中國爲什麼要自主研發量子計算機？
前言
量子計算是突破普通認知的前沿性、顛覆性和革命性科學技術。不同於經典計算機中bit只能處於0或者1的狀態，量子計算機的信息單位qubit能以0和1的疊加態存在，這是其並行計算能力的基礎，使得量子計算未來能夠在關鍵技術領域提供超越經典計算機極限的計算能力。那麼，中國爲什麼要自主研發量子計算機？量子計算可以率先在哪些方向上產生作用，我們將如何利用量子算力？我們來一探究竟......
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中國爲什麼要自主研發量子計算機？
量子計算機對比傳統計算機，猶如“電腦”對比“算盤”，原子彈是新中國成立初期的“護國重器”，而量子計算機則是信息時代的鎮國之寶。
（1）量子計算技術具有極高的戰略價值
量子計算機具備的超級計算能力，在軍事戰備上能夠應用於核武器爆炸的數值模擬、實施電子對抗與反對抗，提高新型武器的迭代速度，甚至能夠在戰場上替代人實現即時作戰策略。在密碼破解領域，量子計算能夠用於快速破解和侵入敵方的軍事密碼系統和設施，這會對傳統RSA密鑰體系造成極大的衝擊。此外，量子計算將在新材料研發、生物醫療、金融分析乃至人工智能領域發揮重要的作用，徹底改變當前消費、醫療、網絡、金融、基礎研究等領域的發展格局。
（2）國家戰略要求
我國正處於實現中華民族偉大復興的關鍵歷史時期，世界正處於百年未有之大變局，而量子計算是國際公認的引領社會跨越式進步的變革性技術。經過數十年的發展亦將達到“質變”階段，因此比照“兩彈一星”工程的規格啓動量子計算攻關正當其時。
（3）國外競爭加劇
歐美澳等均已先後投入巨資，全力展開量子計算的研製和產業化的開發。國外以美國爲首的發達國家目前獲得領先優勢，第一個宣佈實現“量子霸權”，整體上國外量子計算專利已佔據半邊江山，且美國IBM等巨頭企業已經在全球佈署量子計算機，很可能我國量子計算機軟件系統將會面臨使用少、知識產權落後、用戶流失等問題，會造成自主知識產權產品用戶習慣的丟失，最終回到“電子計算機時代”，未來將會受制於人，只能學習國外的計算語言，使用國外的操作系統和軟件。在如此激烈競爭的國際形勢下，我們不能落後，也承受不起落後的代價，佈局開發量子計算迫在眉睫。
國產量子計算機操作系統（來源本源量子）
（4）解決卡脖子技術
面對激烈的國際競爭形勢，我們必須清醒地認識到，我國的量子計算研發依然較爲薄弱，很多關鍵技術尚未取得，同時，我國量子計算領域的發展越來越多地受到進口核心科研設備的制約。這些在今後五至十年內對我國的影響將會繼續擴大。我們必須儘早全面地認識到自身的薄弱點，針對性地攻關突破，全面發展量子計算相關技術，帶動相關行業共同進步，逐步縮小與國際的差距，並在未來儘早實現技術趕超。中國買不來原子彈，也買不來量子計算機。在量子計算領域，我國必須自立自強。
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量子算力會在哪些方向率先起作用？
二十一世紀以來，數據信息呈現爆炸式增長。據估計，人類在過去三年間產生的數據量超過了之前幾千年的總和，而經典計算機芯片由於μm尺度下量子效應顯現等諸多原因，晶體管數量的提升受到限制，量子計算機的出現無疑爲我們打開了一扇新的大門。我們分析，量子算力未來可能會在如下方向率先產生作用：
（1）公共安全事件中，對資源的調度優化
量子計算有望規劃最優路線。在公共安全事情處理時最需要關注的就是緊急資源的調度，在複雜的交通環境中尋找最優的路線保證應急人員和物資以最快的速度到達現場。執行任務時會遇到各種錯綜複雜的路線，還需考慮各種障礙的影響，在處理緊急任務時，用最短的時間找到最優的路線將是處理應急救援任務時不可避免的需求。量子算法因爲其並行特性，有能力處理因爲約束條件（各種需求限制）的個數增加而規模急劇增大的計算問題，有望在考慮現實任務場景中更多環境因素影響下，更快地規劃出最優的路線。
（2）大數據中的歸類處理
量子計算可以快速進行大量數據的歸類處理。在未來的時代，當量子計算機促進各類數據集的集成時，有望取得重大突破，量子計算機將爲他們提供快速分析和海量數據集成的能力。
量子計算預測病毒傳播節點
