2021量子技术全景展望

第一章：主要国家的量子发展路线图

一、欧洲

欧洲很早就意识到量子信息处理和通信技术的潜力。除了“量子技术旗舰计划”外，还通过调整其他计划的支出，增加其可用资金，为实现未来的“量子互联网”远景奠定基础。“量子技术旗舰计划” 全程开放式运作，不仅促进了每个项目各成员国内部的协作，还促 进了项目之间的协作，通过出色的欧洲量子周之类的活动展示了自己的形象，同时也使研究进展更加透明。

欧盟的关键政策目标是确保欧洲成功进行数字化过渡。地平线 2020（2014-2020）对欧盟的研究与创新计划提供了支持，是量子技术旗舰计划资金的主要来源，也是数字化议程中的优先事项。

该程序目前正面临不利因素。英国脱欧，COVID-19 危机以及一些中欧国家向民权的转移， 为欧盟的预算程序掀起了一场风暴。这并没有威胁到该计划的现状，但它限制了计划中增加预算资金的范围。

传统上，欧洲研究计划倡导开放科学，开放创新和对世界开放的价值观。准成员资格允许非 欧盟国家参加其研讨活动，QuantERA 资助机制更鼓励各国在整个欧洲研究领域进行合作。 因此，量子技术旗舰计划开始探索与加拿大，日本和美国的潜在合作。但是，确保数字或技术主权已成为欧盟目标中越来越重要的一部分，这包括限制中美两国利益的依赖性和影响 力，这样的限制为未来计划开展中的包容性和灵活性带来了不确定性。

1.德国

德国政府已经宣布，为应对新冠肺炎疫情冲击，将提供 20 亿欧元用于量子科技研究，为 2018- 2022 年间计划用于量子研究的预算支出打下了基础。在 2020 年下半年再次强调量子技术在数据主权等方面的重要作用，同时，德国已经对非欧盟国家的相关高科技公司进行了更严格的限制。

2.荷兰

荷兰已经成为量子研究活动的重要中心。于 2014 年成立的 QuTech 已经具有“国家标志”的 地位。它与专业公司、主要专家以及有趣的初创公司建立了牢固的行业关系。

荷兰坚定不移地将本国定位为“通往欧洲的量子门户”，并期望建立量子硅谷，强调其中心的地理位置：高度的商业便利性和高质量的生活。目前，荷兰与微软和英特尔之间的合作关系稳定，同时不断从 QIA 和 iqClock 等量子技术旗舰计划项目中受益。2020 年，Quantum Inspire 成为荷兰量子计算生态系统的一个重要里程碑，这是欧洲第一个基于量子云的平台。

3.法国

法国已从量子领域集群以及相关的高科技产业专业知识中受益，与法国有着紧密联系的大型 企业已经在量子领域取得了显著成绩。2020 年初，法国推出了一项为量子技术构建一个国家战略的计划，此战略计划为科研和工业部署尖端量子计算基础设施投资。

4.英国

英国的 NQTP 被认为是世界上第一个以开拓最广泛的领域为目标的量子技术计划，该计划 横跨量子计算、通信、计时、传感和成像等领域。

人才教育是英国量子计划的另一个重点。NQTP 希望使英国成为量子企业和量子人才的“理想之地”。在 NQTP 的第二阶段，英国量子计划取得了显著成就。充满活力的量子研究环境已经初步形成。英国继续在全球各地建立牢固的研究合作关系，正不断为量子融资寻找渠道。

二、北美

1.加拿大

加拿大在现代量子科学方面有着杰出的贡献。尤其是在 1984 年 Gilles Brassard（蒙特利尔大学）提出了著名的 BB84 量子密码协议。2002 年，加拿大首创的量子计算研究所（IQC）在滑铁卢大学成立。在 2008-2018 年，量子科学和技术投资超过 10 亿加元。到 2020 年，加拿大量子产业通过成立新的产业联盟，来巩固这一地位。2020 年，温哥华的 数字技术超级集群也宣布共同投资资金达 1.53 亿加元。

2.美国

美国在量子科学方面的投资历史悠久。2020 年是美国国家量子倡议(NQI) 计划的第二年，并且随着该计划的真正成形，人们也看到了量子科技发展的亮点。

美国国家科学基金会设立了三个新的量子飞跃研究所，这些以学术为主导的研究所将支持不同领域的研究。美国能源部拥有一个由 17 个国家实验室组成的独特网络，在美国研究领域具有独特的能力。 美国能源部已经建立了五个国家量子信息科学(QIS)研究中心。同时，每个研究机构还强调它们在培训和劳动力发展中扮演的角色。

美国已对量子领域的研究做出了下一步计划。新一代超导量子比特技术是一个重点研究领 域，紧随其后的是离子阱和中性原子平台的研究。对于算法、软件平台和量子感测也应给予 关注。

许多新研究中心也强调了对学科应用的重视。科学应用程序所开创的先进技术随后会应用到更广泛的领域，这确实代表了工业合作伙伴的潜在威胁，在某些情况下，这些合作伙伴在项目重点方面会与学术 研究者有所不同。

