全球量子計算競賽愈演愈烈，中美尖端能力與量子戰略PK！

編譯：宸熙，學術plus觀察員

學術plus授權轉載

隨着數字化轉型和顛覆性技術的到來，人工智能競賽、量子競賽、5G競賽、人工智能芯片競賽等在全球範圍內層出不窮。當前正是量子計算競賽的關鍵階段，參與量子計算競賽的國家紛紛在其5年量子計算髮展規劃中爲多個量子項目分配數百萬美元的預算，進一步加劇了全球量子計算競爭，促進了量子計算技術的快速發展。尤其在量子競賽中處於領先地位的國家，通過彼此間的競爭極大地推動了量子計算研發能力和利用量子計算實際解決難題的能力。

美國《全球科技展望》雜誌收錄了2021年參與有效量子計算競賽的主要國家，本文就此梳理總結了世界量子計算大國如德國、加拿大、美國、印度、日本等國家的最新進展，包括量子計算髮展戰略與經費投入等。

本文主要內容及關鍵詞：

1.全球量子計算髮展現狀：美國（12個量子研究中心+科技巨頭資助+國家量子倡議法案），中國（量子網絡），德國（量子技術和應用聯盟），加拿大（IBM量子中心+11家初創企業），印度（塔塔基礎研究院），日本（第一臺商用尖端量子計算機）

2.量子計算機進展：超導量子計算機（谷歌懸鈴木，祖沖之二號）；光基超級量子計算機（九章二號）

3.未來趨勢：中美政府投入差距巨大，美國公司專業仍佔優勢，IBM計劃在2022推出400個量子比特的處理器，2023年生產1000個量子比特的處理器。

4.評述：量子計算國際競爭日益激烈，美國正在出臺政策加大政府方面投入，美國早期主要依託科技巨頭公司發展量子計算，在全球量子競賽中佔據一定優勢，今後美國期望通過加強政府、科研機構、科技巨頭公司間的合作，使得其能贏得全球量子計算競賽。

內容主要整理自外文網站相關資料

僅供學習參考，歡迎交流指正！

文章觀點不代表本機構立場

一、全球發展現狀

全球量子計算髮展現狀

1.1 美國

美國政府已經撥款數億美元建立12個量子研究中心，用以提高量子計算的生產力。美國能源部下屬的5個量子計算中心得到了一個6.25億美元的項目的資助，並且得到了美國IBM、英特爾、微軟等多家科技巨頭價值3.4億美元的資助。這些資金主要來自於美國《國家量子倡議法案》的12億美元。

1.2 中國

已將量子信息學列爲“十三五”規劃和“中國製造2025”規劃的關鍵目標，是第一個建成量子科學衛星“墨子號”的國家，也是第一個建成量子網絡的國家，該“量子網絡”將北京和上海連接起來，全長4600公里，此外還致力於創建世界上第一個最大的量子實驗室。目前已擁有多個相關研發項目和3000多項專利，併爲中國科學院量子信息和量子物理卓越研究中心、空間尺度的量子實驗、國家量子實驗室以及京滬量子通信骨幹鏈路提供了穩定的研發預算。

1.3 德國

德國致力於成爲量子競賽的頂級國家之一，通過規劃量子計算路線圖爲德國量子計算生態系統奠定基礎。德國政府已撥款24億美元與研究機構、工業、政府機構和社區合作，並且有多所著名大學致力於量子研究，以期在量子計算領域成爲歐洲領先國家。目前已有10家領先的德國公司共同創立了“量子技術和應用聯盟”，將量子計算的基本原理開發成用例。最近與IBM的合作爲德國在量子競賽中贏得了一席之地。

1.4 加拿大

加拿大決心成爲量子技術領先的國家，計劃在7年內爲國家量子戰略撥款3.6億美元用來提升量子研究的實力。加拿大在七國集團中排名第五，而在量子研究方面人均排名第一。2020年，IBM與加拿大舍布魯克大學合作，在加拿大推出了第一個IBM量子中心。超過11家加拿大初創企業正在探索量子計算改變多種行業的機會。加拿大量子產業的任務是確保國內量子技術和創新轉化爲加拿大的商業成功，以增強其國家的經濟前景。加拿大政府提供221萬美元用以鼓勵建立量子算法研究所來提升創新能力，以使其成爲量子技術領域的頂尖國家之一。

1.5 印度

印度政府在2020年聯邦預算中爲國家量子技術和應用任務撥款11.2億美元。印度作爲一個發展中國家，正逐漸成爲能與量子技術高度發展國家進行量子競賽的一員。印度塔塔基礎研究院的量子測量和控制實驗室是印度唯一一個專注於量子計算的實驗小組。印度的目標是在5年內建造一臺50量子比特的量子計算機。印度研究人員在全球國際期刊發表了100份有關量子計算的論文。IBM還與一些印度頂級教育機構合作，提供對量子計算系統的完全訪問。印度還宣佈了印度科學教育與研究學院和芬蘭阿爾託大學之間的量子計算合作。

1.6 日本

近日，IBM和東京大學公佈了日本第一臺用於商業應用的尖端量子計算機，並將參與最激烈的量子競賽。日本政府決定在10年內投資2.76億美元，以成爲量子技術領先的國家之一。日本企業有多種量子計算研發戰略，日本政府也出臺不同的政策（量子飛躍旗艦計劃等）以高效且有效地支持研發。日本從2025年起就致力於在將量子密碼學投入到實際應用中，預算爲1400萬美元。

