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從各國(guó)政策、最新硬件、軟件和算法等方面還原量子技術(shù)最新進(jìn)展。
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量子是技術(shù)一系列相關(guān)技術(shù)的未來(lái)機(jī)遇，不僅涉及量子計(jì)算領(lǐng)域，還在傳感與測(cè)量、通信、模擬、高性能計(jì)算等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。并且，這些量子生態(tài)系統(tǒng)及其整個(gè)供應(yīng)鏈之間存在聯(lián)系。近年來(lái)，世界各國(guó)高度重視量子技術(shù)發(fā)展，通過(guò)出臺(tái)政策文件、成立研究機(jī)構(gòu)、支持量子科技研究等方式加大對(duì)量子研發(fā)的投資，促進(jìn)量子科技研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，試圖在未來(lái)建立量子生態(tài)系統(tǒng)。
本期的智能內(nèi)參，我們推薦光子盒的報(bào)告《2021量子技術(shù)全景展望》，從各國(guó)政策、最新硬件、軟件和算法等方面還原量子技術(shù)最新進(jìn)展。如果想收藏本文的報(bào)告，可以在智東西（公眾號(hào)：zhidxcom）回復(fù)關(guān)鍵詞“nc560”獲取。
原標(biāo)題：
來(lái)源 光子盒
《2021量子技術(shù)全景展望》
作者：未注明
歐洲很早就意識(shí)到量子信息處理和通信技術(shù)的潛力。除了 2016 年推出的“量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”外，還通過(guò)調(diào)整其他計(jì)劃（例如其數(shù)字和太空計(jì)劃）的支出，增加其可用資金，為實(shí)現(xiàn)未來(lái)的“量子互聯(lián)網(wǎng)”遠(yuǎn)景奠定基礎(chǔ)。2020 年 5 月，歐盟“歐洲量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”的官網(wǎng)發(fā)布了《戰(zhàn)略研究議程（SRA）》報(bào)告。
10 年內(nèi)，估計(jì)歐盟在整個(gè)量子技術(shù)旗艦計(jì)劃中的相關(guān)量子支出為 30-40 億歐元。
“旗艦計(jì)劃”——在拓展階段，這個(gè)計(jì)劃中的 19 個(gè)項(xiàng)目遍及量子計(jì)算、通信、模擬、傳感和計(jì)量以及基礎(chǔ)科學(xué)。2020 年，這些項(xiàng)目通過(guò)了中期審查，同時(shí)啟動(dòng)了兩個(gè)新項(xiàng)目——QLSI 將硅自旋量子比特添加到已經(jīng)成為目標(biāo)的超導(dǎo)和離子阱量子比特的行列中；NEASQC 專門(mén)針對(duì) NISQ 應(yīng)用程序，解決許多人認(rèn)為缺乏軟件重點(diǎn)的程序的平衡問(wèn)題。
加拿大在現(xiàn)代量子科學(xué)方面有著杰出的貢獻(xiàn)。尤其是在 1984 年 Gilles Brassard（蒙特利爾大學(xué)）提出了著名的 BB84 量子密碼協(xié)議。2002 年，加拿大首創(chuàng)的量子計(jì)算研究所（IQC）在滑鐵盧大學(xué)成立。在 2008-2018 年，量子科學(xué)和技術(shù)投資超過(guò) 10 億加元。
2017 年，加拿大國(guó)家研究委員會(huì)(NRC) 發(fā)起了一個(gè)名為 Quantum Canada 的計(jì)劃。對(duì)于加拿大來(lái)說(shuō)，總部位于加拿大或與加拿大有緊密聯(lián)系的知名量子公司的數(shù)量眾多。例如 D-Wave、Xanadu、1QBit、Quantum Benchmark、evolutionQ、Zapata 和 ISARA。其中，創(chuàng)意破壞實(shí)驗(yàn)室(CDL)一直是量子行業(yè)初創(chuàng)企業(yè)的標(biāo)桿。
到 2020 年，加拿大量子產(chǎn)業(yè)通過(guò)成立新的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，來(lái)鞏固這一地位。2020 年，溫哥華的數(shù)字技術(shù)超級(jí)集群也宣布共同投資資金達(dá) 1.53 億加元。
美國(guó)在量子科學(xué)方面的投資歷史悠久。2020 年是美國(guó)國(guó)家量子倡議(NQI) 計(jì)劃的第二年，并且隨著該計(jì)劃的真正成形，人們也看到了量子科技發(fā)展的亮點(diǎn)。NQI 將在 2019-2023 年支出13 億美元，大量私人資金也已投入其中。
在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)設(shè)立了三個(gè)新的量子飛躍研究所。這些以學(xué)術(shù)為主導(dǎo)的研究所將支持不同領(lǐng)域的研究：
1、 Q-SEnSE——糾纏科學(xué)與工程的量子系統(tǒng)（由科羅拉大學(xué)博爾德分校領(lǐng)導(dǎo)）。采用量子傳感技術(shù)在精密測(cè)量中廣泛應(yīng)用；
2、 HQAN——混合量子架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)（由伊利諾伊大學(xué)香檳分校牽頭）將開(kāi)發(fā)用于離子阱、中性原子和超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)的多節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)臺(tái)，以及分布式量子計(jì)算軟件堆棧。還致力于下一代容錯(cuò)量子比特，同時(shí)與芝加哥量子交易所合作密切；
3、 PFQC——當(dāng)前和未來(lái)的量子計(jì)算（由加州大學(xué)伯克利分校領(lǐng)導(dǎo)）。設(shè)計(jì)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)，為當(dāng)前和未來(lái)的量子計(jì)算平臺(tái)開(kāi)發(fā)有效算法，并驗(yàn)證量子計(jì)算機(jī)能超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
美國(guó)能源部擁有一個(gè)由 17 個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室組成的獨(dú)特網(wǎng)絡(luò)，在美國(guó)研究領(lǐng)域具有獨(dú)特的能力。美國(guó)能源部已經(jīng)建立了五個(gè)國(guó)家量子信息科學(xué)(QIS)研究中心：
1、 Q-NEXT——下一代量子科學(xué)與工程（阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）。將專注于長(zhǎng)距離量子網(wǎng)絡(luò)，量子使能的傳感以及處理和測(cè)試。它將建立兩個(gè)用于材料和器件制造的國(guó)家量子鑄造廠。著名的合作伙伴包括英特爾、IBM、微軟和 ColdQuanta。
2、 C2QA——量子優(yōu)勢(shì)協(xié)同設(shè)計(jì)中心（布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）。旨在克服早期 NISQ 設(shè)備的局限性，以實(shí)現(xiàn)高能、核、化學(xué)和凝聚態(tài)物理科學(xué)應(yīng)用中的量子優(yōu)勢(shì)。五年目標(biāo)是在軟件優(yōu)化，基礎(chǔ)材料和設(shè)備特性以及量子誤差校正等各個(gè)方面改進(jìn) 10 倍。著名的合作伙伴包括 IBM。
