量子计算技术研究及应用探索分析-

量子计算技术争辩及应用探究分析的进展状况。关键词：量子计算；技术争辩；应用探究引言大领域[1]方案。近年来，随着量子计算原理样机和试验平台科研的快速进展，量子计算优越性的试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争辩、工程研发、应用探究和产业构建为一体的全方位进展格局。近年来，全球多个国家/量子信息技术，尤其是量子计算领域的进展，纷纷接受出台政策法案、制定量子方案、成立争辩机构、支持企业进展等措施，乐观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，对最新争辩成果进行了总结并探讨了技术进展趋势，并争辩了量子计算在若干场景中的应用探究进展状况。国内外政策布局美国在量子计算领域具有深厚的争辩基础，其进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。2002年，美国连续颁布《量子信息科学国家战略概述》《国家量子方案法案》等方案法案[4]，确立以国家量子协调办公室（NQCO）为统筹中心、为10年的国家量子方案；2023年，白宫发布《关键与新兴[5]NQCO颁布《美国量子网络战略愿景》[6]；20233月，白宫颁布《国家安全临时战略指南》和军事平衡，同年62023年美国创新与竞[8]十大关键技术。美国量子计算呈体系化进展模式，重视战略部署、顶层设计以及路线规划，实行建立有效协作机制、成立委员会、资助争辩机构等措施，充分发挥战略科技力气优势，估计将来几年将持续加大投入。欧洲对于量子计算的争辩起步也较早，大力推动技术及应用产业进展，各成员国乐观响应2016年，欧盟委员会推出《量子宣言（草案）[9]，提倡尽早实施量子技术旗舰方案年，量子技术旗舰方案正式实施，投资约10 亿欧元方案为期10 年年初量子技术旗舰方案发《欧洲量子计算和量子模拟基础设施白皮书》[10]，阐述当前欧洲量子计算技术的进展状况与将来规划，进展时间表如表1所示英国国家量子技术方案横跨量子计算通信、计时传感和成像等多个领域德国于2018年启动QUTEGA国家量子方案[11]，重点关注包括量子计算在内的多个争辩领域。荷兰于2023年发布QuantumDeltaNL（QΔNL）方案，争辩集中在量子计算、量子模拟、量子网络和量子传感应用等方面。欧洲各国乐观制定量子计算相关方案，系统、具体地规划欧洲量子计算领域的进展，部署诸多争辩项目，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进展时间表2016“十三五”国家科技创新规划》，将量子计算列入2030[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将来产业；2023年，国家颁布《中华人民共和国国民经济和社会进展第十四2035[14]科技力气、整合优化科技资源配置等多个方面对量子信息进展进行规划。我国的量子计算争辩起步较晚，但重视程度渐渐加大，近年来在多个方向实现突破，将来也将持续加大量子硬件争辩、量子软件开发等方面的支持力度，持续完善布局。技术争辩进展香农容量极限等面临算力提升的问题。经过近40 年的进展，量子计算技争辩取得诸多成果。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进展较为快速的路线，核心单元是“超导体-绝缘体-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，目前国内外接受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IBM127量子比特处理器Eagle、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规律门难以实现等问题，PsiQuantumXanadu、上海交大、中科大等企业与高校正在开展相关争辩，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“九章二号等[16]。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IonQ、中科院、清华高校、启科量子等在进行离子阱研发年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、易受环境影响，日本理化学争辩所、中科大、本源等均在进行相关争辩，2023 年中科大实现硅基自旋量子比特的超快操控[17]。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分散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（量子比特争辩者包括ColdQuantaAtomComputing、哈佛高校、麻省理工学院等，2023年ColdQuanta推出100+量子比特处理器 Hilbert，Atom Computing 推出量子系统Phoenix，2023年哈佛高校呈现289量子比特中性原子量子处理器在解决实际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进展趋势，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3种路线进展较为NV色心将来可期，不同技术路线的规律门操作存在肯定差异，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进展路径的差异。总体而言，量子硬件的进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Intermediate-Scale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IBM、谷歌等3年左右有望实现数千量级的物理比特，在量子比特数达到肯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进展，由物理量子比特向规律量子比特过渡。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肯定的不确定性，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,的远期目标努力。