二、量子計算機

2.1 傳統超級計算機

美國軍方的傳統超級計算機主要用來對裝備設計、圖像處理和信號處理進行復雜的仿真，用以模擬生成預期結果以及發現關鍵環節，並通過分析海量數據摸清仿真對象的內在聯繫。但是由於傳統超級計算機最小計算位也要在1和0間的切換上花費時間，所以採用傳統超級計算機執行任務屬於時間和資源密集型，而量子計算機可以通過創造量子位繞開傳統計算機這一物理限制，從而可以極大提升計算速度。

2.2 超導量子計算機

超導量子計算機可以通過生成1和0值的疊加繞過物理限制。從本質上說，標準計算比特位必須是1或0。但是物質的物理性質在極低的溫度下會發生重大變化，超導量子計算機利用這些變化來創造量子位（量子比特），而且它不受傳統計算機所面臨的處理障礙的限制。量子位可以同時爲1或0。這有望極大地加快計算速度，能夠使今後無法破解的問題（比如解密當前無法破解的代碼）得以解決，將人工智能和機器學習推向新的高度，設計出全新的材料、化學品和藥物。

全球的科學和軍事強國正在投資數十億美元，競相將這一預想變成現實。中國近年來得了幾項顯著的進步。2020年，中國科學技術大學進行了首次天基量子通信，即利用“墨子號”衛星在相距1000多英里的兩個地面站之間建立了一條超安全的數據鏈路。

2019年9月，谷歌稱其53量子比特的“懸鈴木”量子處理器在3.3分鐘內完成了傳統超級計算機需要至少2.5天才能完成的任務。2021年10月，中國宣佈打破瞭解決“隨機線路取樣”這一複雜問題的記錄，“祖沖之二號”量子處理器比三年前谷歌的“懸鈴木”速度快了100萬倍，該成果已於2021年10月25日發表於《物理評論快報》和《科學通報》國際權威學術期刊。

2.3 光基超級量子計算機

2021年10月，中國團隊發佈報告稱其光基“九章二號”量子處理器可以在1毫秒內完成傳統計算機需要30萬億年才能完成的任務。這一突破標誌着量子處理器的最快速度，其量子位是基於光而不是超導的。超導計算機運行所需的量子態是脆弱的、不穩定的，容易造成大量錯誤。

然而，光基超級計算機也有其缺點，即該類量子計算機由於其脆弱的狀態很難增加光子的數量。光基超級量子計算機和超導量子計算機中哪種方法更有前景，還有待進一步觀察研究。

三、發展趨勢

美國未來量子計算髮展現狀與趨勢

3.1 中美量子計算髮展對比

中國量子計算的成就主要源於政府的重視，量子計算領域的投資逐年穩定遞增。美國政府在2018年根據一項新的國家戰略爲量子計算研究僅投資了12億美元。2021年，美國參議院通過了一項法案，在美國國家科學基金會設立一個技術與創新理事會，並追加290億美元用於2022年至2026年的量子計算和人工智能研究，但這項法案還需要與上個月衆議院通過的一項類似法案進行協調。

儘管美國公司在量子計算這一特定領域擁有更多專利，但就目前而言，中國的研究人員、公司和機構在量子技術方面擁有的專利要比美國多。

3.2 美國未來量子計算髮展趨勢

美國距離實現真正的量子計算還需要幾年的時間。目前大多數量子計算機能夠在大約50個量子位的情況下協同工作，而要實現量子計算在解碼方面的全部潛能，就需要數千個量子位。但量子計算在這方面正取得進展。據報道，IBM在2021年11月生產出了127個量子比特的超導量子計算機，並打算在2022年推出400個量子比特的處理器，然後計劃在2023年生產1000個量子比特的處理器。

由於量子計算在許多領域的巨大戰略潛力，這種競爭在不久的將來將會變得更加激烈。美國是否能跟上量子計算競賽的步伐還有待觀察。

四、評述

發展量子計算的戰略潛力促使德國、加拿大、美國、印度、日本等世界量子計算大國，紛紛制定本國的量子計算髮展戰略，不斷增加在量子計算領域的投入，以期在量子計算競賽中贏得一席之地。

美國在量子領域具有一定優勢，雖然在美國政府量子計算方面的投入較低，但是美國的IBM、谷歌、微軟、亞馬遜、英特爾等大型科技公司在量子計算廣闊前景的驅動下，通過多方融資大力發展量子計算，使得美國在量子計算方面發展仍然非常迅猛。

隨着美國政府日益提高對量子計算的重視程度，不斷加大政府投資，尤其是2021年美國衆議院通過《國家量子倡議法案》，爲美國量子計算提供了12億美元的資金投入，同時積極與大型量子計算公司和機構合作，由美國能源部和美國國家科學基金會先後建立了5個國家QIS研究中心、3個量子飛躍挑戰研究所和1個量子經濟發展聯盟。美國政府對量子計算的投入以及加深與科研機構、科技公司的深度合作，爲美國量子計算髮展提供了巨大助力，能夠使其在全球量子計算競賽保持領先甚至有望贏得量子計算競賽。美國在量子計算方面的一系列動作也昭示了其渴望贏得量子計算競賽的勃勃雄心。

https://www.defenseone.com/ideas/2022/04/china-may-have-just-taken-lead-quantum-computing-race/365707/

https://www.globaltechoutlook.com/quantum-computing-top-countries-participating-in-quantum-race/

https://physicsworld.com/a/google-reports-quantum-supremacy-in-draft-paper/

https://www.cas.cn/cm/202110/t20211027_4811306.shtml