3、 SQMS——超導(dǎo)量子材料和系統(tǒng)中心（費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室）。通過(guò)了解引起退相干的物理過(guò)程，專注于創(chuàng)建更好的超導(dǎo)量子比特。旨在利用下一代超導(dǎo)量子比特技術(shù)構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)。
4、 QSA——量子系統(tǒng)加速器（勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）。旨在共同設(shè)計(jì)在科學(xué)應(yīng)用中提供認(rèn)證的量子優(yōu)勢(shì)所需的算法、設(shè)備和工程解決方案。重點(diǎn)技術(shù)包括中性原子、離子阱和超導(dǎo)量子比特。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室是主要合作伙伴。
5、 QSC——量子科學(xué)中心（橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）。發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)和演示拓?fù)淞孔硬牧希猛負(fù)湎到y(tǒng)的算法以及用于測(cè)量異常微弱信號(hào)的新量子系統(tǒng)。微軟是五個(gè)核心成員之一。其他合作伙伴包括 IBM 和 ColdQuanta。
在美國(guó)能源部啟動(dòng)量子戰(zhàn)略之后，美國(guó)國(guó)防部根據(jù)美國(guó)能源部的 17 個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的初始骨干網(wǎng)絡(luò)，提出了量子互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略藍(lán)圖。
中國(guó)“五年規(guī)劃”（尤其是自 2006 年以來(lái)，包括量子科學(xué)）一直推動(dòng)著科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。中央和省級(jí)資金已經(jīng)投入超 15 億美元，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)已經(jīng)成為世界上主要的量子研究中心。迄今為止，中國(guó)擁有全球最大的已部署 QKD 網(wǎng)絡(luò)，并在先進(jìn)空間量子通信技術(shù)方面繼續(xù)保持世界領(lǐng)先地位。“墨子號(hào)”衛(wèi)星和九章量子處理器是該計(jì)劃成功的標(biāo)志。
2006-2020 年，中國(guó)計(jì)劃支出的 10 億美元來(lái)自中央，5 億美元來(lái)自地方。據(jù)官方媒體報(bào)道，到 2022 年，該投資將達(dá)到近 150 億美元（1000 億元人民幣）。目前，正在建立量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（NLQIS）的網(wǎng)絡(luò)。
1、NLQIS 合肥：將成為世界上最大的量子研究機(jī)構(gòu)以及該計(jì)劃的總部。將重點(diǎn)關(guān)注光子、金剛石 NV 色心和硅自旋量子比特技術(shù)以及量子通信和量子感測(cè)。
2、 NLQIS 北京：該分支將專注于理論、離子阱和拓?fù)淞孔颖忍亍?/span>
3、 NLQIS 上海：該分支將專注于超導(dǎo)量子比特和超冷原子以及自由空間量子通信。
阿里巴巴、百度、騰訊和華為都在量子技術(shù)上進(jìn)行了量子投資。國(guó)盾量子和本源量子是著名的創(chuàng)業(yè)公司。“十四五規(guī)劃”詳細(xì)介紹了該計(jì)劃，計(jì)劃將于 2021 年正式通過(guò)。一個(gè)關(guān)鍵概念是“雙循環(huán)”，包括減少對(duì)外國(guó)高科技的依賴，同時(shí)增加對(duì)外國(guó)投資的開(kāi)放度。同時(shí)，創(chuàng)新也是一個(gè)關(guān)鍵主題。
谷歌：今年硬件行業(yè)的首個(gè)重大新聞是 John Martinis 離開(kāi)谷歌，原因是與其領(lǐng)導(dǎo)層 Hartmut Neven的關(guān)系緊張。在谷歌的量子夏季研討會(huì)上，Neven 再次強(qiáng)調(diào)了谷歌計(jì)劃的連續(xù)性，并概述了他們計(jì)劃在 2029 年前建立一個(gè)擁有 100 萬(wàn)個(gè)物理超導(dǎo)量子比特的“小型”FTQC 的里程碑。
即使在離任時(shí)，Martinis 也一直在強(qiáng)調(diào)谷歌在程序和硬件方面的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。然而，還是會(huì)有挑戰(zhàn)。谷歌首選的可調(diào)諧量子比特和快速邏輯門(mén)提供了極大的靈活性和性能，但是 Sycamore53Q 設(shè)備的校準(zhǔn)顯然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
有了額外的控制，就需要在芯片上和芯片外路由額外的控制線。縮放比例會(huì)自動(dòng)增加布線的挑戰(zhàn)和元件數(shù)量與總體故障率之間的關(guān)系。值得注意的是，谷歌在 2020 年報(bào)告的大部分工作都使用了 Sycamore 的 23Q 配置，因?yàn)樽詣?dòng)校準(zhǔn)最初無(wú)法在較大的設(shè)置中提供可接受的 2Q 門(mén)性能。谷歌將材料研究作為提高量子比特相干時(shí)間的一種方法。盡管前景很好，但這需要科學(xué)的進(jìn)步，而不僅僅是工程上的進(jìn)步。
谷歌路線圖——從現(xiàn)在到 2029 年：102Q（邏輯量子比特原型）、103Q（一個(gè)邏輯量子比特）、104Q（可平鋪邏輯模塊）、105Q（工程擴(kuò)大）、106Q（糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)）。通過(guò)表面代碼協(xié)議進(jìn)行錯(cuò)誤糾正。
▲谷歌技術(shù)路線IBM：IBM 很早就開(kāi)始為其路線圖打下基礎(chǔ)。IBM 是推動(dòng)教育更廣泛的社區(qū)的先行者，重要的不僅是量子比特?cái)?shù)量，還有量子比特連接、門(mén)集和可實(shí)現(xiàn)的電路深度（一個(gè)與門(mén)保真度緊密相關(guān)的指標(biāo)）。基于這些屬性，IBM 引入衡量量子計(jì)算機(jī)性能的指標(biāo)——量子體積（QV）。
自 2017 年以來(lái)，IBM 已經(jīng)交付了 28 款性能在穩(wěn)步提高的系列設(shè)備。每年 QV 翻一番的既定目標(biāo)，他們?cè)谶^(guò)去一年中成功做到了兩次。他們的 27Q 處理器達(dá)到了 QV 128 的水平，我們可以期待他們最近發(fā)布的 65Q 處理器會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候超越。到 2023 年，IBM 的目標(biāo)是生產(chǎn)代號(hào)為 Condor 的 1121Q 處理器，將其容納在一個(gè)新的稀釋“超級(jí)冰箱”中。Goldeneye 冰箱目前處于原型階段，旨在容納多個(gè)芯片。
IBM 路線圖–——2021 年 127Q（Eagle）、2022 年 433Q（Osprey）、2023 年 1121Q（Condor），從而形成 100 萬(wàn)量子比特的大規(guī)模系統(tǒng)。通過(guò)顏色代碼協(xié)議進(jìn)行糾錯(cuò)。