NQI 程序已完全启动并运行。鉴于它坚实的基础可以期望在未来的几年中，会取得令 人振奋的成果。现在的疑问在于，美国计划的实现将在多大程度上依赖与国际伙伴的合作。

三、中国

中国“五年规划”一直推动着科学和技术领域的 发展。中央和省级资金已经投入超 15 亿美元，中国科学技术大学已经成为世界上主要的量 子研究中心。迄今为止，中国拥有全球最大的已部署 QKD 网络，并在先进空间量子通信技术方面继续保持世界领先地位。“墨子号”卫星和九章量子处理器是该计划成功的标志。

正在建立量子信息科学国家实验室（NLQIS）的网络。国家量子网络将继续发展，以使其更安全，更快速，更广泛。量子技术将成为高科技领域的重点之一，强调发展量子科学和技术的重要性和紧迫性。同时，中国 AI 和航空计划的持续发展也互为补充， 也着重规划了量子科技到 2035 年的路线图。

四、来自世界各地的量子科技发展

1.澳大利亚

澳大利亚的量子研究部门非常活跃，形成了多元化的量子创业公司。在主要的量子国家中，澳大利亚几乎没有单独的量子战略计划。然而，2020 年，澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)制定了发展澳大利亚量子技术产业的战略，并成立了澳大利亚量子技术论坛（AusQuantech）以促进该行业发展。

2.日本

2018 年日本政府启动新的项目，包括超导量子比特 NISQ 计算机和 NISQ 软件程序。“Moonshot”研发投资计划预计将投入约 150 亿至 200 亿日元，希望在 2050 年之前制造出 容错通用量子计算机。2020 年初，日本量子技术和创新战略初步完成，优先研究领域包括量子模拟与计算、通信和 传感。

3.俄罗斯

俄罗斯量子中心（RQC）成立于 2010 年。俄罗斯的量子研究得到了当地政府和工业实体的 支持。到 2020 年，已形成三个单独的量子研究路线图，每个路线图都针对不同的量子领域基础。

4.新加坡

2007 年，新加坡政府帮助建立了 CQT（量子技术中心）。2020 年，它启动了一个新的为期 5 年的量子工程计划，其中，Quantum SG 的创建是该计划的重点。

五、全球学术合作

由于担忧中国被赶超，导致 NQI 的支持开始动摇。在欧洲，欧盟的量子计划和德国的大规 模量子新战略将以确保量子技术主权作为主要目标。中国重视“双循环”战略，强调技术自给自足。量子技术日趋商业化也日益吸引领先的研究人员从事该领域工作，最终将导致公开 分享研究成果的机会落空。

六、量子投资的时机

量子硬件、软件、通信和传感通过许多常见的技术链接在一起，无论是在宣传程度还是获取收益的时间线来讲，它们在商业上都不是同步的。同样，无论科学家是否有所突破，都会有无数人在填补量子理论的空白。

七、2021 展望

中国的“十四五”规划——墨子号和九章的成功是建党 100 周年的一份巨大献礼。未来五年 中国在量子、人工智能和天基技术领域的投资细节即将浮出水面。该规划将于 2021 年 3 月 获得全国人大的正式批准。

欧洲的投资——越来越多的欧洲国家有自己的重要计划。未来 7-8 年，整个欧洲的投资能否 超过 80-90 亿欧元？

地平线欧洲计划——地平线欧洲的国际参与将如何发展？

量子技术旗舰计划——随着 2021-2027 年欧盟最终预算协议尘埃落定，期待下一波欧洲量子 项目的投融资消息。

欧洲量子财团——QuIC 是量子技术旗舰计划中的一个核心财团；EQIC 是在欧洲光电子行 业协会EPIC支持下成立的一个财团。这些财团能帮助他们的成员一起做什么？注意加拿大、 澳大利亚和新加坡会有类似的财团。

欧洲核子研究组织（CERN）、国际热核聚变实验堆（ITER）计划或空中客车（AIRBUS）— —欧洲已经推出了许多用于大规模科学、研究或商业合作的模式。请留意关于哪种模式最适 合量子技术的重大创新的争论。

英国——注意通过产业战略挑战基金(ISCF)以及其他的高风险、高回报计划资助的更多量子 项目。英国能否调动伙伴关系和资源来保持在量子方面的竞争地位？

日本——预计量子技术将在 2021 年初批准的日本第六个科学和技术基本计划（2021-26）中 发挥重要作用。

俄罗斯——关注俄罗斯原子能公司(Rosatom)、俄罗斯铁路公司和俄罗斯国家技术集团(Rostec) 主导的路线图的细节。

美国——有了三个新的国家科学基金会研究所和五个新的美国能源部研究中心，请注意这些 美国发起的量子部门将掀起一场风暴。该计划能否证明它不仅仅是各部门的简单相加？

美国国会——关注量子用户扩展(QUEST)法案和量子网络基础设施法案的进展。NQI 的这些 延伸法案会在新一届国会中被重新引入并通过吗？

第二章：2021 量子硬件展望

中国的量子优势论证登上了头条新闻，但尚未在量子计算竞赛中占据领导地位。领先的硬件团队已经为未来的马拉松确定了发展路线，而纠错已成为故事的关键部分。扩大规模的挑战 仍然突出。

越来越多的量子专业公司、初创公司和研究机构开始打造范围越来越广的量子硬件。从早期 的 NISQ（含有噪音的中型量子）设备到全规模的 FTQC（容错量子计算）设备。

