量子计算应用、布局与未来发展分析报告2020作者徐思彦 腾讯研究院高级研究员杨梦雨 腾讯研究院助理研究员2020 年 10月 16 日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。薛其坤院士就量子科技进行了汇报。习近平主席指出要找准我国量子科技发展的切入点和突破口，统筹基础研究、前沿技术、工程技术研发，培育量子通信等战略新兴产业，抢占量子科技国际竞争制高点，构筑发展新优势。 背景 量子计算概念 量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，即利用量子叠加和纠缠等物理特性，以微观粒子构成的量子比特为基本单元，通过量子态的受控演化实现计算处理。 与传统计算机相比，量子计算机能够实现算力呈指数级规模拓展和爆发式增长，形成“量子优越性”。传统计算机的基础原理是二极管和逻辑门，每一个信息单元叫做比特，只能代表0或者1中的任意一个数字，对二进制数字或字节组成的信息进行存储和处理；而量子态叠加原理使得每个量子比特同时处于比特0和比特1的状态，通过两种状态的叠加实现并行存储和计算。这样操纵1个量子比特的量子计算机可以同时操纵2个状态，当一个量子计算机同时操控n个量子比特的时候，它实际上能够同时操控2n个状态。 量子计算优势 量子计算最主要的价值可以归纳为两点：开源（提高算力）+节流（降低能耗）。 首先是对算力的提升：量子计算的核心优势是可以实现高速并行计算。在计算机科学中，无论经典计算还是量子计算，他们的计算功能的实现都可以分解为简单的逻辑门的运算，包括：“与”门，“或”门，“非”门，“异或”门等。简单来讲，每一次逻辑门的运算（简称操作）都是都要消耗一个单位时间来完 成。经典计算机的运算模式通常是一步一步进行的。它的每一个数字都是单独存储的，而且是逐个运算。所以对于4个数字进行同一个操作时，要消耗4单位时间。量子的并行性决定了其可以同时对2n个数进行数学运算，相当于经典计算机重复实施2n次操作。可以看到，当量子比特数量越大时，这种运算速度的优势将越明显。它可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能。 其次是降低能耗：量子计算另一核心优势是低能耗。众所周知，在经典计算机中，能耗是一大技术难题。处理器对输入两串数据的异或操作，而输出结果只有一组数据，计算之后数据量减少了，根据能量守恒定律，消失的数据信号必然会产生热量。但量子计算中，输入多少组数据输出依旧是多少组数据，计算过程中数据量没有改变，因此计算过程没有能耗。这也就意味着，只有在最后测量的时候产生了能耗。而经典计算在每一个比特的计算过程中都将产生能耗。因而经典计算的集成度越高，散热越困难。随着摩尔定律渐近极限，以后的计算能力的提高只能依靠堆积更多的计算芯片，这将导致更大的能耗。这方面的突破只能依靠量子计算的发展。[1]受滞于摩尔定律的上限、芯片大小的极限、芯片散热等问题，传统计算机在执行某些任务时遇到瓶颈，例如：1）大数因数分解；2）数据库随机搜索。而量子计算中提出的大数质因子（Shor 算法）、随机数据库搜索（Grover算法）就很好的解决了这两个问题，能够应用于复杂的大规模数据处理与计算难题。 科学家预测，经典计算机未来仍将承担收发邮件、视频音乐、网络游戏等功能，而量子计算机则将用于解决大型分子模拟、寻找大数质因数等经典计算机无法模拟的领域，并在 AI计算领域对传统算力进行提升。针对一些传统行业来说，大量研发环节所面临的计算压力已经显现，尤其那些在分子领域进行研发的产业，以现有人类科技的计算能力，所消耗的时间和成本巨大。比较明显的行业是：生物制药、化工、能源。还有另外一些本就对计算能力要求较高的科技行业，亦是量子计算实现商业应用的领域。比如：搜索、数字安全、人工智能、机器学习等......量子科技成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域 量子科学技术进入最高层视野，量子科技发展进入快车道同时也彰显走科技创新驱动的决心。