▲IBM路線圖IBM 顯然專注于大規(guī)模的 FTQC。Condor 最初的設(shè)計(jì)采用了與最近其他芯片相同的六邊形的布局。這種低連通性設(shè)計(jì)是為了使具有固定頻率量子比特設(shè)計(jì)的芯片更易于制造，同時(shí)旨在使用低連通性顏色代碼而非表面代碼來(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)。以確保他們的路線圖在 2023 年時(shí)比其他公司更清晰。此外，IBM 的超級(jí)冰箱最終能夠堆疊多個(gè)芯片，從而提供“數(shù)百萬(wàn)個(gè)”內(nèi)部連接的量子比特。
在評(píng)估 IBM 能否實(shí)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，很難不被它的過(guò)往記錄所打動(dòng)。IBM 還將大幅減少 2Q 門(mén)錯(cuò)誤。盡管他們最近幾代的處理器在該關(guān)鍵參數(shù)上均表現(xiàn)出穩(wěn)定的改進(jìn)，但是他們的計(jì)劃現(xiàn)在似乎承認(rèn)需要對(duì)他們的 2Q 門(mén)設(shè)計(jì)進(jìn)行更重大的修改。
在保留固定頻率量子比特以利用其允許的長(zhǎng)相干時(shí)間的同時(shí)，IBM 一直在嘗試在每個(gè)門(mén)使用額外的可調(diào)諧振耦合器和旁路電容耦合器。這保證了 2Q 門(mén)的速度更快(誤差也更低)，但是由于相比與其先前技術(shù)設(shè)計(jì)發(fā)生重大變化，到目前為止，只有在簡(jiǎn)單的 2Q 實(shí)驗(yàn)設(shè)備中才能實(shí)現(xiàn)。
為了應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的布線挑戰(zhàn)，IBM 開(kāi)發(fā)了基于三層超導(dǎo)布線的下一代芯片布局。看到這些技術(shù)如何順利地結(jié)合在一起，將是 IBM 路線圖的關(guān)鍵測(cè)試。
在 IQT 歐洲峰會(huì)上，Lieven Vandersypen（QuTech 科學(xué)總監(jiān)）指出，盡管很多人都希望更快地發(fā)展，但量子體積逐年翻倍仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。我們需要回想一下，僅僅增加量子比特是做不到這一點(diǎn)的。同步操作中的 2Q 門(mén)保真度是目前的限制因素。Jay Gambetta（IBM）說(shuō)：“我看到了未來(lái)的挑戰(zhàn)，但沒(méi)有障礙。”
離子阱在 2020 年的發(fā)展非常順利，霍尼韋爾已經(jīng)成為第一個(gè)用其 6Q H0 和 10Q H1 處理器達(dá)到 QV 64 和 QV 128 的廠商。有些人可能想，10Q 處理器怎么能聲稱自己和 IBM 的 27Q 處理器一樣強(qiáng)大呢？但是，這恰恰凸顯了離子阱研究者長(zhǎng)期以來(lái)所闡述的兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：與超導(dǎo)量子比特方法相比，它有優(yōu)越的連接性和更高的門(mén)保真度。這兩個(gè)優(yōu)勢(shì)可以保證更高的 QV。霍尼韋爾處理器也是首款實(shí)現(xiàn)中間電路測(cè)量的處理器，進(jìn)一步提高了靈活性。
霍尼韋爾路線圖（不同的量子比特布局）——2020-2030 年，H1（線性離子阱），H2（跑道布局），H3（網(wǎng)格布局），H4（集成光學(xué)元件），H5（大規(guī)模平鋪）。
▲霍尼韋爾路線圖IonQ 宣布了一款 32Q 設(shè)備，他們希望獲得比以前高得多的 QV，盡管他們現(xiàn)在更喜歡談?wù)撘环N新的衡量指標(biāo)——算法量子比特（AQ）。算法量子位比特（AQ）——IonQ 定義為可用于計(jì)算的有效量子比特的數(shù)量（注意：可用邏輯門(mén)深度仍有限）。在沒(méi)有糾錯(cuò)編碼的情況下，AQ = log 2（QV）。
▲IonQ路線圖離子阱系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是，與超導(dǎo)量子比特相比，它們提供的門(mén)速度要慢得多（通常慢 100到 1000 倍）。他們希望通過(guò)更長(zhǎng)的量子比特壽命和更高的保真度來(lái)彌補(bǔ)這一點(diǎn)，從而減少糾錯(cuò)成本。
IonQ 相信，結(jié)合高保真的物理量子比特，這將足以比其他方法更快地實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)。對(duì)于離子阱系統(tǒng)而言，真正的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)是再次擴(kuò)大規(guī)模，尤其是在它們依賴精細(xì)調(diào)諧的激光系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)其高保真量子比特門(mén)的情況下。就像超導(dǎo)量子比特方法不同一樣，離子阱也不盡相同。
比如，奧地利公司 AQT，他們沒(méi)有使用霍尼韋爾和 IonQ 使用的在超精細(xì)躍遷上定義的量子比特，而是使用在光學(xué)躍遷上定義的量子比特。雖然壽命較短（保真度稍低），但這種量子比特的工作波長(zhǎng)是集成光子組件易于制造的波長(zhǎng)，因此有望實(shí)現(xiàn)更容易的擴(kuò)展。2020 年，這種集成設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室中以這些波長(zhǎng)進(jìn)行了演示。這有望為更輕松地?cái)U(kuò)展該技術(shù)開(kāi)辟道路。AQT 與歐洲量子技術(shù)（QT）旗艦計(jì)劃、AQTION 合作，首次構(gòu)建完整的“機(jī)架系統(tǒng)”。
其他離子阱初創(chuàng)公司的目光不再局限于激光驅(qū)動(dòng)的門(mén)。Universal Quantum、NextGenQ 和 QT旗艦計(jì)劃的 MicroQC 正在尋求將遠(yuǎn)場(chǎng)微波門(mén)帶出實(shí)驗(yàn)室，并應(yīng)用到商業(yè)設(shè)備。投資者可能會(huì)特別注意，與激光驅(qū)動(dòng)門(mén)的許多關(guān)鍵性能記錄密切相關(guān)的 Chris Balance 和 Thomas Harty，已選擇以自己的初創(chuàng)公司作為基礎(chǔ)，建立近場(chǎng)微波門(mén)，如 Oxford Ionics。
離子阱架構(gòu)通常使用模塊之間的光子互連進(jìn)行擴(kuò)展。最近已經(jīng)演示了更快的互連，但是似乎仍然是一個(gè)性能瓶頸。另一方面，Universal Quantum 已經(jīng)證明他們的離子穿梭方法原則上可以提供類似于全連接的 QV。
中性原子量子比特在 2020 年繼續(xù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。它們與離子阱有許多相同的特性，它們的優(yōu)點(diǎn)是中性原子可以被包裹得更緊密。這意味著可以更快地?cái)U(kuò)展到 1000Q 模塊。該技術(shù)又叫作冷原子，因?yàn)樗褂眉す饫鋮s和高度真空來(lái)達(dá)到毫開(kāi)（mK）的溫度，遠(yuǎn)低于低溫冷卻的范圍。
ColdQuanta 是采用這種方法的知名公司，已經(jīng)推出了 QuantumCore 作為一個(gè)基本單元，以瞄準(zhǔn)許多量子領(lǐng)域的機(jī)會(huì)。它也是云上的量子物質(zhì)系統(tǒng) Albert 的基礎(chǔ)。ColdQuanta 已經(jīng)被DARPA（美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局）選中，作為 ONISQ 計(jì)劃的一部分，參與 1000Q 處理器的開(kāi)發(fā)工作，該獎(jiǎng)項(xiàng)的價(jià)值高達(dá) 740 萬(wàn)美元。
