一文了解2018全球量子計算研發概況
量子計算機有望以現有超級計算機數百萬倍的速度進行復雜計算。通用量子計算機一旦實現，將對通信安全、導航、成像以及人工智能、生物製藥、新材料研發等諸多領域產生顛覆性影響，帶來國家安全和社會經濟發展的極大變革。
近年來，世界科技強國開始高度重視量子計算研究，紛紛發佈自己的量子信息科技戰略，旨在搶佔下一輪科技發展的制高點，爭取早日實現“量子優勢”（又稱量子霸權）。當前，量子計算研究進入爆發期，並開始出現了實際應用。本文將從論文產出、專利產出、量子芯片開發等角度入手，考察2018年全球量子計算領域研發概況。
一、世界主要國家量子計算戰略
美國
美國是最早將量子信息技術列為國防與安全研發計劃的國家。早在2002年，美國防部高級研究計劃局（DARPA）就制定了《量子信息科學與技術規劃》，並於2004年發佈2.0版，給出了量子計算髮展的主要步驟和時間表。2008年，DARPA斥巨資啟動名為“微型曼哈頓計劃”的半導體量子芯片研究計劃，甚至將量子計算研究列為與原子彈研製同等重要的高度。
近年來，隨著中國等新興國家在量子信息技術領域的快速進步，美國愈發重視量子信息技術的發展。2016年7月，美國國家科學技術委員會發布《推進量子信息科學：國家的挑戰與機遇》報告，認為量子計算能有效推動化學、材料科學和粒子物理的發展，未來有望顛覆人工智能等諸多科學領域。2018年6月，美國眾議院科學委員會高票通過《國家量子倡議法案》，計劃在10年內撥給能源部、國家標準與技術研究所和國家科學基金12.75億美元，全力推動量子科學發展。
《國家量子倡議法案》封面
歐盟
作為量子理論的發源地，歐洲高度重視量子信息技術對國家安全、經濟發展等方面的影響，投入眾多資源大力發展相關技術。2005年，歐盟發佈《歐洲研究與發展框架計劃》（第七框架計劃）並提出專門用於發展量子信息技術的《歐洲量子科學技術》計劃和《歐洲量子信息處理與通信》計劃，成為繼歐洲核子中心、航天技術後的又一次大規模國際合作。
2016年3月，歐盟委員會發布《量子宣言》，計劃斥資10歐元推動量子技術期間計劃，旨在培育形成具有國際競爭力的量子工業，確保歐洲在未來全球產業藍圖中的領導地位。量子技術旗艦計劃聚焦在量子通信、量子傳感器、量子模擬器和量子計算機4個細分領域，分別開展短中長期研究。
《量子宣言》插頁
英國
一直以來，英國高度重視量子信息科學的基礎研究，基於前期研究成果近年來正逐步向基礎研究和商業應用並重轉變。2015年，英國政府發佈了《量子技術國家戰略》和《英國量子技術路線圖》，將量子技術發展提升至影響未來國家創新力和國際競爭力的重要戰略地位。“路線圖”給出量子計算機、量子傳感器和量子通信在內的每項量子技術可能的商業化時間和發展路線圖。
2016年12月，英國政府科學辦公室發佈量子技術報告《量子技術：時代機會》，提出建立一個政府、產業、學界之間的量子技術共同體，使英國能在未來的量子技術市場中搶佔世界領先地位，實質性地提高英國產業的價值。
此外，日本、韓國、新加坡等科技強國均發佈了自己的“量子信息科學發展計劃”。目前，日本、韓國、新加坡將研究重點放在量子通信上，在量子計算研發上均有所涉獵。
《量子技術：時代機會》封面
二、全球量子計算研究水平
（一）論文產出情況
本文借鑑qurope.eu對量子計算的定義，制訂如下論文檢索策略：TS =((Quantum NEAR/2 (comput* OR algorithm* OR simulat* OR error* )) OR (“Quantum Circuit” OR “Quantum cellular automata” OR “Quantum Turing machine” OR “Quantum register”)) AND 文獻類型: (Article) 。在Web of Science數據庫中檢索1988-2008年的論文數據，作為計量分析的數據基礎，檢索時間為2018年9月10日。
20世紀90年代，全球量子計算領域研究開始進入快速增長期，各國開始在量子信息領域投入科研經費。此後，量子算法Shor算法和Grover算法、量子電路基本邏輯門相繼被提出，量子糾錯研究開始興起，推動量子計算進入可工程化階段。1990-2017年期間，量子計算領域論文年平均增長量超過10%。
全球量子計算論文數量發表趨勢
從SCI論文總量上看，美國以8492篇的總量穩居第一梯隊，數量超過第二、三名之和，佔全球量子計算論文發表總量的31%。中國、德國分別以4573篇、3325篇的總量分列第二和第三名，全球論文佔比均超過10%，位列第二梯隊。英國、日本、加拿大、意大利、法國和澳大利亞發表的論文數量均超過1000篇，位列第三梯隊。
各國量子計算論文發表數量排行
從頂尖科研機構上看，全球論文發表數量前20的量子計算研究機構中，中國佔據3席，分別為中國科學院（第三）、中國科學技術大學（第七）和清華大學（第十七）。相比之下，美國頂尖的量子計算研究機構多達7個，歐盟境內的頂尖研究機構多達6個。此外，俄羅斯、加拿大和新加坡各佔據1席。
科研機構量子計算論文發表數量排行
從頂尖學者上看，中國籍或華人科學家佔據了論文發表數量前20名榜單的近一半，其中中國科學技術大學郭光燦院士論文數量高居榜首（見圖7）。華人科學家在量子計算領域的貢獻佔比不斷攀升，這不僅推動了國內量子信息科技的發展，也提升了中國在量子計算領域的國際話語權。