比如，量子聚類分析。對於一組對象，根據它們之間的相似程度， 將相似的對象構成一組, 進而分爲若干組，這一過程就稱爲聚類。作爲數據挖掘的一項功能，聚類分析可以用來分析數據的分佈、挖掘各數據類的特徵、確定有價值的數據類等等。由於在當今“大數據”的背景下數據庫所包含的數據量越來越大，聚類分析已成爲數據挖掘研究中一個非常活躍的研究課題。將聚類分析的問題用量子的方法進行優化，主要採用兩種辦法： 第一種方法是將經典聚類算法的距離計算改爲量子相似度計算方法；第二種方法要利用統計力學或者量子力學的原理，優化算法對數據的發掘性能。
（3）氣象中的探測與分析
量子計算可用於氣象預測。傳統計算機分析天氣數據的過程可能不夠快，無法跟上不斷變化的天氣狀況，只有通過大量的硬件(TPU、GPU)去進行加速，造成成本過高等問題，量子計算可以通過利用計算能力的優勢，來開發新的方法來理解和預測天氣，包括支持精確的個人決策的超局部降水預報，用收集的大量衛星和其他環境數據來增強對極端天氣事件（如颶風和龍捲風）的預測，從而高效快速地處理。
神經網絡具有獨特的解決非線性問題的特徵，因此特別適合解決天氣預測這種典型的非線性問題。使用傳統神經網絡進行天氣預測需要分析大量包含多個動態變量的數據，例如氣溫、壓力和密度，這些變量以一種非常複雜的方式相互作用，基於神經網絡的氣象預測的準確率並不能讓人滿意。量子神經網絡是傳統神經計算系統的自然進化，它充分利用量子計算的巨大威力，提升神經計算的信息處理能力。
量子計算在人工智能方向的應用
目前，量子計算由於硬件發展限制，一般採用經典-量子混合方案，氣象預測中的重要特徵輸入混合量子經典神經網絡，從而構建更加具有複雜氣象特徵相互作用學習能力的量子神經網絡，將氣象學中的地面觀測氣壓、溫度和風向風速通過VQC（變分量子線路）的帶參量子邏輯門進行編碼，然後繼續通過其他隨機參數的量子邏輯門繼續進行變換，最後測量得到期望值，繼續作爲經典神經網絡的輸入，然後經過經典神經網絡的計算，最終得到氣象預測的結果。其具有以下優勢：（1）指數級的記憶容量；（2）神經網絡採用較少的隱層神經元卻能有更高的性能；（3）模型收斂速率快；（4）消除了災變性的失憶現象（克服經典神經網絡難以訓練深層網絡的弱點）；（5）規模小、穩定性和可靠性高。
（4）信息安全的保障
量子加密可以爲信息安全提供有力保障。當今社會信息安全越來越受到重視是因爲它已經成爲影響國家安全的一個權重高的因素，計算機存儲和處理的是有關國家安全的政治、經濟、軍事、國防的情況及一些部門、機構、組織的機密信息或是個人的敏感信息、隱私，因此成爲敵對勢力、不法分子的攻擊目標。作爲維護公共安全的重要一環，在量子計算的浪潮下，傳統的信息加密手段已經岌岌可危。對於對稱密碼算法和哈希函數（例如 AES、SHA1、SHA2 等），雖然有量子算法可以理論上攻破，但其影響有限且有很多限制條件，目前威脅尚小。著名的量子算法是1996年的Grover's algorithm。而對於公鑰密碼算法，其安全性依賴的數學問題可以被高效的量子算法所解決。由於底層依賴的數學問題（如離散對數、大整數分解等）被解決，所以這些公鑰密碼算法不再安全，這直接影響目前使用的 RSA、Diffie-Hellman、橢圓曲線等算法。著名的量子算法是 1994 年的 Shor's algorithm。
密 碼量子破譯研究
在本源量子的官方網站（https://qcloud.originqc.com.cn/application）已經給出了破解兩種非對稱加密算法的生動演示，分別針對RSA和ECC加密。RSA是一種建立在質數相乘與質因子分解計算複雜度的不對稱性上的加密算法,被廣泛應用於數據加密和數字簽名技術中。ECC是一種非對稱加密算法，通常被用於密匙協商和數字簽名。相比RSA，ECC優勢是可以使用更短的密鑰，來實現與RSA相當或更高的安全。
而後量子密碼（PQC，也叫抗量子密碼），其最主要的目的就是應對量子破密的威脅，不僅在現在的計算條件下安全，也要在量子計算機下安全。同時要兼具運行速度、兼容性、多場景應用等方面，將是未來社會數據安全的保障。
（5）海量數據庫中的信息檢索
量子計算可以進行快速的信息檢索。Grover搜索算法作爲量子計算中具有代表性算法之一，極大地降低了算法的複雜度，在理論上已多次證明其優越性。在量子計算機上運行的非結構化搜索算法，對輸入數據進行量子編碼，利用振幅放大技術將被標記數據的量子編碼形式的振幅放大達到搜索目的，從而解決非結構化數據中標記數據的搜索問題。該算法有望實現對於公共安全中時刻產生的海量數據庫中有效信息的快速檢索。從海量駁雜無序的數據中，篩選出符合犯罪行爲的高價值數據，能在線索極度缺乏的情況下，快速找到案件偵破的關鍵信息和嫌疑對象，提高破案效率。