ColdQuanta 路線圖——到 2021 年達(dá)到 100Q，到 2022 年達(dá)到 300Q，到 2024 年達(dá)到 1000Q。其他選擇中性原子的公司還有 QuEra、Paswal 和 Atom Computing 等。
2020 年，基于量子點(diǎn)的硅量子比特在實(shí)現(xiàn)其長(zhǎng)期承諾的優(yōu)勢(shì)之一方面取得了重大進(jìn)展。QuTech 和新南威爾士大學(xué)（UNSW）在 1K 的溫度下用金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）量子點(diǎn)演示了量子比特操作。這有望成為一個(gè)操作和擴(kuò)大設(shè)備規(guī)模明顯更容易的機(jī)制，盡管在這些更高的溫度下，相干時(shí)間和保真度是否具有競(jìng)爭(zhēng)力仍有待觀察。
澳大利亞初創(chuàng)公司 Silicon Quantum Computing 一直是硅量子比特的早期推動(dòng)者。2020 年，它宣布了其路線圖的重點(diǎn)，放棄了 MOS 量子點(diǎn)，并加碼了磷原子量子比特。這些設(shè)備使用超尖端制造技術(shù)，提供了超越傳統(tǒng) CMOS 技術(shù)的原子精度方法。
在描述 SQC 的制造技術(shù)時(shí)，Michelle Simmons（SQC 的創(chuàng)始人）指出不僅能夠以原子精度設(shè)計(jì)量子比特，而且同樣的技術(shù)可以在同一器件襯底內(nèi)創(chuàng)建穩(wěn)定、簡(jiǎn)單和原始的控制線路。今年，他們報(bào)道了硅量子比特實(shí)現(xiàn)迄今為止最低的噪聲。從谷歌離開(kāi)后，John Martinis 現(xiàn)在已加入 SQC，將開(kāi)發(fā)具有超快速門(mén)和可擴(kuò)展布線選項(xiàng)的設(shè)備。
2020 年，加拿大初創(chuàng)公司 Photonic Inc 發(fā)表了早期的研究，承諾給硅量子比特“軍械庫(kù)”增加一個(gè)重要的新工具。這有望改善基于硅中 T-centre 缺陷的光子的界面。
中國(guó)的九章實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明這一計(jì)算比迄今為止在任何其他平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的計(jì)算都要復(fù)雜。九章通過(guò)實(shí)現(xiàn)一種被稱為高斯玻色取樣的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，成功構(gòu)建了 76 個(gè)光子 100 個(gè)模式的高斯玻色采樣量子計(jì)算原型機(jī)。在 200 秒的時(shí)間里產(chǎn)生的輸出樣本，聲稱世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī) Fugaku 需要 6 億年才能實(shí)現(xiàn)。它的復(fù)雜程度大大超過(guò)了谷歌 Sycamore 最初的量子優(yōu)勢(shì)演示。
九章并非憑空而來(lái)。至少?gòu)?2006 年起，中國(guó)就一直在增加對(duì)量子技術(shù)的投資。潘建偉團(tuán)隊(duì)的專業(yè)知識(shí)是眾所周知的，在 2019 年，他們首次實(shí)現(xiàn) 20 個(gè)光子 60 個(gè)模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算。最新的實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)令人矚目的科學(xué)成就，并且是再次證明這個(gè)團(tuán)隊(duì)的科學(xué)與工程技術(shù)的杰作。
九章的意義不必過(guò)分解讀。該設(shè)備當(dāng)前的形式是不可編程的，它實(shí)現(xiàn)的是一種靜態(tài)算法，而不是通用的量子計(jì)算方法。也許更重要的是，它是通過(guò)“傳統(tǒng)”光學(xué)平臺(tái)安裝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所有的活性組件仍然是離散的。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的配置，需要進(jìn)行許多手動(dòng)調(diào)整。該方法在科學(xué)上令人興奮，但對(duì)擴(kuò)大規(guī)模提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
量子霸權(quán)——無(wú)論計(jì)算難度的爭(zhēng)論最終結(jié)果如何，九章都會(huì)引起軒然大波。要注意這項(xiàng)技術(shù)能否可編程和可擴(kuò)展。只有這樣才能使它真正具有顛覆性。
QV——IonQ 對(duì)其新 32Q 量子計(jì)算機(jī)預(yù)期很高。實(shí)測(cè)性能真的會(huì)達(dá)到 400 萬(wàn) QV 嗎？(用IonQ 新術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)就是 22AQ)？
QV/s——量子體積可以用來(lái)衡量許多性能指標(biāo)，但它沒(méi)有辦法衡量不同量子比特平臺(tái)之間的原始門(mén)速度差異。預(yù)計(jì)超導(dǎo)量子比特社區(qū)將采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行反擊，使他們能夠展示自己的快速門(mén)。
量子比特?cái)?shù)量——IBM 是否會(huì)第一個(gè)將 100Q+處理器與 127Q Eagle 一起放到云端？或者Rigetti 會(huì)用 4x32Q 多芯片 Aspen 模塊搶占、先機(jī)嗎？我們將從谷歌的“100Q”設(shè)備中看到什么？注意同步 2Q 門(mén)保真度的趨勢(shì)。
邏輯量子比特——關(guān)注主要玩家的糾錯(cuò)演示，這表明他們正在邁向一個(gè)新的重要里程碑——操作邏輯量子比特。
中國(guó)——本源量子能否在云產(chǎn)品中增加 60 量子比特的悟源 2.0 設(shè)備？
歐洲——QT 旗艦項(xiàng)目 OpenSuperQ 預(yù)計(jì)將交付其第一臺(tái)設(shè)備。距離 100Q 還有多遠(yuǎn)，對(duì)應(yīng)的QV 是多少？AQTION 將交付 50Q+設(shè)備；注意它的基于機(jī)架的靈活配置。
英國(guó)——Rigetti 正在英國(guó)建造一臺(tái)基于超導(dǎo)量子比特的機(jī)器，容納于牛津儀器公司最新的Proteox 系列稀釋冰箱之中。關(guān)注這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)可能公布的細(xì)節(jié)。
超導(dǎo)技術(shù)——觀察初創(chuàng)公司的發(fā)展情況以及這種技術(shù)的新特點(diǎn)，如 SeeQC 和 OQC。特別注意 QCI 計(jì)劃的細(xì)節(jié)。這是一支強(qiáng)大的隊(duì)伍，但仍在暗中運(yùn)作。他們選擇支持的內(nèi)容將成為他們?nèi)绾慰创磥?lái)擴(kuò)展挑戰(zhàn)的指南。
量子退火——注意未來(lái) D-Wave 硬件計(jì)劃的細(xì)節(jié)。Qilimanjaro 提出的“相干”量子退火器有什么細(xì)節(jié)。
離子阱技術(shù)——現(xiàn)有的領(lǐng)導(dǎo)者如霍尼韋爾和 IonQ 將由 AQT 推動(dòng)。關(guān)注來(lái)自微波門(mén)技術(shù)初創(chuàng)公司的消息，如 Oxford Ionics、Universal Quantum 和 NextGenQ。