九章实验可能因完成了最复杂的计算而获得第一名，但在头条背后，这个新的里程碑有多重 要呢？IBM 可以指出最大的云计算项目和高级用法的拐点。离子阱玩家争相在量子体积上处于领先地位，但在量子比特数量上仍然落后。

一、超导量子比特为重大突破做好了准备

1.谷歌——过渡的一年

在谷歌的量子夏季研讨会上，Neven 再次强调了谷歌计划的连续性，并概述了 他们计划在 2029 年前建立一个拥有 100 万个物理超导量子比特的“小型”FTQC 的里程碑。即使在离任时，Martinis 也一直在强调谷歌在程序和硬件方面的领先优势。谷歌首选的可调谐量子比特和快速逻辑门提供了极大的灵活性和性能，但是 Sycamore 53Q 设备的校准显然是一个挑战。有了额外的控制，就需要在芯片上和芯片外路由额外的控 制线。缩放比例会自动增加布线的挑战和元件数量与总体故障率之间的关系。谷歌将材料研究作为提高量子比特相干时间的一种方法，需要科学的进步，而不仅仅是工程上的进步。

谷歌的近期目标是证明物理量子比特错误可以通过使用增大尺寸的原型逻辑量子比特系统地减少 ——有效地在实践中证明使用表面编码协议进行纠错，而不仅仅是理论中。创建约 10,000 个物理量子比特的可平铺模块是传统计算机设计核心的逻辑门的真正等价物，代表了“物理风险在降低”，投资者仅需担心传统工程的挑战。谷歌的愿望是在 2025/2026 年左右达到这一目标。

2.IBM——蓝色巨人

自 2017 年以来，IBM 已经交付了 28 款性能在稳步提高的系列设备。他们的 27Q 处理器达到了 QV 128 的水平，可以期待他们最近发布的 65Q 处理器会在适当的时候超越。到 2023 年，IBM 的目标是生产 代号为 Condor 的 1121Q 处理器，将其容纳在一个新的稀释“超级冰箱”中。Goldeneye 冰箱 目前处于原型阶段，旨在容纳多个芯片。

IBM 显然专注于大规模的 FTQC。Condor 最初的设计采用了与最近其他芯片相同的六边形 的布局。这种低连通性设计是为了使具有固定频率量子比特设计的芯片更易于制造，同时旨 在使用低连通性颜色代码而非表面代码来进行纠错。以确保他们的路线图在 2023 年时比其 他公司更清晰。

在保留固定频率量子比特以利用其允许的长相干时间的同时，IBM 一直在尝试在每个门使用额外的可调谐振耦合器和旁路电容耦合器。这保证了 2Q 门的速度更快(误差也更低)，但 是由于相比与其先前技术设计发生重大变化，到目前为止，只有在简单的 2Q 实验设备中才 能实现。

3.超导多样性

Rigetti 使用了一种独特的超导量子比特方法，寻求在 IBM 长寿命固定频率量子比特和谷歌可调谐量子比特提供的快速门之 间找到一条中间道路。2020 年，Rigetti 获得由 DARPA 的 ONISQ 计划提供的 860 万美元资助，参与一个 1000 万英 镑的项目帮助英国部署第一台商用量子计算机。

Wave 继续走自己的道路，专注于量子退火。这使 D-Wave 迅速扩大规模，瞄准早期客户机 会。其最近推出的 Advantage 系统是一个重大升级，5000 个量子比特中有 15 个量子比特互 相连接。但是，该技术的一个缺点是，它在理论上没有很好的途径来实施纠错，因此最终无 法扩展到 FTQC。

芬兰的 IQM 是一家提供差异化产品的初创公司。IQM 将为研究机构和高性能计算中心构建 现场量子计算机，并为企业客户提供协同设计方法。2020 年，IQM 赢得了 VTT 和芬兰政府的联合创新公开招标。这项耗资 2070 万欧元的项目 将于 2024 年在芬兰交付一台 50Q 量子计算机。

二、进击的离子阱

量子在 2020 年的发展非常顺利。尽管 QV 是 IBM 率先提出的一种衡量方法，但是霍尼韦尔 已经成为第一个用其 6Q H0 和 10Q H1 处理器达到 QV 64 和 QV 128 的厂商。离子阱研究者长期以来所阐述的两个优势：与超导量子比特方法相比，它有优越的连接性和更 高的门保真度。这两个优势可以保证更高的 QV。霍尼韦尔处理器也是首款实现中间电路测 量的处理器，进一步提高了灵活性。

对于离子阱系统而言，真正的长期挑战是再次扩大规模，尤其是在它们依赖精细调谐的激光 系统来驱动其高保真量子比特门的情况下。就像超导量子比特方法不同一样，离子阱也不尽 相同。

离子阱架构通常使用模块之间的光子互连进行扩展。最近已经演示了更快的互连，但是似乎 仍然是一个性能瓶颈。另一方面，离子穿梭方法原则上可以提供类似于全连接的 QV。

三、云中的中性原子

中性原子量子比特在 2020 年继续突飞猛进的发展。它们与离子阱有许多相同的特性，它们 的优点是中性原子可以被包裹得更紧密。这意味着可以更快地扩展到 1000Q 模块。ColdQuanta 是采用这种方法的知名公司，已经推出了 QuantumCore 作为一个基本单元，以瞄准许多量子领域的机会。它也是云上的量子物质系统 Albert 的基础。

