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智库报告

赛迪数据|中国量子计算发展现状与对策

赛迪顾问

2019-09-23 10:52  来源:澎湃新闻

量子计算是一种基于量子力学的、颠覆式的计算模式,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。未来,量子计算可用于基础科研、化工、能源、材料、人工智能、信息安全、加密通信、太空探索等领域,对各国科技创新、产业发展乃至经济社会的各个方面带来颠覆性影响。因此,全球主要发达国家和科技巨头企业纷纷加码布局量子计算,技术研发和应用创新不断提速。我国在量子计算研发领域发展较快,在产业化应用方面取得了阶段性成果。
量子计算的内涵与发展历程
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,以及量子比特、量子叠加和量子纠缠等几个基本概念。量子计算是以量子比特为基本单元,通过量子态的受控演化实现数据存储的一类计算技术,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。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。与经典计算相比,量子计算具有并行计算能力更强和能耗更低两大主要特点。
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。二是20世纪90年代的编码算法研究时期。三是21世纪以来的技术验证和原理样机研制阶段。
量子计算技术与发展路线图
量子芯片即为量子计算机的物理实现与硬件系统。1982年,美国物理学家Feynman首次提出将量子力学理论与计算机技术相结合的概念。3年后,英国牛津大学的Deutsch团队对量子计算机的概念进行了进一步阐述,并提出研究如何由量子逻辑门构成逻辑网络是实现通用量子计算机的核心。
量子算法即为便于控制并使用通用量子计算机,而利用量子计算机程序设计语言作为人与量子计算机之间传递信息的媒介。现有量子算法一般固化于专用量子计算设备中,主要有两类:第一是舒尔算法。1994年,美国麻省理工贝尔实验室数学家彼得•舒尔(Peter Shor)提出一个针对整数分解问题的量子算法,将因子分解问题转化成周期问题,并使用量子手段来搜寻这个周期。第二是格罗弗算法。1996年,同在麻省理工贝尔实验室的格罗弗提出了格罗弗搜索算法(Grover’s Algorithm),该算法亦是概率性的,其实现基于概率幅放大。
虽然量子计算各种物理实现的原理性验证发展迅速,但国际上公认短期内无法实现量子通用计算机。量子计算的发展预计将被分为近期量子霸权、中期量子模拟计算机与远期量子通用计算机三个阶段。
国际量子计算发展
全球各主要国家纷纷加码布局量子计算。美国从上世纪90年代开始将量子信息技术作为国家发展重点,在量子相关学科建设、人才梯队培养、产品研发及产业化方面进行大量布局,政府每年对量子计算领域的支持在2亿美元以上。英国已启动“国家量子技术计划”,计划投资超过10亿英镑建立量子通信、传感、成像和计算四大研发中心。德国提出“量子技术——从基础到市场”框架计划,推动实现量子技术产业化。日本于2013年成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构,称将在未来10年投入400亿日元支持量子技术研发。韩国重点发展量子通信领域,于2014年发布《量子信息通信中长期推进战略》,旨在2020年成为全球量子通信领先国家。
全球量子计算技术与产业发展水平不断提升,主要表现在三个方面。第一,全球量子计算领域研究水平不断提升。2000年至2017年,量子计算论文数年均增长10%。1998年至2004年量子计算专利申请量剧增。受谷歌研究的基于超导的量子计算机带动,2014年至2016年全球专利申请数再次大幅上升。第二,美国综合实力强劲,处于产业领先地位,欧洲发展较为迅猛,日、韩、澳等国均处于跟随位置。第三,产业巨头开展全球合作,推动技术与应用加速发展。谷歌、IBM、英特尔等巨头与耶鲁大学、麻省理工学院、加州大学等科研机构联合攻关共性技术。戴姆勒使用谷歌量子计算机针对未来出行方案提供解决方案。
我国量子计算发展
为抢占量子技术革命的制高点,我国先后启动“自然科学基金”、“863”计划和重大专项,支持量子计算的技术研发和产业化落地。目前,我国主要以科研机构、高校开展的理论研究为主,核心论文数量、研究机构数处于世界前列,基础研究能力仅次于美国。尤其在多光子纠缠领域,一直保持国际领先地位,已经实现18个光量子的纠缠,国内第一台“波色取样”在特定任务上超越最早期两台经典光量子计算原型机。阿里巴巴、腾讯、百度和部分ICT企业也积极参与产业生态建设,纷纷建立相关实验室。
我国量子计算发展面临的问题与挑战
目前我国通往通用量子计算时代的道路仍然极为坎坷,存在诸多问题与挑战。首先关键技术研发仍属起步阶段,与国际水平存在差距。在量子计算机硬件、软件等各方面仍然存在重大技术障碍。其次,市场尚在培育阶段,商用条件苛刻且成本高,未来应用场景模糊,技术距离应用落地尚有很大距离。第三,与国外企业相比,我国企业参与度较低,在量子计算的技术累积、研发投入以及产业发展方向方面缺乏全面布局,将继续保持跟跑态势。第四,我国人才体系单一、集中,主要集中于中科大、清华、浙大等高校的研究团队。中高层人才数量严重稀缺,人才知识结构单一,而高校缺乏针对量子计算技术发展的系统化学科布局和建设。
对策建议
加强前沿科技领域产业化布局,培育一批量子计算领域的骨干企业,支持企业跟踪国际先进技术发展动态。加大对关键核心领域的研发支持,完善产学研协同创新机制,采取积极财政政策提供资金支持。前瞻布局高校在量子计算方向学科建设,培养一批本土的高端技术人才队伍,通过政策导向集聚全世界最优秀的相关专家。积极构建量子计算应用生态体系,鼓励行业龙头企业发挥牵头带动作用,并支持产业上下游企业通过参股合资、长期战略合作等形式,畅通资源和信息对接渠道。支持企业、行业协会、科研机构等深化合作,成立量子计算联盟,共同开展量子计算关键共性技术研究。
责任编辑:柴宗盛
校对:张亮亮
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