中性原子——2021 年，我們會(huì)看到 ColdQuanta 的 100Q 設(shè)備登上頭條嗎？尤其關(guān)注保真度。關(guān)注更多來(lái)自初創(chuàng)公司 QuEra、Pasqal 和 Atom Computing 的計(jì)劃。
量子點(diǎn)——自旋量子比特原型通常基于硅襯底上的金屬氧化物半導(dǎo)體或硅鍺量子點(diǎn)。在過(guò)去的兩年里，硅襯底上的鍺量子比特已經(jīng)取得了驚人的進(jìn)展，包括由 QuTech 演示的 4Q 處理器。觀察哪種變體將成為領(lǐng)先的量子點(diǎn)量子比特平臺(tái)。
光子平臺(tái)——已經(jīng)開(kāi)發(fā)了這種技術(shù)的多種變體，每種都有不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。絕緣體上硅(SOI)是最成熟的技術(shù)，并得到了 PsiQ 的支持。氮化硅(Si3N4)提供了一個(gè)強(qiáng)大的現(xiàn)有組件生態(tài)系統(tǒng)，并受到 Xanadu 和 QuiX 的青睞。這項(xiàng)技術(shù)的其他變化正在出現(xiàn)。注意這些技術(shù)中哪一項(xiàng)將在量子應(yīng)用中脫穎而出。Duality 會(huì)選擇哪一個(gè)作為它的起點(diǎn)？
拓?fù)淞孔颖忍亍?020 年經(jīng)歷了一次重大的挫折，對(duì)之前 TU Delft 關(guān)于馬約拉納準(zhǔn)粒子的結(jié)果提出了質(zhì)疑。繼續(xù)關(guān)注相關(guān)爭(zhēng)論。
英國(guó)國(guó)家量子計(jì)算中心(NQCC)——關(guān)注 2021 年初多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的資助計(jì)劃。
IBM 繼續(xù)主導(dǎo)著量子云平臺(tái)的研發(fā)。這將是未來(lái)量子計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵，它可以處理更加復(fù)雜的運(yùn)算，而且在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的云計(jì)算服務(wù)市場(chǎng)上，如果推出量子級(jí)別的計(jì)算服務(wù)會(huì)占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，支持開(kāi)發(fā)人員是傳統(tǒng)軟件行業(yè)的任務(wù)，但我們需要牢記，量子計(jì)算的底層技術(shù)與軟件行業(yè)的本質(zhì)是不同的，我們對(duì)待研發(fā)應(yīng)該有徹底的革命精神。
在數(shù)字革命中，軟件被認(rèn)為是至關(guān)重要的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域，許多人期望在新的量子革命中同樣如此。各種各樣的參與者正在研究不同的策略。如今，早期的量子社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)初步形成。
IBM Q：IBM 宣布實(shí)現(xiàn)其量子計(jì)算研發(fā)版圖中的全新里程碑，過(guò)去四年中,IBM Cloud 上部署了 28 個(gè)量子計(jì)算系統(tǒng)，其中 8 個(gè)系統(tǒng)的量子體積達(dá)到 32。IBM Q Network 擁有 115 家客戶、政府、初創(chuàng)企業(yè)、合作伙伴及高校成員。IBM Quantum Experience 注冊(cè)用戶數(shù)超過(guò) 25 萬(wàn)，用戶定期通過(guò) IBM Cloud 在 IBM 量子系統(tǒng)運(yùn)行電路超過(guò) 10 億。研究人員利用 IBM 量子系統(tǒng)已發(fā)表250 多篇學(xué)術(shù)論文。IBM 用于商業(yè)的量子計(jì)算機(jī)服務(wù) IBM Q 取得了階段性的成功。
當(dāng)其他競(jìng)爭(zhēng)者開(kāi)始建立自己的量子社區(qū)時(shí)，IBM 根據(jù)自身在早期階段搭建量子社區(qū)的經(jīng)驗(yàn)出版書(shū)籍。他們指出在不斷發(fā)展的供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)中，可以提供與 Qiskit 兼容的庫(kù)和工具，而不只是 IBM 硬件。
D-Wave 在 2018 年 10 月推出了 Leap 云平臺(tái)，基于 D-Wave 量子退火處理器提供量子計(jì)算云服務(wù)。
量子計(jì)算先驅(qū) Rigetti Computing 推出了 Rigetti 量子云服務(wù)(QCS)——這是一個(gè)利用 Rigetti 的混合量子/經(jīng)典方法開(kāi)發(fā)和運(yùn)行量子算法的完整平臺(tái)。量子優(yōu)勢(shì)是使用量子計(jì)算技術(shù)解決重要或有價(jià)值的業(yè)務(wù)問(wèn)題。最近，越來(lái)越多實(shí)力雄厚的量子公司開(kāi)始投入量子云服務(wù)平臺(tái)的研發(fā)當(dāng)中。亞馬遜 AWS 發(fā)布量子計(jì)算服務(wù) Braket，此外，AWS 還將啟動(dòng)“AWS 量子計(jì)算中心”和“亞馬遜量子解決方案實(shí)驗(yàn)室”，推動(dòng)更多量子計(jì)算的合作。
對(duì)于量子開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，高性能模擬是關(guān)鍵一環(huán)。隨著要模擬的量子比特?cái)?shù)量增加，量子模擬器的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。IBM Quantum 支持一系列離線和在線模擬器。Google 的高性能開(kāi)源量子電路模擬器 Qsim 已證明能在 111 秒內(nèi)在一個(gè)谷歌云節(jié)點(diǎn)中以 14 柵極深度模擬一個(gè) 32 量子比特量子電路。像Amazon Braket 和 Azure Quantum 這樣的參與者非常重視他們靈活配置傳統(tǒng)云硬件以滿足用戶需求的能力。Amazon Braket 提供完全托管的高性能張量網(wǎng)絡(luò)模擬器 (TN1)，這種基于張量網(wǎng)絡(luò)的電路模擬器可以支持高達(dá) 50 個(gè)量子比特的量子計(jì)算模擬。
Atos 是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的全球領(lǐng)導(dǎo)者，同時(shí)也是第一個(gè)成功模擬量子噪聲的公司。其開(kāi)發(fā)的量子模擬器 Atos 量子機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)（Atos QLM）被稱為世界上性能最好的商用量子模擬器，該模擬器將高功率、超緊湊的機(jī)器與通用編程語(yǔ)言相結(jié)合，使研究人員和工程師能夠開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)量子軟件。Atos 公司已在包括奧地利、丹麥、法國(guó)、德國(guó)、荷蘭和美國(guó)在內(nèi)的眾多國(guó)家安裝了量子學(xué)習(xí)機(jī)，量子模擬器能夠模擬多達(dá) 40 個(gè)量子比特。
中國(guó)云產(chǎn)品目前強(qiáng)調(diào)研發(fā)量子計(jì)算模擬器。華為的 HiQ 2.0（出于監(jiān)管原因僅在亞洲使用）最多可模擬 42 量子比特 。阿里巴巴的 AC-QDP 聲稱即使在 50 量子比特時(shí)也可用于某些應(yīng)用。本源量子最近通過(guò)訪問(wèn)其 6 比特量子處理器之一（計(jì)劃擴(kuò)展到 24 比特，正在進(jìn)行中）推出了基于真實(shí)量子計(jì)算機(jī)的云。