四、长期使用的硅

2020 年，基于量子点的硅量子比特在实现其长期承诺的优势之一方面取得了重大进展。 量子比特操作有望成为一个操作和扩大设备规模明显更容易的机制，尽管在这些更高的温度下，相干时间和保真度是否具有竞争力仍有待观察。

在描述 SQC 的制造技术时，不仅能够以原子精度设计量子比特，而且同样的技术可以在同一器件衬底内创建稳定、简单和原始的控制线路，将开发具有超快速门和可扩展布线选项的设备。

五、光子破坏者

中国的九章实验能够证明这一计算比迄今为止在任何其他平台上实现的计算都要复杂。九章通过实现一种被称为高斯玻色取样的算法来实现这一点，成功构建了 76 个光子 100 个模式 的高斯玻色采样量子计算原型机。在 200 秒的时间里产生的输出样本，声称世界上最强大的超级计算机 Fugaku 需要 6 亿年才能实现。它的复杂程度大大超过了谷歌 Sycamore 最初的量子优势演示。

九章并非凭空而来。至少从 2006 年起，中国就一直在增加对量子技术的投资。潘建伟团队 的专业知识是众所周知的，在 2019 年，他们首次实现 20 个光子 60 个模式干涉线路的玻色 取样量子计算。最新的实验是一项令人瞩目的科学成就，并且是再次证明这个团队的科学与 工程技术的杰作。

九章当前的形式是不可编程的，它实现的是一种静态算法，而不是通用的量子计算方法。也许更重要的是，它是通过“传统”光学平台安装来实现的。所有的活性组件仍然是离散的。为了实现稳定的配置，需要进行许多手动调整。该方法在科学 上令人兴奋，但对扩大规模提出了严峻的挑战。

西方国家多年来一直在追求集成光子技术，将其作为实现真正可扩展的光量子计算的一条有 前途的途径。这要求（几乎）所有必需的组件集成到一个设备当中。主动可编程设备的演示 可以追溯到 2015 年。

六、扩大规模

各种不同的量子比特技术突破 100 到 1000 量子比特唯一的问题是可扩展性，有足够好的量子比特来解决你真正想要解决的商业问题。大多数领先的硬件厂商都已经制定了自己的路线图，他们的硬件将花费大部分时间进行纠错。关于如何最好地做到这一点的争论已经与量子比特技术的争论交织在一起。

七、2021 展望

量子霸权——无论计算难度的争论最终结果如何，九章都会引起轩然大波。要注意这项技术 能否可编程和可扩展。只有这样才能使它真正具有颠覆性。

QV——IonQ 对其新 32Q 量子计算机预期很高。实测性能真的会达到 400 万 QV 吗？

QV/s——量子体积可以用来衡量许多性能指标，但它没有办法衡量不同量子比特平台之间 的原始门速度差异。预计超导量子比特社区将采取适当的措施进行反击，使他们能够展示自 己的快速门。

量子比特数量——IBM 是否会第一个将 100Q+处理器与 127Q Eagle 一起放到云端？或者 Rigetti 会用 4x32Q 多芯片 Aspen 模块抢占、先机吗？从谷歌的“100Q”设备中看到什么？注意同步 2Q 门保真度的趋势

逻辑量子比特——关注主要玩家的纠错演示，这表明他们正在迈向一个新的重要里程碑—— 操作逻辑量子比特。

中国——本源量子能否在云产品中增加 60 量子比特的悟源 2.0 设备？

欧洲——QT 旗舰项目 OpenSuperQ 预计将交付其第一台设备。距离 100Q 还有多远，对应的QV 是多少？AQTION 将交付 50Q+设备；注意它的基于机架的灵活配置。

英国——Rigetti 正在英国建造一台基于超导量子比特的机器，容纳于牛津仪器公司最新的 Proteox 系列稀释冰箱之中。关注这台量子计算机可能公布的细节。

超导技术——观察初创公司的发展情况以及这种技术的新特点，如 SeeQC 和 OQC。特别注 意 QCI 计划的细节。这是一支强大的队伍，但仍在暗中运作。他们选择支持的内容将成为他们如何看待未来扩展挑战的指南。

量子退火——注意未来 D-Wave 硬件计划的细节。Qilimanjaro 提出的“相干”量子退火器有 什么细节。

离子阱技术——现有的领导者如霍尼韦尔和 IonQ 将由 AQT 推动。关注来自微波门技术初 创公司的消息，如 Oxford Ionics、Universal Quantum 和 NextGenQ。

中性原子——2021 年会看到 ColdQuanta 的 100Q 设备登上头条吗？尤其关注保真度。 关注更多来自初创公司 QuEra、Pasqal 和 Atom Computing 的计划。

量子点——自旋量子比特原型通常基于硅衬底上的金属氧化物半导体或硅锗量子点。在过去 的两年里，硅衬底上的锗量子比特已经取得了惊人的进展。观察哪种变体将成为领先的量子点量子比特平台。

硅保真度——展示真正高保真的 2Q 门性能仍然是一个关键目标。关注 QLSI 财团透露的细 节。我们会看到 SQC 或 Photonic Inc 开始赶上量子比特的高保真度吗？

