中国科学技术大学微电子学院副院长郭国平
【摘要】量子计算技术已成为世界各国科技创新的重要增长点，其跨领域应用也不再局限于理论
层面的可行性研究，而是逐步发展为商业合作新案例的出发点。中国、美国、德国、英国、日本、
澳大利亚等国紛紛出台国家级政策，投入巨额资金，支持量子计算的基础与应用研究，并促进产
业格局形成发展。量子计算在国家安全、金融工程及化学领域的实际应用，也从商用层面反映出
其极高的战略价值意义。
【关键间】量子计算国家级政策国家安全商用价值
【中图分类号】 0323 【文献标识码】A
【D0I】10.ltxsqy.2021.07.006
引言
20世纪初，科学家利用、控制宏观量子行为，开启了“第一次量子革命”，以半导体、激光、超导等
为代表的重要信息技术相继问世，促使材料、医学、化工等领域取得跨越式进展，人类社会生产力水平
进入新层次。21世纪以来，操控量子行为已进入微观物理体系（电子、光子等），结合计算机科学原 理，实现信息获取、处理和传输的量子信息技术开启了“第二次量子革命”的大门。
在量子信息技术领域，量子计算以其并行计算能力和天然模似原子、分子演进等特性，存储数据能
力强、执行运算速度快等核心优势（一称“量子霸权”），成为突破经典计算极限的重要技术。量子
计算技术及其应用的极高战略价值已得到权威机构和行业专家的认可：结合人工智能、大数据分析、区
块链等高新技术，量子计算有望为当前智能制造、金融分析、新材料研发、生物医疗、物联网等领域的张叶帆
商业格局带来革命性转变。
郭国平，中国科学技术大学微电子学院副院长、中国科学院量子信息重点实验室副主任、
教授、博导。研究方向为半导体量子芯片。主要著作有《量子计算与编程入门》（教材）、{Strong in d irect coupling between graphene-based mechanical resonators v ia a phonon
c a v it y》（论文，合著）、(Electrotunable a r t i f i c i a l molecules base
d on van der Waals heterostructu res》（论文，合著）等。
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»二十四个重大问题研究IMPORTANT ISSUES
为全面分析发展量子计算的必要性与重要 性，本文集合近年来世界范围内发布的重要量子 计算国家战略政策，并简要说明政策推动下的各 主要国家量子计算企业发展概况。在此基础上，以目前的应用案例，探讨量子计算产业化对人类 社会技术突破与行业进步的意义。这对我国量子 计算支持政策制定及相关举措落地有一定借鉴意 义，从而能对我国量子计算产业及其应用的未来 发展产生一定积极影响。
量子计算的基本原理与商用价值
当今大众普遍使用的经典计算基本单位为比 特，比特以二进制的数字电子方式进行运算，而 二进制
总是处于0或1的确定状态。量子计算则完 全不同，其基本计算单位为量子比特，具有独特 的叠加性（superposition)，包含0和1同时存在 的叠加态。因此，相同数量的n个比特与n个量子 比特，相比于前者的n级算力，后者可实现算力 2"级指数提升。当前，用于制备和操控量子比特 从而实现量子计算的国际主流技术路线，即物理 体系，共有5种，分别为：半导体、超导、离子 阱、拓扑、光量子。5种量子物理体系为不同国 家的各类量子计算企业所采用，难分高下，但研 究各物理体系的共同目标均为不断提高可操控量 子比特数量，并在解决各类计算问题中保持稳定 高效。
虽然量子计算技术仍处于基础研发阶段，已问世的量子退火机与含噪声中型量子计算机也 专用于解决特定间题，但从研制容错通用量子计 算机的核心目标延展，量子芯片、量子控制系统 与操作系统、量子算法、量子云平台、量子应用 等全栈开发产品已逐步发展成熟，并形成完整体 系。国际权威咨询机构对全球量子计算市场规模 的预测也呈现较乐观并看好其未来潜力的态势。2019年1月，世界四大会计事务所之一的德勤会 计事务所发布研究报告称，未来十年，含噪声中型量子计算机市场的年均价值体量为数亿美 元；未来二十年，通用量子计算机市场的年均 价值体量为500亿美元。111美国战略管理咨询领 域先驱企业——波士顿咨询作出与前述数据体量 相类似的同时期预测：到2035年，保守与乐观 估计的量子计算机市场规模分别为20亿美元和 600亿美元。121