與傳統(tǒng)的編譯器相比，優(yōu)化量子編譯器是量子研發(fā)階段的一大挑戰(zhàn)。量子計(jì)算設(shè)備存在物理量子比特之間的有限連接，使得只能在有限的量子比特對(duì)上應(yīng)用雙門(mén)。現(xiàn)實(shí)世界中的量子設(shè)備是存在噪音的，但是可以研發(fā)一種用于表征大型量子計(jì)算機(jī)噪聲的算法以解決這一問(wèn)題。從技術(shù)上講，我們實(shí)際上經(jīng)常在談?wù)撧D(zhuǎn)碼操作，因此互操作性是一個(gè)有用的功能。
編譯器市場(chǎng)中出現(xiàn)了幾個(gè)富有前景的方向，都是建立在深厚的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)上，這些專業(yè)知識(shí)在許多情況下是互補(bǔ)而不是競(jìng)爭(zhēng)。隨著在早期在量子硬件上實(shí)施糾錯(cuò)代碼的競(jìng)爭(zhēng)日漸激烈，編譯器創(chuàng)新又將迎來(lái)新的浪潮。
量子軟件行業(yè)的前景令人印象深刻，但是在量子計(jì)算機(jī)硬件高速增長(zhǎng)的今天，如果沒(méi)有操作系統(tǒng)，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用性將會(huì)大打折扣。
Riverlane 的 Deltaflow.OS 是一個(gè)新的全棧量子操作系統(tǒng)。由總部位于劍橋的量子計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)商 Riverlane 牽頭的財(cái)團(tuán)從英國(guó)政府獲得 760 萬(wàn)英鎊（約合 6900 萬(wàn) RMB）的撥款，用于部署高度創(chuàng)新的量子操作系統(tǒng) Deltaflow.OS。
與其他旨在吸引早期用戶的軟件平臺(tái)形成鮮明對(duì)比的是，Deltaflow.OS 解決了一個(gè)非常重要的問(wèn)題——實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的交互，并充分利用量子計(jì)算性能。為此，它提供了加速開(kāi)發(fā)、低延遲以及在應(yīng)用程序和控制層之間進(jìn)行靈活交互的潛力。
Deltaflow.OS：量子處理器通常由常規(guī)主機(jī)處理器驅(qū)動(dòng)。在這兩者之間，設(shè)想一個(gè)由全局和本地控制節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)。Deltaflow.OS 簡(jiǎn)化了將自定義代碼獲取到由 FPGA 實(shí)現(xiàn)的控制節(jié)點(diǎn)上的任務(wù)，強(qiáng)調(diào)了簡(jiǎn)化的指令集實(shí)現(xiàn)，這些實(shí)現(xiàn)更易于調(diào)試。這種方法有望縮短研發(fā)周期。它還使用分布式而不是分層的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)概念，并公開(kāi)了整個(gè)量子計(jì)算堆棧的不同元素，這些功能有望最大程度地減少運(yùn)行時(shí)的延遲。
Deltaflow.OS 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)布了第一個(gè)版本，該版本與 ARTIQ（一種流行的離子阱控制系統(tǒng)）集成為“Deltaflow-on-ARTIQ”。這是該公司開(kāi)發(fā)支持量子計(jì)算的技術(shù)的最新里程碑，標(biāo)志著 Riverlane 朝著構(gòu)建高性能、可移植于所有量子比特技術(shù)、可擴(kuò)展到數(shù)百萬(wàn)量子比特的量子操作系統(tǒng)的目標(biāo)邁出了重要一步。
真正的量子應(yīng)用軟件的出現(xiàn)還為時(shí)過(guò)早，但是初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)在為這個(gè)未來(lái)市場(chǎng)定位。關(guān)鍵一點(diǎn)在于平衡量子算法的專業(yè)知識(shí)與深入的行業(yè)洞察力，與傳統(tǒng)應(yīng)用軟件領(lǐng)域相比，后者可能甚至更為重要，建立可以與行業(yè)保持互動(dòng)并繁榮發(fā)展的商業(yè)模式是一個(gè)挑戰(zhàn)。
算法專家正在圍繞客戶進(jìn)行試點(diǎn)合作，建立針對(duì)特定行業(yè)的工具和庫(kù)。例如量子化學(xué)中的1QBit QEMIST、CQC 的 EUMEN 和 HQS 的 QAD Cloud 。
其他公司則強(qiáng)調(diào)與基于傳統(tǒng) AI 和數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)的協(xié)同作用。例如 Multiverse 中的 QDL 和FS 中；藥物設(shè)計(jì)中的 ProteinQure。同樣，Qu＆Co 強(qiáng)調(diào)了與 Schr?dinger 的戰(zhàn)略合作關(guān)系，Schr?dinger 是當(dāng)今使用的常規(guī)量子化學(xué)軟件的領(lǐng)導(dǎo)者。
還有的公司則利用量子退火和量子啟發(fā)算法來(lái)獲取利益。例如 1QCloud 中 POLARISqb 和1QBit。
剩下的則在強(qiáng)調(diào)其算法研發(fā)工作中的學(xué)術(shù)實(shí)力。這有助于確保政府資金用于尖端創(chuàng)新。例如Phasecraft 和 BEIT。
盡管目前已經(jīng)取得了進(jìn)步，但要在現(xiàn)在的量子設(shè)備上證明量子算法的優(yōu)勢(shì)仍為時(shí)過(guò)早。未來(lái)的大型量子計(jì)算機(jī)前景可觀，但支出較大。即使擁有一百萬(wàn)個(gè)量子設(shè)備，若使用當(dāng)前的量子糾錯(cuò)方案，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的使用效率而言也只是事倍功半。
量子計(jì)算機(jī)能夠非常輕松地解決世界上最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要漫長(zhǎng)時(shí)間才能解決的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題。早期的理論工作通常集中在容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)項(xiàng)目的研究上。在某些情況下，例如使用 Shor 量子算法（密碼分析），Harrow Hasidim＆Lloyd（線性代數(shù)）和相位估計(jì)（量子化學(xué)），可以指數(shù)化提升運(yùn)行速度。
但是，這種理想化的提速只是設(shè)想。近年來(lái)，人們的研究集中在量子啟發(fā)算法如何用于 NISQ設(shè)備上（例如 VQE、QAOA、QNN 和量子退火），而關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)加速的理論基礎(chǔ)并未得到官方的確立。
Google 的 Sycamore 量子芯片在 2019 年底大獲成功，大大提升了量子計(jì)算性能。谷歌將“春季量子研討會(huì)”作為其量子計(jì)算服務(wù)的亮點(diǎn)，量子研究成果令人印象深刻。Google 對(duì)Sycamore的研究集中在如何縮短量子計(jì)算的時(shí)長(zhǎng)上，使其具有更高的計(jì)算性能。