光子平台——已经开发了这种技术的多种变体，每种都有不同的优势和劣势。绝缘体上硅 (SOI)是最成熟的技术，并得到了 PsiQ 的支持。氮化硅(Si3N4)提供了一个强大的现有组件生 态系统，并受到 Xanadu 和 QuiX 的青睐。这项技术的其他变化正在出现。注意这些技术中 哪一项将在量子应用中脱颖而出。Duality 会选择哪一个作为它的起点？

专用设备——重视量子模拟器是欧盟量子旗舰的一个特点。注意 PASQuanS 和 Qombs 等项 目的结果。通过 ATOS、法国电力和空客等公司，终端用户的参与度在这里尤其高。关注来自初创公司的原型计划。

拓扑量子比特——2020 年经历了一次重大的挫折，对之前 TU Delft 关于马约拉纳准粒子的 结果提出了质疑。继续关注相关争论。

控制硬件——R&D 市场将成为苏黎士仪器和 Quantum Machines 等控制专家的重要跳板。 IBM、谷歌、英特尔和微软等巨头都将目光投向了距离量子硬件更近的低温 CMOS 控制硬 件。Seeqc 正在开发自己的具有潜在颠覆性的“数字”控制技术。

英国国家量子计算中心(NQCC)——关注 2021 年初多个技术领域的资助计划。

新的量子比特技术——AWS 对混合电声(electro-acoustic)量子比特感兴趣。Quantum Brilliance正在研究一种基于金刚石 NV 的处理器。EeroQ 在寻找氦上的电子。注意这些和其他新技术 平台的细节。

新代码——AWS 的混合电声量子比特不仅因其新的技术平台，还因其提出的“级联 cat 码” 纠错方案而闻名。注意受这种方法启发的其他方案。

扩展——对于大多数设备来说，关键问题不是它们能做什么，而是它们展示了平台不断向量子优势扩展的能力。

第三章：2021 量子软件展望

一、量子计算云服务市场升温

1.IBM Q

IBM 宣布实现其量子计算研发版图中的全新里程碑，过去四年中，IBM Cloud 上部署了 28 个 量子计算系统。IBM 用于商业的量子计算机服务 IBM Q 取得了阶段性的成功。

当其他竞争者开始建立自己的量子社区时，IBM 根据自身在早期阶段搭建量子社区的经验 出版书籍。在不断发展的供应商生态系统中可以提供与 Qiskit 兼容的库和工具， 而不只是 IBM 硬件。

2.来自竞争者的追赶

D-Wave 在 2018 年 10 月推出了 Leap 云平台，基于 D-Wave 量子退火处理器提供量子计算云 服务。

量子计算先驱 Rigetti Computing 推出了 Rigetti 量子云服务(QCS)。量子优势是使用量子计算技术解决重 要或有价值的业务问题。最近，越来越多实力雄厚的量子公司开始投入量子云服务平台的研 发当中。

微软能够通过“Q Station”继续从事量子计算基础研究。AWS 也在努力赶超。Google 一直保持对其先进硬件的访问权，但现在已启动了一项早期访问计划，以允许特定的 外部人员访问其量子云服务。

总体而言，量子云服务平台市场参与者的增加反映出各公司技术专业人才的广泛笼络。想要 打赢量子领域的硬仗，还需投入大量的资金。

二、教育的重要性

建立量子算法平台用户群的第一步是用户参与和教育。2020 年的一大亮点是首届 IBM 量子编程挑战赛。比赛设置了四个任务供程序员试用其基于云的量子计算机，以扩展量子编程技能。

来自 Quantum Realm Games 的量子国际象棋有望成为 Google 量子云计划的一个成功项目。这是量子算法在经典游戏的有趣应用。量子领域需要一些方法来使不具备量子专业知识的人对量子计算结果与经典结果有所感受，领略到量子的魅力。量子国际象棋做到了这一点，甚至可以使参与者的教育程度降低到高中水平。中国科学家也已经沿着类似的思路开发了量子 围棋。

另一个有趣的量子算法学习产品是 Q-CTRL 的 BLACK OPAL ，它可以在光滑的仪表盘上可视化处理错误，最重要的是，可以帮助用户可以直观地查看噪声的影响并使用控件对量子计 算机的电路进行重新编程来纠正错误。

在欧洲，QuTech 的 Quantum Inspire 量子云平台能够让所有人都能够访问量子计算机，而且 所访问的量子计算机还是世界上第一个使用由可扩展自旋量子比特制成的量子处理器。该平台还提供对超导（Transmon）量子比特制成的处理器的访问。因此，用户可以测试量子算法 并比较处理器的效果。

三、高性能模拟器

对于量子开发来说，高性能模拟是关键一环。随着要模拟的量子比特数量增加，量子模拟器 的开发迫在眉睫。

四、帮助量子企业的研发工作

随着越来越多的公司开始从事早期的量子计算研发活动，许多初创公司正在寻求为新生的量 子应用软件开发提供合适的开发环境。

Zapata、QC Ware、1QBit 和 Strangeworks 均提供出色的量子产品。到目前为止，Zapata 筹集 了 5700 万美元用于研发，而 QC Ware 则受益于 Q2B 会议抓住了研发的早期优势。

五、未来的应用领域

真正的量子应用软件的出现还为时过早，但是初创企业已经在为这个未来市场定位。关键一 点在于平衡量子算法的专业知识与深入的行业洞察力，与传统应用软件领域相比，后者可能 甚至更为重要，建立可以与行业保持互动并繁荣发展的商业模式是一个挑战。