在社會治安管理方面，公安機關每天收集海量數據，需要在海量數據中快速搜索有效信息並實時處理，當數據量基數增加時，僅使用經典計算機將無法保證時效。未來可以結合量子計算系統，充分結合大數據、雲計算等技術通過創新社會治安防控手段，實現對各類公共安全相關區域和部位的監控點實施日常視頻巡控，實時視頻、錄像的快速搜索調閱，結合量子算法的圖像識別快速抓取關鍵信息，依託智能分析的預警、快速調度資源對應急事件的可視化應急指揮等。
量子計算圖像識別應用
本源量子此前基於自研的量子機器學習框架VQNet，在量子操作系統本源司南上運行驗證了QGAN量子破損圖像修復應用，能夠實現對破損圖像的修復操作，展現了量子計算機上的生成對抗網絡在人像修復領域擁有相對於經典計算機的速度優勢和空間優勢，未來也可以應用於公安部門日常辦案所需的圖像處理領域，音頻處理領域，加解密領域。
（6）金融領域的風險管控與投資組合優化
量子計算機通過量子計算分析和建模無限數量的當前事件和市場場景，幫助客戶確定最優投資組合； 更有效地識別欺詐指標或大規模的市場變化； 開發全新的金融服務算法和風險控制模型。 未來，量子計算將應用於智能金融、資產和風險管理、高頻交易、欺詐檢測、加密貨 幣等金融服務的各個 領域。
量子期權定價與量子VaR值計算
JP Morgan和IBM在派生定價二次加速量子算法方面展開合作， BMO和XANADU在量子蒙特卡洛算法方面展開合作， 本源量子正與建信金科等國內金融機構開展基於量子蒙特卡羅算法的金融資產風險價值計算與期權定價研究。 西班牙量子金融算法公司Multiverse Computing與多家大型金融機構合作如BBVA和Bankia， 正在 探索量子計算的潛力計算 ， 並且在近期宣佈使用量子計算機解決特定的投資組合優化問題，獲得了 100倍的速度優勢。
（7）生物化學、航空航天等的應用
受限於經典計算機算力，對大型分子的準確性狀模擬依然是較大難題，生物醫藥等領域的新品性狀測試需要通過反覆大量實驗，時間成本高昂。量子計算機的基礎運算單元由微觀粒子或具有宏觀量子態的器件構成，並通過量子態的受控演化，實現信息編碼和計算存儲，所以量子計算天然擅長模擬分子特性，其有望直接幫助人類獲得大型分子性狀，極大縮短新藥開發的理論驗證時間。
在化工領域，量子計算可能會在工業設計與催化劑研發等領域產生作用。傳統的新材料研發一般採用逆向合成法，這種方式是一種典型的經驗驅動的開發方式，科學家在選定目標分子後，不斷地探索各種逆向途徑，整個過程短則幾周，長則幾年，既費時又不容易規模化。
量子計算賦能流體仿真
量子計算機及其算法 亦 可 應用於計算流體動力學、飛機爬升優化、機翼設計優化、飛機裝載優化、求解偏微方程的量子神經網絡等問題。本源量子此前參與了歐洲空客公司組織的全球量子計算挑戰賽，在計算流體動力學項目上獲得單項冠軍，並推出了量子計算流體動力學應用“本源量禹”，未來可在航空航天、熱能動力、環境工程等領域，進行更高效的數值仿真實驗。
國內量子計算頭部企業
在研發與商用領域的優勢
本源量子作爲國內最早切入量子計算賽道的商業公司之一，依託中科院量子信息重點實驗室，在工程化量子計算機整機研製與實用化應用開發領域有着先發優勢。公司以打造實用化量子計算機爲宗旨，着力構建自主可控的量子計算生態圈，打造了以研發製造爲核心的量子計算上下游生產製造鏈、以市場導向和產業需求爲指引的量子計算生態應用鏈、以培養產業化人才爲目標的量子計算科普教育鏈。
目前，公司已推出自主可控的全棧式量子計算解決方案，包括量子芯片、量子測控系統、環境支撐系統、量子云系統、軟件操作系統、應用算法等，並具有一支專精的量子計算工程師隊伍。公司已，向用戶開放量子算力，並實現了向終端用戶進行整機交付。
在量子計算應用領域，本源量子對標國際成熟的應用開發模式，與國內金融、生物醫藥、化學工業、人工智能、網絡安全等多個行業夥伴建立了深度合作機制，共同探索、推廣量子計算的應用。隨着量子計算硬件與軟件技術的快速發展，本源量子將助力國內企業應對量子計算帶來的挑戰。
參考資料
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本源量子. 它擁有指數級算法優勢，我們在本源司南上證明了這一點[EB/OL]. [2021-12-10]. https://mp.weixin.qq.com/s/342_i_hDefKn8xrU2j8eAA.
本源量子官網應用案例
https://qcloud.originqc.com.cn/application
（文中部分圖片來源於網絡）