2020年10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景进行了集体学习。量子科学技术的重要地位被认可并得到了显著提升。会议认为：量子科技一方面被认为具有促进经济高质量发展，且作为国家安全的重要保障；另一方面，其被认可有战略价值，是一项针对传统技术体系重构的重大颠覆技术创新，有望引领新一轮科技革命和产业革命。 量子科技最主要有三个方向，量子计算、量子通信和衍生出来的量子精密测量，分别可以提升计算处理速度，提高信息安全保障能力，改善测量精度和灵敏度。量子计算，利用的是量子叠加的性质，传统的计算机，无论芯片设计与制程，其基础的原理都是二极管和逻辑门，也就是只能表示0和1两种情况，一个0或者1的单位是1比特，而量子纠缠的特性，可以使得以量子构成的“二极管”同时表达出多种多个数字，而不是仅仅只有0和1。这样，对于每一个量子单元来说，可以储存2n个数据，n就是量子比特，根据google著名的“量子霸权”文章中设想的53量子比特计算，及单个量子可以储存253个数据。同时，不仅仅是存储，得益于量子纠缠特性，量子计算还可以同时对2n组输入数据进行计算，就相当于一台装备了2n台处理器的芯片。量子通信利用量子的另一个特性，量子纠缠。传统的加密通讯，A先用密钥将明文转化为密文，B接收到密文后，通过使用与A相同的密钥，将接收到的密文转化成明文。在这过程中，通过光纤和无线电传输的密文是非常容易被获取的，同时，破解密文的核心，密钥，由于其一段时间内都是固定的，被同时存储在接收者和发射者处的，对于窃密者来说，无论是通过大量收集密文来进行运算破译，还是通过间谍行为直接盗取密钥，无论多么复杂的密钥，理论上都能做到破解。但是量子通信不同，其有两条通信线路，第一条是传统的信息介质，用于传输密文，第二条是用于传递纠缠光子，也就是量子密钥，这种密钥是一次性的，仅仅对于当前传输的密文有效，同时由于纠缠光子之间的特性，即量子的状态是无法复制的，一旦这一条用于传输纠缠光子的线路被 窃听者观察或者接收，窃听者无法复制出相同的一串光子密钥给接收者B，因此，量子通信在理论上是无法被破解的。[2]量子计算可以跨越式提高计算机算力，量子通信则是理论上不可破译的通信方式。目前我国在量子计算领域正快速缩小与世界一流的差距，量子通信领域则已经走在了全球前沿。 量子计算应用 在量子计算领域，目前的成熟应用还未出现，各国正处于努力提高量子比特的阶段。目前产业认为，量子云是量子计算方向最有可能落地的应用领域，量子云从原理上来说，即用量子计算机来代替传统的超级计算机或者IDC机房中的服务器，通过云端的算法与配套设施，来使得量子计算机能够参与到云计算之中，大幅度提高云计算的算力。中国信通院2020年10月发布的量子云计算发展态势报告中指出，量子云计算将加速量子计算技术从实验室走向成熟，目前谷歌，亚马逊，IBM，微软等巨头都纷纷布局量子云领域。硬件方面，从较为直观的量子比特数领域来比较，目前世界一流的谷歌正在实验54量子比特芯片，IBM开发出了53量子比特的计算机。我国在量子计算领域，目前腾讯、华为、百度，阿里均在积极参与量子计算的开发，同时以潘建伟院士为代表的科研团队正在努力攻关高量子比特的计算技术，2018年，其团队成功实现18个量子比特的纠缠，为进一步追赶世界一流的量子比特数打下了坚实的理论基础。[3]2020年达沃斯论坛上，科学家认为量子计算有望在大分子开发、加密算法破译、人工智能等领域得以应用，助力数字经济发展：[4] ► 量子计算应用#1：加速新药开发。目前，受限于经典计算机的算力，对大型分子的准确性状模拟依然是较大难题，所以医药等领域的新品性状测试依然需要通过反复实验才能够获得，费时费力。量子计算天然擅长模拟分子特性，我们认为其有望通过计算机数字形式直接帮助人类获得大型分子性状，极大缩短理论验证时间。COVID-19疫苗、抗癌药物有望得到加速开发。