六、量子编译器

优化量子编译器是量子研发阶段的一大挑战，量子计算设备存在物理量子比特之间的有限连接，使得只能在有限的量子比特对上应用双门。现实世界中的量子设备是存在噪音的，但是可以研发一种用于表征大型量子计算机噪声的算法以解决这一问题。

编译器市场中富有前景的方向都建立在深厚的专业知识基础上，这些专业知识在许多情况下是互补而不是竞争。随着在早期在量子硬件上实施纠错代码的竞争日渐激 烈，编译器创新又将迎来新的浪潮。

七、量子操作系统

Riverlane 的 Deltaflow.OS 是一个新的全栈量子操作系统。由总部位于剑桥的量子计算软件开发商 Riverlane 牵头的财团从英国政府获得 760 万英镑（约合 6900 万 RMB）的拨款，用于部 署高度创新的量子操作系统 Deltaflow.OS。Deltaflow.OS 解决了一个非常重要 的问题——实现硬件和软件的交互，并充分利用量子计算性能。提供了加速开发、 低延迟以及在应用程序和控制层之间进行灵活交互的潜力。

八、量子软件堆栈

尽管对量子硬件性能有不同的衡量标准，但仍然很少能解决怎样从云端到终端使用 这些系统。从长远来看，许多人认为必须将多数开发人员的经验总结为一个简单易懂的结论。随着技术的进步，从现在起的 8-10 年， 人们将再次使用 Python 和 PyTorch 进行编写。

九、2021 展望

云中的量子霸权——谷歌还没有成功地在 Sycamore 的常规（自动校准）运行中重复其量子 霸权实验。谁是第一个让用户在云端实现量子霸权计算的公司？拭目以待！

云中的量子体积——量子体积是早期量子处理器能力的更全面的度量。如果离子阱产品能够 在这里建立一个领先地位，那么对于提供访问的平台来说，预计会有一个大的突破。

云基准测试——关注标准“真正的问题”基准测试的发展。D-Wave 的新的 Qiskit 插件旨在 使它能够轻松地在 Qiskit 支持的任何后端以及它自己的量子退火硬件上对一类重要的优化 问题进行基准测试。

硬件无关平台——硬件无关的量子云平台（如微软 Azure）在财大气粗的科技巨头的支持下 正在崛起。自有品牌全栈平台将如何适应？

参与度——IBM Quantum 在用户参与度和教育方面的领先地位令人望而生畏，不太可能很 快被超越。是否会看到竞争对手在这一点上取得任何进展？

教育——关注专门针对教育市场的产品发布。BLACK Opal 2.0 预计将涵盖发现量子力学到 执行算法，内容来自 Chris Ferrie。量子国际象棋大赛 2.0 承 诺将包括量子解决方案的谜题。能看到谷歌 DeepMind 的一个 AI 对手吗？

编译器——关注新的实用优化功能。

Horizon 公司——Horizon Quantum Computing 正在向早期用户开放其专有的编译器和软件开 发工具。它有一个雄心勃勃的目标，即允许开发人员根据用经典语言（如 Matlab）编写的程 序自动构造量子算法。这个平台是否允许更广泛的软件开发人员，在没有量子特定知识的情 况下，将他们的技能带到桌面上？

量子网络——关注 Aliro Quantum 前两款产品 Q.Compute 和 Q.Network 的进展。这些会引起 围绕量子网络的热议吗？

模拟器——高性能模拟仍然是理解、测试和验证量子软件的关键。注意优化的模拟器性能。

量子象棋 vs 量子围棋——中国大型企业和初创企业的量子云平台越来越多地寻求复制西方 开创的用户参与之旅，比如量子围棋。

第四章：2021 量子算法展望

一、推动 NISQ 发展的量子优势

1.Google Sycamore 量子芯片

Google 的 Sycamore 量子芯片在 2019 年底大获成功，大大提升了量子计算性能。谷歌将“春 季量子研讨会”作为其量子计算服务的亮点，量子研究成果令人印象深刻。Google 对 Sycamore 的研究集中在如何缩短量子计算的时长上，使其具有更高的计算性能。

在多次化学量子模拟的情况下，Google 展示了基于 N 表示性的错误缓解决策，极大地改善 了实验的有效保真度。Google 对于量子计算机是否能用于加速目前的化学反应量子模拟技术持保留意见。

2.随机数和抽样

作为早期的量子计算服务产品，许多学者正在研究随机数。

Umesh Vazirani（伯克利）将经典密码学与量子领域进行结合，解决了“量子计算中最根本的问题之一，即如果你让一台量子计算机为你执行一个计算，那么你如何确定它确实执行了你 的指令，甚至如何得知它是否做了与量子相关的事情。

3.优化基准测试

从金融服务到物流再到制造业，优化算法是应用于实际案例的重要前提。早期的优化算法有 QUBO 和 QAOA 以及在传统硬件上运行的量子启发算法。

4.离子阱使他们名声大噪

随着 IonQ 和霍尼韦尔推出的量子技术新设备，人们也在努力探索量子计算的具体实现路径。像传统的机器学习一样，通过反复试验来进行研究的能力正是该领域的学者所不可或缺的。