综上，可以对量子计算商用发展阶段作出如 下简要预计：2021 ~ 2030年，量子计算商用化 起步，量子计算机面向特定用户销售；2030年后，量子计算进入全面商用化时期，结合大数 据、机器学习、人
工智能等高科技，在各类数据 处理及分子研究相关应用领域产生实际价值。
各国量子计算支持政策
虽然量子计算仍在突破重要技术关卡，全面 商用化也尚待时日，但全球科技领先强国及组织 早已将量子计算列入科技进步重点清单，其产业 化布局业已展开，可追溯至21世纪初。其中，代表国家为美国。2002年，美国《量子信息科学与 技术规划》叩响了量子技术科学大门。|3|2〇16年9 月，美国联邦政府对量子信息科学的年度研发投 入额就已高达2亿美元左右。|412018年12月，美国《国家量子计划法案》颁布，该计划为期10 年，其中2019年至2023年，投入经费将从2亿美元一路飙升至12.75亿美元，并由国家量子协调 办公室统筹全国研发力量，形成产学研协同创新 机制。丨51
美国政府对量子计算技术的巨额投入也促 使其科技巨头公司在量子计算业务板块持续推进 应用深度。目前，谷歌代表了全球量子计算技术 最前沿水平，IB M与微软则通过构建、拓展量子 计算产业联盟，将量子计算商用程度提升至新高 度，其联盟成员目前已覆盖来自电子、金融、保 险、生物制药、建工、化工、医疗、航空零件、军工等行业的百余个公司。管理层收购
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2016年3月，在大西洋另一侧，《量子宣言 (草案）》作为欧盟800亿欧元科技创新研发计 划“地平线2
020”的组成部分，被欧盟委员会成员 呼吁尽早实施，以建立欧洲量子产业，增强欧 洲量子研究科学实力与跨领域应用能力，树立 欧洲全球量子技术领导者地位。2018年11月，宣言中的“量子技术旗舰计划”正式启动，为期 10年，总额10亿欧元。该计划同时与建议预算达 941亿欧元的“地平线欧洲计划”及92亿欧元的科 研资助计划—
—“数字欧洲计划”相互协调补充。可见，“量子技术旗舰计划”开展过程中的研发经 费保障充足。
欧盟积极的战略计划也为其各主要成员国制 定符合本国技术水平及前景的政策定下了良好基 调。英国于2014〜2019年间投资2.7亿英镑，实施国家量子技术计划（N Q TP)第一阶段。2020 年实施N Q T P计划的第二阶段，预计总投资迖10 亿英镑。德国的步调则与欧盟基本同步，该国政 府于2016年发布了名为Q U T E G A的国家量子计 划，在2018年正式启动该计划，投资总额约6.5 亿欧元。弗劳恩霍夫协会—
—德国及欧洲最大的 应用科学研究机构以及尤利希超算中心是推动德 国量子计算技术发展的两大核心机构。2019年10 月，荷兰发布了名为Quantum Delta NL(简称Q A N L)的量子计划书。根据Q ANL中的资金 投入计划，2020〜2030年，荷兰每年将投入1.02 亿欧元用于产学研机制共同作用下的量子计算技 术与产品研发，投资总额约10亿欧元。除欧盟国 家外，俄罗斯在2019年年末宣布其《国家量子行 动计划》，目前计划有效期为2020〜2025年，国家投资总额约7.9亿美元。161
欧洲比较具有代表性，在量子计算研究领域 深耕多年的大型公司为诺基亚（Nokia)与源讯 (At〇s)。前者是贝尔实验室的母公司，实验室 开发的量子算法先进性与IB M、谷歌和微软在同 一梯队；后者则开发了被誉为“世界性能最高的商 用量子模拟器”的A t o s量子学习机，使用客户跨美国、丹麦、印度、德国、荷兰、英国等国家。
在亚太地区，澳大利亚联邦政府已于2017年
发布《2030战略规划》，将发展量子计算技术作
为2030年中长期创新战略规划的重要方向之一。
我国邻国日本与韩国对量子计算的关注亦由来已 久。“光量子技术”成为日本政府的国家级科学技
术基本计划可追溯至2016年；到2019年12月，
日本政府又与美国正式签署《东京量子合作声 明》。1712019年2月，韩国政府宣布启动投资额达 445亿韩元的《量子计算技术五年发展计划》，并
已于当年投入60亿韩元用于软硬件产品研发。181亚太地区典型的量子计算技术巨头企业为日
本富士通与日立公司。前者自主研发的量子计算
芯片已具备量产条件，且致力于实现高达1000个
量子比特的超导量子计算机；后者早在2015年即
宣称成功研制专用量子退火机，2019年9月，日
立在国际专利检索系统上公开的量子计算专利为
76件，处于亚太地区领先地位。