IBM在2017年使用量子计算机成功模拟氢化铍；IonQ在2018年使用量子计算成功模拟水分子；Google在2020年使用量子计算机成功模拟二氮烯，并对其化学反应进行模拟。目前量子计算能够模拟的分子依然较小，蛋白质、核酸、多糖等典型的生物大分子通常包含几千到几十万个原子，是目前能够模拟的简单分子的原子个数的几千到几十万倍。随着硬件设备和模拟软件的成熟完善，我们认为未来人类有望沿着从小分子到大分子、从无机物到有无机物的方向最终实现对所有物质分子层面的模拟。我们认为量子计算的成熟可能会使得研发侧用于样品制备的费用减少，而用于量子计算开发的费用会增加，增强其数字化；销售侧由于新型药物产品线的丰富，市场规模有望呈指数提升。► 量子计算应用#2：加速破解加密算法。Google于2012年成功分解21得到3和7，是目前能够分解的最大数字，距离破解RSA加密算法仍有不小距 离。虽然对于互联网加密信息的破译要在多年之后才能完成，但一种可行的方法是先将目前的重要的加密信息保存下来，等量子计算硬件成熟后再实现破译。► 量子计算应用#3：加速人工智能。2012年左右，人们意识并开始使用GPU、FPGA、ASIC 等芯片作为AI算力，使得人工智能走出实验室开始商用。今天人工智能已经逐步改变我们的生活，但人类对于人工智能的期待远不止于此，实现更深层次的人工智能是未来发展的方向。未来，随着量子计算硬件设备的成熟完善以及量子人工智能算法的发展，我们认为量子计算有望助力实现深度人工智能场景。微软的拓扑量子计算机最早的用途之一就是帮助人工智能研究人员利用机器学习，加快训练算法；大众汽车和Google在量子路由算法和交通数据管理系统方面展开合作。量子人工智能有望驱动人工智能深入应用，成为人工智能市场增长的重要驱动因素。► 量子计算应用#4：加速金融发展。量子计算所带来的算力增长为开发新的金融服务和产品带来了无限可能性，量子计算在金融领域的应用主要包括三个次领域：投资组合优化、交易以及诈欺侦测。量子计算善于执行平行运算，高维度造成的困扰较小；而量子计算具有机率穿隧的特性，不会受困于 局部最小值的谷底。JP Morgan和IBM在派生定价二次加速量子算法方面展开合作；BMO和XANADU在量子蒙特卡洛算法方面展开合作；高盛和QCWare在计算期权的理论价值方面展开合作；CaixaBank和IBM在金融资产风险分析模拟项目方面展开合作；Commonwealth Bank和rigetti在量子运算优化投资组合再平衡实验方面展开合作。 量子通信应用 量子通信分为量子密钥分发（QKD）和量子隐形传态两大技术。目前量子隐形传态技术仍处于实验室阶段，已经进行实际应用的为量子密钥分发技术。量子密钥分发是一个通信双方协商产生共享密钥的过程。发送和接收装置间通过量子信道和经过认证的经典信道相连。量子信道用于传输由量子态承载的量子比特信号，可以是光纤、自由空间（包括卫星链路）等物理媒介。经典信道则用于发送方和接收方进行基矢比对等数据后处理步骤的信息交互。 在量子通信领域，由于其技术难度较量子计算较低，目前我国已经率先建成了“京沪干线”，发射了“墨子号”量子通信卫星，实现了全球首次洲际量子通信，走在了全球技术研发和成熟商用的最前沿。之后我国率先进入广域网阶段，在高端需求、政策驱动下，政府（合肥/济南/武汉/海口/贵阳等政府部门）、金融（人民银行/工商银行/中国银行/建设银行/农业银行/浦发银行/徽商银行等金融机构）、能源（国家电网）等部门/机构逐步开启量子通信网络投资建设浪潮。截至2018年末，我国已建成的实用化光纤量子保密通信网络总长（光缆皮长）已达7,000余公里。目前，广州/西安/成都/贵阳/重庆/南京/海口/乌鲁木齐/宿州等地已启动本地量子保密通信城域网规划，预期未来 3-5年，京津冀/长三角/珠三角/西南地区/中西部地区等城市将陆续新建或扩建量子通信城域网。[5]量子通信最显著的优势是其传输的安全性，因此被广泛应用的领域对信息安全要求很高。当前中国已实现量子通信在军事国防、政务、金融，互联网云服务，电力等领域的应用。长期来看，随着量子卫星的升空以及量子技术的逐渐成熟