5.关键步骤

霍尼韦尔架构的关键特征之一是可在电路中间测量单个量子比特。从中期来看，所有设备都 需要将此作为实现量子纠错的关键步骤。量子比特的中间电路测量复位是霍尼韦尔独有的技术，其他使用离子阱方法的量子计算公司 也在试图复制该技术。霍尼韦尔实际上能够减少某些操作所需的量子比特数。

二、量子研究的成果

1.模拟量子化学和材料科学

Quantum Benchmark 公司将材料科学列为第一个可能从量子算法中受益的领域。这些材料本质上属于量子系统，因此通常有机会将量子设备中的噪声转化为需要的部分。要模拟的一个电子轨道需要一个量子比特。因此，使用 100Qubit+设备似乎可以 达到需要的效果。启发式变分路径是一种可能的方法，但是对于其具体应用仍在研究当中。

2.优化金融、物流和制造业服务

在世界范围内，已有 20 多家金融机构在量子计算方面有所建树。高盛和摩根大通是 IBM Quantum Network 的合作伙伴。在 2020 年，高盛、摩根大通、巴克莱、BBVA 等公司一直在商讨他们正在进行的早期量子 研究工作，并确定优先的研究领域，主要是金融投资组合优化和用于对金融衍生工具定价的 蒙特卡罗技术。

3.机器学习

IBM 的最新理论工作首次证明，即使仅访问经典数据，也可以在某些受监督的机器学习 应用程序中实现指数级加速。

QC Ware QC Ware 开发了两种类型的数据加载器，即并行数据加载器和优化数据加载器，它们都将经典数据转换为量子状态以用于机器学习应用，而且还可以使用一种优化的距离估计 算法。

迄今为止，量子机 器学习的大部分成功的实验都采用了一种不同的方法，那些实验里量子系统不仅只是模拟了 网络；它们本身就是网络。每个量子比特代表一个神经元。

4.掌握量子研发技术

量子计算真正发挥作用还需要时日。空中客车公司已在整个量子领域建立了强大的知识网， 也使空客量子研究团队对量子算法的研究有了更深的理解。

三、一百万量子比特的作用

一台能求解且有实用价值的超导量子计算机需要有上百万个量子比特，并且可以访问诸如 QRAM 和快速互连之类的资源。随着越来越多的硬件描述了针对“百万级量子比特”纠错量 子计算机的路线图，自然就产生了一个问题——应该怎样做出这种规格的设备呢？

1.二次加速是否足够

目前在实现量子计算指数级加速方面没有理论上的难题。但是，在量子算法仅提供平方加速 的情况下，存在一定的困难。量子计算机存在一段不必要的较长的运行时间。将算法改进以下，将能使 量子计算设备的优势增加。平方加速似乎不足以在基于当前前端运行 架构的容错量子计算机上提供足够的运行能力。

2.寻求更好的加速

容错量子计算机前景广阔，但其功能仍然有限。众所周知，绝热量子计算在原理上与基于电路的模型具有相同的计算能力。量子计算机的计算能力正在以双重指数的速度迅速发展，但研究这一算法仍需要时间。

Google 和 Troyer 的工作指出算法的前景，即提供多项式加速的算法比平方更具有优势，但 即使是 Scott Aaronson，目前也无法研究出真正能应用到现实中的量子算法。

四、2021 展望

量子性的证明——会更容易看到基于 PQC 陷门(trapdoor)的量子优势实验吗？

可认证的随机数——谷歌会使用其新的量子设备之一来推出远程可认证的公共随机性服务 吗？

谷歌早期访问计划——谷歌目前正在将其平台的访问权限扩展到外部团体。第一波将由美国 学术机构主导，物理模拟专家 Phasecraft 的加入引人注目。注意其他被选中的组织。

IBM Quantum 合作伙伴——包括戴姆勒、埃克森美孚、摩根大通、三星、高盛、埃森哲、JSR 和波音在内的蓝筹合作伙伴对 IBM Quantum Cloud 的扩张表示欢迎。

D-Wave——除了具有 5000 个退火量子比特和 15 路连接的新硬件外，D-Wave 现在还推出了 扩展的混合解算器支持。注意可以解决的问题大小的影响。它的蓝筹客户会将量子应用程序 投入日常业务使用吗？

新的量子联盟——高规格的离子阱处理器为探索 NISQ 算法提供了新的机会，NISQ 算法经 过调整可用于高保真度、高连接性和中间电路测量。关注围绕 AWS Braket 和 Azure Quantum 新的量子联盟。

NEASQC——这一新的价值 4.7 欧元的 QT 旗舰项目将针对 NISQ 使用案例，与阿斯利康、 法国电力公集团、HSB、Tilde、道达尔以及量子软件公司 Atos 和 HQS 等密切合作。注意工 作的细节。

药物发现挑战？——大型制药公司能否效仿空客的做法，加快构建自己的量子路线图？

科学的早期应用——基础科学研究中的应用成为早期应用日益突出的焦点领域，特别是量子 机器学习。

NISQ 错误缓解——创新可能是早期商业应用能否通过 NISQ 设备实现的最重要驱动力。注 意开发标准分层技术的工具箱。

不同的 FTQC 规格——FTQC 需要在不同的量子比特技术之间权衡。需关注为高规格应用程 序提供所需资源的详细估计的工作。注意较慢的门速度与减少的纠错开销之间的相互作用。