软件算法方面，且均有肯定成果。国外应用广泛的包括IBMQiskitCirqFeynmanPAQSDeutsch-Jozsa算法是为了呈现量子计算优ShorGrover则被证明有望成为解决实际问题的两类算法。IBMQiskitCirq等。综上所述，量子软件的进展还需重视应用生态的培育。量子算法的主要争辩难点在于需要结合量子本身的特法需要硬件的支持以便进行测试对比，以便验证算法的优子算法优化的相关争辩。应用探究现状则可能用于生物制药、分子化学、能源争辩等领域。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进展起来的开展乐观的争辩探究。（Quantum学习任务开发量子算法。2023年，IBMQiskit编程平台0.25版本[18]，在现有功能基础上对其应用程序库进行重组扩展，包括量子机器学习应用模块，可用于不同应用，包括（Quantum（QuantumNeuralNetworks）。自然语言处理（NLP）作为一项重要的人工智能技术,未2023年，剑桥量子计算公司完成量子自然语言处理应用的一次验证，使用自然语言的“本征量子”结构通过将带语法的语句转译成量子线路，在真实的量子计算机上实现所得程序，并得到问题的解答。2023年，Quantinuum呈现量子自然语言处理任务力量，主要用于机器翻译、舆情监测、自动摘要、观点提取、文本分类、问题回答、文本语义对比、语音识别、文字识别等方面，试验基于IBM量子电路，同时将词义嵌入为量子态，量子态依据句子的语法结构“纠缠”在一起。IBM、百度等及使用更多数据集等。量子计算+量化金融随着多样化金融服务的普及，金融行业的经营模式、基础框架与产业模式也在经受重大变革，对于算力的要求也越来越高，目前已有多家金融机构开头探究量子计算应用。波士顿询问集团认为，金融可能是量子计算应用最先受益的行3个方向：投资组合优化等属于优化类别，期权定价和投资组合风险等属于模拟定价类别，（机器学习优化方面，经典计算机很难有效地确定投资组合的最佳选择，在量子计算机上实现量子优化算法有很多不同的方法，例如基于量子退火的算法、基于门的量子算法以及基于张量网络的量子启发模型等，这些方法可以为执行大额交易指令选择最佳交易路线，为同一资产在不同市场不同价格中供应最佳套利机会。2016年，1QBit利用D-Wave系统量子退火算法，在最佳交易路线的选择方面，解决了一个离散多周期投资组合优化问题2023年澳大利亚联邦银行与Computing 合作，联合构建专用量子模拟器软件系统，进行量子优化投资组合试验。模拟和定价方面，经典方法接受简化场景，例如蒙特卡洛模拟，但随着衍生品数量的急剧增长，计算成本变高，执行时间过长，量子蒙特卡洛算法有望解决该问题。2023Xanadu2023“量子期权定价算法”与“量子风险价值计量算法”等。简单问题分析方面，量子计算可用于欺诈猜测以及信用评分，打击日渐猖獗的信用卡欺诈、即时汇款欺诈、税务欺诈及洗钱行动，增加交易网络的安全性，爱护消费者权益。2023年，IBMIBMz16系统，集成了芯片上人工智能加速器——供应延迟优化的推理，旨在让客户能够大规模分析在国内，图灵量子推出信用卡欺诈预判模块，供应一种适用于高维数据集的信用卡反欺诈途径。金融领域是量子计算一个重要的应用探究方向，国内外金融机构纷纷进行布局，最常见的合作模式是金融机构分别或者由金融机构直接投资量子企业以获得第一手相关数据，合作实行的措施一般是针对某类金融问题提出量子解决方金融领域产生真正影响可能仍需时日。量子计算+化学工业计、生物制药、材料研发等。化学工业与催化剂设计方面，一般接受量子化学模拟技术对化学分子进行模型构建，争辩微观物理中的相互作用。在国外，2023年，谷歌团队在“悬铃木”上使用12量子比特模拟二氮烯的异构化学反应在国内年华为发布量子化学应用云服务HiQ2.0 模拟器,可模拟乙烯、氨气、甲硅烷等分子基态能量； 2023 年本源量子推出量子化学应用能够可视化构建分子模型快速模拟基态能量、扫描势能面、争辩化学反应,以图形化方式呈现量子计算结果。生物制药方面，传统药物研发流程需要遵循既定路径来查找新药的最佳候选药物，分别依次进行计算建模、筛选有期望的候选药物以及对候选药物进行试验，确定是否真的具有目标特性，这一过程虽有效，但过程极为缓慢且费用极高。量子计算能够用于模拟候选药物与体内靶点之间的相互作用，其与人工智能的相互协作，利用人工智能的自动化使数据收集的成本更低且更牢靠，在只选择少量候选药物的条件下，有选择地评估药物特性，并训练模型猜测全部剩余候选药物特性，从而快速筛选大量药物。2023 年，ProteinQure与阿斯利康合作，利用量子算法+机器学习+化学分子模拟组合优化，研发基于蛋白质组合模型的多肽类药物并且构建应用于治疗的肽库，发挥了多肽类药物对某些疾病靶标的独特效力。模拟速度并对更简单的材料进行功能模拟。20233月，Qu&Co发布专为化学和材料科学设计的量子计算平台QUBEC11QSimulate联合推出费米量子仿真器（FQE），该仿真器利用化学、材料和分散态物质系统中常见的对称性，在模拟费米子量子电路时获得了显著的性能增益。量子计算在基于量子体系的化学模拟方面具有自然 优势，对于化学领域的潜在影响可能主要体现在提高设计效潜力较大。进展趋势展望技术趋势方面，量子计算技术进展近几年取得诸多成果，但总体仍处于基础争辩向应用争辩转化的早期阶段。前超导、光量子路线已试验性地呈现了量子计算的优越性即验证特定问题的量子计算力量超越经典计算，这类试验有重要的科学价值，但仍需进一步探究解决应用问题的有用化案例，下一进展阶段的争辩重点在于使用NISQ 计算处器解决实际应用问题，同时远期目标在于设计并实现大规可容错的通用量子计算机。量子计算技术进展趋势分析主围绕解决量子纠错、混合架构计算机争辩、大规模可容错用量子计算机研制以及软硬件与算法研发等问题。NISQ阶段，量子计算机子计算领域的下一个里程碑。适合量子计算和经典计算的部分分别交给量子处理器与经典处理器进行处理，这种协作模式有助于依据计算任务特点，有针对性地提升计算速度。在通用量子计算机方面，大规模可容错可编程的通用子计算机将用于解决各类实际计算问题。通用量子计算机为量子计算进展的远期目标，需要拥有数百万物理量子比特，其计算错误率要达到与经典计算机近似的程度，研制程中需要克服诸多技术以及工程方面的困难，包括物理量比特规模、规律量子比特实现、可扩展性、工程化问题等业界对通用量子计算机何时可以研制成功的预期存在不同观点，估计仍需