VQE（變分量子特征值求解算法）用于模擬化學(xué)反應(yīng)過(guò)程——分子級(jí)電子能量的 HartreeFock 計(jì)算上。盡管所執(zhí)行的計(jì)算也可以在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，但該實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了許多用于量子化學(xué)模擬的關(guān)鍵構(gòu)建模塊，為實(shí)現(xiàn)針對(duì)化學(xué)問(wèn)題的量子計(jì)算鋪平了道路。
化學(xué)公式（Trotterisation）用于模擬 8 位 1D Fermi-Hubbard 模型在材料科學(xué)中很受歡迎。令人驚訝的是，Google 能夠成功實(shí)現(xiàn)量子算法所需的量子電路深度接近 500，比當(dāng)前設(shè)備所期望的深度還要深得多。
在多次化學(xué)量子模擬的情況下，Google 展示了基于 N 表示性的錯(cuò)誤緩解決策，極大地改善了實(shí)驗(yàn)的有效保真度。
從金融服務(wù)到物流再到制造業(yè)，優(yōu)化算法是應(yīng)用于實(shí)際案例的重要前提。早期的優(yōu)化算法有QUBO 和 QAOA 以及在傳統(tǒng)硬件上運(yùn)行的量子啟發(fā)算法。BBVA 已完成了一系列針對(duì)金融領(lǐng)域應(yīng)用的前期項(xiàng)目，其中包括初創(chuàng)公司 MultiverseComputing 和 Zapata 。BBVA 與 Multiverse 的合作是動(dòng)態(tài)投資組合優(yōu)化的一個(gè)經(jīng)典案例，該投資組合現(xiàn)在已用于各種早期量子硬件的評(píng)估中，包括對(duì) NISQ、量子退火解決方案和量子啟發(fā)算法的測(cè)試。BBVA 的結(jié)果表明，量子退火解決方案和量子啟發(fā)算法可以很好地解決投資組合問(wèn)題。
在歐洲，汽車(chē)行業(yè)特別活躍，大眾、寶馬和零部件供應(yīng)商博世等公司討論了他們?nèi)ツ甑慕?jīng)歷。優(yōu)化算法再次被視為物流和制造運(yùn)營(yíng)中的關(guān)鍵機(jī)遇。‘
量子計(jì)算機(jī)將對(duì)商業(yè)和社會(huì)產(chǎn)生許多積極影響，但現(xiàn)在并不為世人所了解。當(dāng)量子計(jì)算機(jī)升級(jí)到一定程度時(shí)，它將能夠打破當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全所依賴的公鑰加密系統(tǒng)。更糟糕的是，量子技術(shù)能解密當(dāng)前被攔截和存儲(chǔ)的各種數(shù)據(jù)。
目前，學(xué)術(shù)研究正在迅速跟進(jìn)，以填補(bǔ)技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的新漏洞。包括基于數(shù)學(xué)原理的后量子密碼（PQC），以及基于物理學(xué)原理的量子密碼方法，尤其是量子隨機(jī)數(shù)生成器（QRNG）和量子密鑰分發(fā)（QKD）。
但是，要了解這一迅速發(fā)展的行業(yè)，我們還必須研究一種更為重要的未來(lái)技術(shù)形態(tài)——量子互聯(lián)網(wǎng)。
如今，多家知名量子硬件公司都制定了十年內(nèi)生產(chǎn)出擁有一百萬(wàn)量子比特處理器的未來(lái)路線圖。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，此類設(shè)備可能仍然不足以打破我們目前的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（在 8 小時(shí)內(nèi)達(dá)到 2000萬(wàn)量子比特的估算）。而且，這些計(jì)劃不可能一帆風(fēng)順。
2035 年及以后我們?nèi)杂袠O大可能受到量子互聯(lián)網(wǎng)安全的威脅。但是，不斷更新的量子糾錯(cuò)技術(shù)仍有潛力解決這一威脅。量子技術(shù)可能像曼哈頓計(jì)劃造出原子彈那樣改變世界格局。
自 2006 年以來(lái)，科學(xué)家一直在開(kāi)發(fā)能夠抵抗量子計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)有密碼算法攻擊的新一代密碼算法。自 2016 年以來(lái)，該方法已通過(guò) NIST 的評(píng)估，新的密碼算法基于量子數(shù)字簽名（QDS）和密鑰封裝機(jī)制（KEM）。
通常我們需要通過(guò)鏈路控制協(xié)議進(jìn)行初始身份驗(yàn)證，交換加密密鑰，然后再進(jìn)行消息加密。今天，我們可能會(huì)使用 RSA 2048 + ECDH 256 + AES 128 構(gòu)建公鑰密碼，在量子互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，我們需要升級(jí)到 PQC DS + PQC KEM + AES 256 加密算法。
NIST PQC 評(píng)估——第一輪共有 69 種候選算法同時(shí)滿足最低驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和提交要求，其中 21種遭到破壞或受到嚴(yán)重攻擊。NIST 選擇了 26 種算法進(jìn)入第二輪進(jìn)行更多分析，其中 8 種遭受了攻擊。到 2021 年，第三輪將完成對(duì) 7 個(gè)決賽選手的評(píng)估。標(biāo)準(zhǔn)草案預(yù)計(jì)在 2022 年發(fā)布以征詢公眾意見(jiàn)，最終草案將于 2024 年發(fā)布。
現(xiàn)在 NIST 的決賽入圍者已經(jīng)出現(xiàn)，我們可以更清楚地了解中期 PQC 領(lǐng)域中可用的工具。NIST 評(píng)估過(guò)程進(jìn)展順利，并正在計(jì)劃中。令人欣慰的是，盡管早有憂慮，但我們認(rèn)為 PQC能抵抗來(lái)自量子計(jì)算機(jī)的攻擊。
隨機(jī)數(shù)是幾乎所有密碼系統(tǒng)的基本組成部分。QRNG 是一款超小型量子隨機(jī)數(shù)生成器芯片原型。ORNG 已經(jīng)被用于一些新興的科技產(chǎn)業(yè)商品中。IDQ 及其戰(zhàn)略合作伙伴 SK 電信在 2020 年通過(guò)在三星手機(jī)上搭載小型 QRNG 芯片而引人注目。
IDQ 還簽署了越南智能手機(jī)制造商 VinSmart，并暗示其他手機(jī)制造商將很快效仿。國(guó)家計(jì)劃大力支持這些技術(shù)研發(fā)。IDQ 和 Quside 受益于量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目的幫助，致力于研究如何使芯片更加便攜，同時(shí)，KETS 也從英國(guó) NQTP 項(xiàng)目中受益。
量子技術(shù)還可以用于在兩方之間安全地共享加密密鑰。QKD 應(yīng)用到量子力學(xué)的基本特性(如量子不可克隆性、量子不確定性等)來(lái)確保任何企圖竊取傳送中的密鑰都會(huì)被合法用戶所發(fā)現(xiàn)，這是 QKD 比傳統(tǒng)密鑰分發(fā)所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
QKD 的優(yōu)缺點(diǎn)——量子密鑰分發(fā)的安全性基于量子力學(xué)的基本原理，而傳統(tǒng)密碼學(xué)是基于某些數(shù)學(xué)算法的計(jì)算復(fù)雜度。傳統(tǒng)密碼學(xué)無(wú)法察覺(jué)竊聽(tīng)，也就無(wú)法保證密鑰的安全性。QKD 只能在傳輸時(shí)受到攻擊，因此可以用來(lái)提供獨(dú)特的持久安全保證。