頂級專家量子計算論文發表數量排行
上述結果表明，中國在量子計算科研水平上處於領先行列，不乏頂尖科研機構和頂尖科學家。但與美國和歐盟相比，我國整體研究實力仍存在一定差距，論文發表總量和頂尖科研機構數量只有前兩者的一半。
（二）專利產出情況
本文采用如下策略進行專利產出情況蒐集：TA = (quantum AND comput*)。其中TA代表標題/摘要，comput*代表computer、computation或computing。過濾條件是：聯合專利分類（CPC）為G06N99/002（量子計算機：利用量子的疊加、相關性、脫散、纏結、非定域性、遠距傳物來進行信息處理）。在Patsnap數據庫中檢索1999-2008年的論文數據，作為計量分析的數據基礎，檢索時間為2018年9月10日。
從申請趨勢上看，近20年量子計算領域的專利申請經歷了2個高潮，分別為2002年和2015年。第一次量子計算機研發高潮起始於1998年，麻省理工學院Neil Gershenfeld和IBM公司Isaac Chuang合作開發出基於核磁共振方案的首個量子計算機原型。1998-2004年，全球量子計算專利申請為快速增長期，2005-2013年該領域專利申請進入衰退期。第二次量子計算機研發高潮起始於2014年，標誌性事件是谷歌著手研究基於超導的量子計算機。2015年，全球量子計算專利申請量超過100件，達到歷史最高水平。
全球量子計算專利申請趨勢
從各國申請數量上看，美國以600餘件的總量高居榜首。日本專利申請數量為171件，僅為美國的1/3左右。中國、加拿大、澳大利亞、英國、德國、韓國和新加坡位列其後，數量均不超過60個，不及美國的1/10。
各國量子計算專利申請趨勢
從申請人排名上看，美國D-WAVE公司一枝獨秀，其專利申請量是第二名微軟公司的3倍多。美國公司和日本公司佔據了該榜單的絕大部分，中國企業和科研機構則無一上榜。
企業量子計算專利申請量排行
與論文產出情況相比，中國在量子計算領域的專利產出遠遠落後於美國，與日本相比也存在較大差距。美國、日本量子計算領域的專利申請人基本都是科技巨頭，這表明美國、日本推動量子計算髮展的主要動力是社會資本與科技企業。相比之下，我國量子計算研發的動力不足，社會性資本無法支撐量子計算的商業化發展。
三、全球量子計算芯片研發概況
量子計算芯片是量子計算機的核心部件，其發展水平也代表了量子計算機的進展情況。目前，研究量子計算的載體較多，包括超導約瑟夫森結、半導體量子點、離子阱、金剛石色心、拓撲絕緣體以及量子光學芯片等。
資料來源：《Nature》期刊
超導量子芯片方案
利用超導量子器件實現量子計算是當前量子計算的主流方案之一。目前，從相干時間、集成度、保真度（99.9%以上）三項指標上看，超導量子比特的研究進展最為迅速。此前，英特爾、IBM、谷歌所公佈的最新進展均是基於超量子芯片方案。2018年3月，谷歌推出72量子比特的Bristlecone量子處理器，正是該領域的最新成果。
半導體量子芯片方案
與超導量子芯片方案相比，半導體量子計算的保真度不足，但半導體量子點具有可容錯和可拓展兩大優勢，能夠與現有半導體芯片工藝完全兼容，因此得到了研究機構和業界的廣泛關注。2014年，新南威爾士大學獲得了退相干時間高達120微秒、保真度達到99.6%的自旋量子比特；2017年，日本理化研究所在硅鍺系統上獲得了退相干時間達到20微秒、保真度超過99.9%的量子比特。目前，英特爾、Silicon Quantum Computing等公司都投入巨資研發相關技術。
離子阱量子芯片方案
與前兩者相比，離子阱量子計算的量子比特品質高，但其可擴展性差，且體積龐大，小型化尚需時日。目前，離子阱量子芯片是量子計算領域進展最快的物理系統之一。2016年，馬里蘭大學研製出可編程的5量子比特離子阱計算機，2017年成立Ion Q公司並研製出32離子比特量子計算機原型機。
拓撲量子芯片方案
該方案基於受拓撲保護的量子比特，原則上不會有耗散問題，因此在比特集成方面有更好的優勢。目前，拓撲保護的量子態——馬約拉納零模——已經在實驗上實現。未來的研究熱點將是探索更多的理論和實驗方案，實現拓撲量子比特，單比特和兩比特量子門讀取和操作。微軟在該領域佈局已超過10年，未來有望率先實現拓撲量子計算機，並一舉獲得量子計算領域的領先地位。
四、總結
當前，第二次量子革命的號角已經吹響。量子計算領域正以前所未有的速度進步，其對國防軍事、生物製藥、新材料研發等諸多領域的顛覆性影響已開始顯現。量子計算技術的潛力引起了美、中、歐、日、俄等國的高度重視，科技巨頭也在加速佈局量子芯片的研發。
與美歐相比，我國在量子計算領域的整體研發實力上，存在較大差距。其中，我國的基礎科研能力僅次於美國，處於領先地位；但專利產出明顯弱於美國、日本，與歐盟整體相比也存在差距。此外，在量子芯片開發上，我國還存在社會資本投入不足等問題。
雖然量子計算離實用化仍存在很長距離，但量子計算對我國引領下一次科技革命，實現跨越式發展具有重要意義。對此，我應借鑑英美等國經驗，科學研判量子計算技術的商用化時間，制定合理的量子計算商用路線圖，推動龍頭企業和頂尖科研機構合作、產學研協同攻關，並在量子計算機架構的標準上早日獲得話語權。
作者丨宮學源