与国际主流趋势基本一致，我国的量子信息
与量子计算国家级支持政策亦陆续出台，形成国
家-地方的完整体系。在《“十三五”国家科技创
新规划》（国发〔2016〕43号）与《“十三五”国
家基础研究专项规划》（国科发基〔2017〕162 号）中，“量子计算产业”与“量子计算机”均作为
科技与产业重大发展方向被提及。|912019年12月
出台的《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》
再次指出，要加快培育布局一批量子信息等重点
领域未来产业。
地方上，北京市、上海市、广东省、安徽 省、山东省、浙江省等科技创新实力较强省市也
先后将发展量子计算等量子信息技术写入“科技创
新‘十三五’规划”、“产业发展规划”及“重大研发计董乃军
戈IJ”等重要指导性文件中。2019年9月，济南市政
莆田古谯楼府正式印发《济南市加快建设量子信息大科学中
心的若干政策措施》（济政发〔2019〕I5号）。
作为我国首个地方级专项政策，该措施中用于人
才支持的年度经费达600万元，支持高端科技研
踏雪而归APR 2021I FRONTIERS I 59
@二十四个重大问题研究IMPORTANT ISSUES
发机构或分支机构成立运营的经费最高可达1亿 元。^在中部创新名城合肥市，安徽省科技创新 “一号工程—总投资达1000亿的中国科学院量 子信息与量子科技创新研究院正在建设中。
我国各级政府对量子计算产业发展的支持政 策促使知名科技公司着手技术研究和商用开发等 工作。目前，阿里巴巴、百度、腾讯、华为均已 招募专业团队，建立相关实验室或研究所，投 入巨额经费研发量子软硬件产品。除上述企业 外，我国量子计算初创企业尚未发展完全并形成 规模优势，目前仅有本源量子1家公司进行全栈式 开发。
量子计算的跨领域应用案例
量子计算构建起的新一代计算体系，在处 理海量数据并行运算，以及模拟原子、分子演进 方面具有得天独厚的优越性：前者可用于人工智 能、金融建模、密码解析等方面；后者可优化目 前生物医药、材料化工、能源开发的计算模拟方 式。下面，本文将展示量子计算结合国家安全、金融工程和化学的现实应用案例，从一定程度上 说明量子计算具有广阔且光明的发展前景。
量子计算+国家安全。2018年8月，美国 保守派智库哈德逊研究所发布题为《Q uantum Com puting:H
ow to Address the National Secu rity R is k》的研究报告。报告指出，一旦 通用型量子计算机成功间世，或专用量子计算机 达到300个量子比特可控的计算力，攻破现今通 用的公钥加密系统是转瞬之间的易事。[111如此一 来，国家级机密信息、各类公司的商业机密以及 公民的隐私信息等加密数据将毫无秘密可言，重 要的军事、民生基础设施及金融系统等国家政 治、国防、经济命脉也将不堪一击。因此，量子 计算机对国家安全，既可成为造成严重威胁的 “矛”，亦可转变为重构加密体系的“盾”。
以国防军事为代表，美国国家安全领域的专用量子计算技术布局早，发展迅速，主要体现在 巨额研发资金支持及创新产学研协同机制上。据 公开报道称，2010年，美国国家标准与技术局花 费1030万美元组建高级量子科学实验室，用于 支持美国国家安全局、国防高级研究计划局、情 报高级研究计划局的工作；2014年，美国国家安 全局又投入7970万美元用于量子计算机研发。目前，IB M、谷歌等公司的专用量子计算技术研 发，也得到了美国陆军研究办公室等国防机构的 经费支持。除直接的资金投入外，美国国防机构 亦广泛开展与专业技术研究部门的深层次协同合 作：美国国家安全局会同马里兰大学建立了联合 量子研究院，美国海军水面作战中心达尔格伦分 部也与华盛顿大学进行了量子干涉效应的军事应 用等一系列独立应用研究项目合作。另外，美国 者名军工企业洛克希德•马丁（Lockheed Martin)与霍尼韦尔（Honeywell)业已培养专业量子计 算应用研发团队。前者不仅是谷歌与D-W a v e System s(加拿大量子计算公司）量子应用、专用量子计算机业务线上的千万美元级客户，还与 南加州大学共建量子计算研究中心，研究专用于 先进武器装备建模与模似、军用飞机设计改进、军事物资运输线路优化及高维度战场大数据的实 时处理与态势分析的军用量子算法与软件。
量子计算+金融工程。随着手机银行、各类 支付平台、理财、网贷等数字化金融服务普及，基于安全可靠性的差异化金融服务对计算能力 提出了更高要求。量子计算在此领域的多项业务 中，已表现出非凡的商用潜能。