它的主要缺點(diǎn)是需要額外的硬件以及成本。在早期不成熟的量子設(shè)備中，密鑰速率不高，而且范圍必須限制在 70-90km，才能使用受信任的節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行中繼協(xié)議。
現(xiàn)在，越來(lái)越多的公司以盈利的模式提供 QKD 系統(tǒng)。國(guó)盾量子為迄今為止全球最大的運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)提供硬件服務(wù)。目前正在擴(kuò)展 2000 公里京滬干線，并建設(shè) 5500 公里的延長(zhǎng)線。已經(jīng)完成了合肥和武漢之間 700 公里的橫向干線建設(shè)，另外還有 360 公里的在建工程和 2200 公里的擬建工程。
在歐洲，EuroQCI 計(jì)劃包括 25 個(gè)歐盟國(guó)家和歐盟委員會(huì)、歐空局，其目標(biāo)是建立泛歐安全的量子通信基礎(chǔ)設(shè)施。OpenQKD 已在歐洲建立了 14 個(gè)測(cè)試中心。這些不僅包括電信骨干網(wǎng)和云數(shù)據(jù)中心等核心領(lǐng)域，還包括智能電網(wǎng)，電子醫(yī)療和電子政務(wù)等應(yīng)用領(lǐng)域。
在過(guò)去的兩年中，Quantum Xchange 推出了產(chǎn)品 Phio QK（多點(diǎn) QKD）和 Phio TX（一種提供帶外和 PQC 密鑰的嵌入式解決方案），以用于服務(wù)紐約金融、電信和政府部門(mén)。
實(shí)現(xiàn)真正的量子互聯(lián)網(wǎng)仍有很長(zhǎng)的路要走。但是，與當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)類似，一開(kāi)始的標(biāo)準(zhǔn)和架構(gòu)將會(huì)對(duì)未來(lái)產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。現(xiàn)在了解量子互聯(lián)網(wǎng)可能的應(yīng)用領(lǐng)域可能有助于我們做出更好的決策。
盲量子計(jì)算——一種遠(yuǎn)程的量子計(jì)算模式，這有望簡(jiǎn)化從客戶端發(fā)送所需的量子態(tài)。在量子時(shí)代，“盲”意味著量子服務(wù)商無(wú)法獲得計(jì)算任務(wù)的全部信息，從而保證了計(jì)算的安全性。
手持式設(shè)備——英國(guó)的 Quantum Comms Hub 一直在致力于開(kāi)發(fā)了便攜式 QKD 設(shè)備。目的是通過(guò)創(chuàng)建用于 PIN 保護(hù)和身份驗(yàn)證的手持式消費(fèi)者設(shè)備來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)有應(yīng)用程序的安全性，例如與 ATM 的交互。這是一項(xiàng)使量子互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入未來(lái)智能設(shè)備的技術(shù)，如非接觸式支付、訪問(wèn)控制和數(shù)字簽名。
通用的基礎(chǔ)技術(shù)正在開(kāi)發(fā)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，以用于量子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。新產(chǎn)品在陸續(xù)上市，并且產(chǎn)品將層出不窮。創(chuàng)新型領(lǐng)導(dǎo)者正在為量子領(lǐng)域的研發(fā)者樹(shù)立榜樣，證明野心和收獲是成正比的。量子的長(zhǎng)期潛力巨大。
鑒于潛在的量子應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，量子技術(shù)不僅涉及計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)，還在計(jì)時(shí)、傳感和成像方面發(fā)揮著重要功能。研發(fā)的挑戰(zhàn)通常是將技術(shù)帶出實(shí)驗(yàn)室，并使它們可實(shí)際運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)生活中。
OPMs（光泵磁力儀）：在用于非侵入性研究人腦活動(dòng)的 MEG 掃描儀中，SQUID 技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。基于 OPMMEG 系統(tǒng)的 OPMs 使傳感器不再笨重，可適用于所有群體。
經(jīng)過(guò)四年的發(fā)展，初創(chuàng)公司 Cerca 已將 OPM-MEG 掃描儀用于臨床評(píng)估，以便發(fā)現(xiàn)更多的臨床診斷標(biāo)志物和新的治療機(jī)會(huì)。
一些早期的量子初創(chuàng)公司已經(jīng)研發(fā) OPM 技術(shù)很多年。Cerca 面臨的主要挑戰(zhàn)包是如何保證頭盔的“私人定制”性，使被測(cè)試者戴上該頭盔后，依然可以自由地進(jìn)行頭部活動(dòng)，同時(shí)保證收集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。解決此類問(wèn)題需要大量的技術(shù)人才和多樣化的技能。國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃不僅會(huì)為研發(fā)資金提供幫助，還會(huì)建立合適的網(wǎng)絡(luò)。量子技術(shù)投資者需要選擇合適的合作伙伴，并制定合理的研發(fā)計(jì)劃。
金剛石 NV 色心可以在環(huán)境溫度下操作，雖然靈敏度不高，但是卻可以實(shí)現(xiàn)小型化，并且其毒性質(zhì)使其特別適合現(xiàn)場(chǎng)生物測(cè)量。Qnami 受益于量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目 ASTERIQS 的參與。該項(xiàng)目的合作伙伴還包括泰雷茲集團(tuán)、博世、NVision 和比利時(shí)微電子研究中心，他們各自在金剛石技術(shù)上尋求不同的應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)有望帶來(lái)許多令人驚訝的用途。
HP-MRI 是一種先進(jìn)的核磁共振診斷技術(shù)，可以追蹤注入人體的糖分并顯示糖分變成什么。例如，在報(bào)告胸痛的患者中區(qū)分有生命/無(wú)生命的心臟組織時(shí)，這很有用。但是，由于生產(chǎn)該方法消耗的超極化分子緩慢且昂貴，因此該技術(shù)未被廣泛采用。使用金剛石 NV 色心有望實(shí)現(xiàn)更快、成本效益更高且可部署的解決方案。
量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目 MetaboliQs 正在尋求開(kāi)發(fā)基于 NV 金剛石的 HP-MRI 技術(shù)。他們最近從概念驗(yàn)證轉(zhuǎn)變?yōu)樾阅芴岣吡?1000 倍的原型。
政府計(jì)劃將在加速該技術(shù)適應(yīng)各種應(yīng)用方面發(fā)揮重要作用。另外對(duì)于分布式量子計(jì)算和量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的金剛石 NV 色心，投資者也不應(yīng)感到驚訝。
量子技術(shù)或許是二十一世紀(jì)人類技術(shù)最重要的突破之一，在近些年得到了快速的發(fā)展。但是，目前的量子技術(shù)很多還處于非常初級(jí)的階段，對(duì)于新技術(shù)我們也需要保持一顆理性的態(tài)度去看待，不應(yīng)過(guò)分地解讀與炒作。
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