未來市場(chǎng)規(guī)模將實(shí)現(xiàn)爆發(fā)性增長。量子比特位數(shù)、量子體積、量子相干時(shí)間等參數(shù)對(duì)于預(yù)測(cè)量子計(jì)算商業(yè)化元年具有較高的參考價(jià)值：1當(dāng)量子比特位數(shù)達(dá)到100-1000位后，量子計(jì)算機(jī)有望能夠執(zhí)行一些具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值的算法；2當(dāng)錯(cuò)誤率由0.1%減少到0.01%后，將帶來“量子體積”的明顯增長，預(yù)示量子計(jì)算機(jī)得以商用；3若量子相干時(shí)間提升至高于1ms，量子計(jì)算機(jī)將有進(jìn)入商用的可能。綜上，并結(jié)合量子計(jì)算所需的物理學(xué)基礎(chǔ)與算法基礎(chǔ)，量子計(jì)算有望在10-15年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商用，預(yù)計(jì)量子計(jì)算的商用元年在2030年左右。以2030年為量子計(jì)算商用元年，預(yù)計(jì)2030年全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到140.1億美元，并以30%左右的增速平緩上漲，至2035年預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到489.7億美元的量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模。圖3 全球量子計(jì)算商用市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)60050040030020010002030年E 2031年E 2032年E 2033年E 2034年E 2035年E量子計(jì)算機(jī)市場(chǎng)規(guī)模（億美元）數(shù)據(jù)來源：賽迪顧問，2021，05131234 2021量子計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新與趨勢(shì)展望（二）發(fā)展趨勢(shì)量子計(jì)算作為量子科技的重要應(yīng)用之一，在面向“十四五”乃至更長遠(yuǎn)的未來，有望成為中國在全球科技產(chǎn)業(yè)中“換道超車”、掌握尖端技術(shù)話語權(quán)的重要核心技術(shù)。量子計(jì)算尚無專利壁壘，當(dāng)前搶占技術(shù)入口將獲得至關(guān)重要的議價(jià)權(quán)。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)體系內(nèi)，計(jì)算芯片設(shè)計(jì)與制造的核心技術(shù)掌握在科技巨頭公司手中，并處于壟斷地位；而在量子計(jì)算領(lǐng)域尚未形成壟斷性巨頭公司或者較高的技術(shù)專利壁壘。

0102相較于量子通信，量子計(jì)算的技術(shù)突破難度較高，由于量子計(jì)算極易被環(huán)境熱量或波動(dòng)干擾致使計(jì)算結(jié)果03出錯(cuò)，因此量子糾錯(cuò)算法對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性極其重要，而提升量子比特的測(cè)控精度是量子