资产和风险管理：管理金融投资组合需要 基于技术大数据，精确分析从而拟定各种投资策 略，其中的计算规模和大数据处理能力超出了目 前通用模拟算法和模型的算力极限。
高频交易：此业务的核心需求为快速分析大 量数据并执行交易策略的能力。在速度上，量子 算法要比常规算法快得多。
欺诈检测：通过特定的量子人工智能算法模
GO I学术前沿丨2021.04上
型与应用，以机器学习算法训练神经网络的学习 速度和理解力水平，可有力打击目前日益猖撅、手段多样的欺诈活动并减少数据泄露。
在国际范围内，量子计算与银行金融业的 合作案例目前在北美洲、欧洲及亚太地区均有体 现，具体涉及主体分别为：摩根大通（JPMorgan Chase)、加拿大蒙特利尔银行和丰业银行、西 班牙金融服务公司C a ix a B a n k及澳大利亚联邦银 行。2019年9月，摩根大通被标准普尔评为美国 最大银行，[12]壬辰战争
以2.73万亿美元的总资产额度，排 名全球第六大银行。摩根大通的大体量和多样化 客户需求使其对于金融计算能力提升的需求十分 迫切，这促使其于2017年加入IBM量子计算产业 联盟Q Network，与IB M的量子计算研究团队合 作开发新型算法。据悉，两家公司正在开发的一 种量子算法，将可能实现一种计算要求极高的金 融工具—
—派生定价的二次加速，即经典计算机 经10,000次模似才能实现的定价，在量子计算机 上仅需要进行100次量子运算。1131根据摩根大通 的预计，此算法的成功研发将降低总计算成本，并帮助公司实时管理财务风险。
2019年8月，加拿大蒙特利尔银行和丰业银 行发布了与澳洲量子计算和人工智能创业公司X a n a d u的合作成果---应用于金融领域的量子蒙特卡洛算法，这种算法有助于提升金融交易 产品的计算效率。据X a n a d u公司公开发布的消 息，量子蒙特卡洛算法在其自有的量子模似器上 的测试仿真结果表明，当此算法在商用量子计算 机上运行时，与经典计算力相比，衍生品定价及 实时定价等金融行为的处理效率可显著提升，并 大幅降低计算所需的电力消耗。
2019年9月，西班牙金融服务公司C a ix a B a n k成功完成量子计算模拟项目——一个 抵押贷款投资组合和一个国库券投资组合的风险 分析，效果可观。2019年11月，澳大利亚联邦银 行数据科学家披露该银行正在与美国量子计算创 业公司Rigetti Com puting合作，基于联合构建的专用量子模似器软件
系统，进行量子优化投资 组合再平衡策略实验，推动各类用户开发财务运 营应用程序的进程，包括但不限于风险管理与分 析、交易、投资组合优化及安全性提升等金融领 域各项业务。
量子计算+化学。化学在现代社会生活中的 影响力不言而喻，从生物制药到新材料再到可再 生技术，都离不开不断进步的化学技术。量子计 算因其天然模似原子、分子演进的特性，与化学 基础自然融合。目前，有关量子化学应用的研究 已在国内外广泛开展，并取得一定成果。
首先，量子计算可用于农业领域中的氨肥制 造工艺改进。氨肥是现今世界范围内使用的农用 化肥，但氨肥不是自然产物，而是氮、氢人工合 成氨。20世纪“哈布二氏法”的发明极大提高了氨 肥生产效率，但同时，其高温高压合成过程无法 避免极高能耗的缺陷。目前，国际科研团队将进 一步提升氨肥制造工艺的突破口放在了模似豆类 植物固氮细菌的催化过程之上。固氮细菌中有效 的固氮酶分子不需高温高压条件，即可通过复杂 的催化过程，将氮气转化为氨，极大降低了能量 成本，但固氮酶的转氨催化组合数量之大令超算 机难以驾驭。
2019年，谷歌使用量子计算纠错设备模似了 固氮酶活性中心——铁钼辅基（FeMoco)的催化 过程。这次实验使用了一百万个以上的量子比特 执行相关计算，迈出了改良“哈布二氏法”工艺，提高能源密集型化肥工业效率的关键一步。这不 仅是一项商业突破，从长远意义层面上看，量子 计算所提升的农用化肥生产工艺亦有助于满足地 球75亿人口的食物量需求并应对气候变化影响。
其次，量子计算目前也已用于电动汽车高性 能电池的研发工作，特别是电化学材料模似。早 在2018年，大众汽车在德国慕尼黒成立专业研 发中心，利用谷歌及D-W a v e S y s t e m s的量子 计算机资源，改进电动汽车电池开发流程和系统 算法，具体包括：缩短开发周期，减轻电池重量
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