第五章：2021 量子互联网展望

一、措施

未来的量子计算机所构成的威胁不应与网络安全的日常防火墙相混淆。COVID-19 危机意味着，2020 年将是错失准备 抵御量子威胁的一年。企业需要一个“合理的最坏情况”日期，并以此为界做好应对准备。

二、后量子加密时代即将到来

科学家一直在开发能够抵抗量子计算机对现有密码算法攻击的新一代密码算法。自 2016 年以来，该方法已通过 NIST 的评估，新的密码算法基于量子数字签名（QDS） 和密钥封装机制（KEM）。NIST 评估过程进展顺利，并正在计划中。 PQC 能抵抗来自量子计算机的攻击。

三、现代量子密码学

1.量子随机性

随机数是几乎所有密码系统的基本组成部分。QRNG 是一款超小型量子随机数生成器芯片 原型。ORNG 已经被用于一些新兴的科技产业商品中。IDQ 及其战略合作伙伴 SK 电信在 2020 年通过在三星手机上搭载小型 QRNG 芯片而引人注 目。

2.量子密钥分发

国盾量子为迄今为止全球最大的运营网络提供硬件服务。目前正在扩展 2000 公里京沪干线， 并建设 5500 公里的延长线。已经完成了合肥和武汉之间 700 公里的横向干线建设，另外还 有 360 公里的在建工程和 2200 公里的拟建工程。

东芝宣布即将部署商业量子密钥分发（QKD）平台，到 2035 年，有望突破 200 亿美元的市 场份额。东芝的研发团队也非常强大，其研究小组在剑桥提出新的 TF-QKD 协议，承诺将 实际的 QKD 扩展到“城际”距离，达 500 公里。

在过去的两年中，Quantum Xchange 推出了产品 Phio QK（多点 QKD）和 Phio TX（一种提 供带外和 PQC 密钥的嵌入式解决方案），以用于服务纽约金融、电信和政府部门。

四、过去的争论

PQC 显然是现在可以采用的常规互联网和普通业务应用程序的首选选项。但是当需要 更高级别的安全性并且产生一定的额外成本时，PQC 和 QKD 在分层防御中也显然是互补 的。

QKD 有其独特的优点，只要不破坏初始密钥的形成，就没有机会对其进行攻击。实际上， 实时 PQC DS 技术非常适合 QKD，可以形成优异且灵活的总体协议，同时增强其安全性。

五、现在的争论

量子领域的技术环境发生了重要变化。政府已认识到建设未来量子互联网的核心任务 是从目前的量子革命中找到其中的经济优势所在。中国和英国的量子技术计划一直强调量子网络的重要性。欧盟的量子技术旗舰计划已将“在 欧洲建立量子互联网”作为其长期战略目标。美国于 2019 年发起了自己的国家量子计划， 2020 年发布美国量子网络的战略构想。

六、量子纠缠

量子互联网的基本资源是量子比特和量子纠缠。多个量子比特的相干操纵和纠缠态制备,是 量子计算的最核心指标。目前最关键的挑战是如何根据自身需要在网络节点之间产生纠缠。

七、太空领域

中国的“墨子号”卫星于 2017 年为世人所知。2020 年，改进的地面站光学系统使墨子号展 示了另一个世界首创的技术——两个相距甚远的地面站之间基于纠缠的 QKD。与先前的工 作相比，该研究将双光子分布的链路效率提高了约 4 倍，并获得了 0.12 比特/秒的有限密钥 -秘密密钥速率。中国利用墨子号演示了利用量子信号（即单光子）作为载体进行所谓的时间传输。

八、地面技术

地面技术也在迅速发展。2020 年的一个亮点是在多节点、远距离的量子网络中取得基础性突破。另一个亮点是拓展了量子纠缠的光纤传输距离。2020 年，中国研究团队成功在两个由 50 公里光纤连接的量子存储器间实现量子纠缠，为构建基于量子中继的量子网络奠定了基础。

九、未来展望

实现真正的量子互联网仍有很长的路要走。在较短的距离上，便携式 QKD 设备才 能实现灵活性；在城市和城市之间可以利用光纤网络进行互联通信；对于远距离而言，量子卫星链接是一个不错的选择。未来的全球量子互联网则需要将这些技术结合起来。

十、2021 展望

NIST 后量子密码标准化工作第 3 轮——预计将出现一个用于互联网和一般用途的 DS 和 KEM。两者都是基于结构化晶格的密码。预计 2022 年标准草案的制定过程将保持在正轨上。

NIST 后量子密码标准化工作第 4 轮——注意 NIST 额外一轮评估的更多细节。NIST 备选方 案清单上的协议可能会出现。

QRNG 智能手机——这是否会超越利基用户的专业功能？如果它能向更广泛的受众证明这 是一个低成本的附加组件和一个有吸引力的营销点，那么它可能是量子经济时代的第一个重 大突破。

QRNG 市场——在更广阔的 QRNG 市场上，预计将在可用熵率、交换和认证方面展开竞争。IDQ在这一细分市场具有先发优势。 客户需要知道 QRNG 设备能否做到其声称的功能。

QKD 玩家——东芝、SK 电信、英国电信、德国电信、西班牙电信、Orange 以及 Verizon 等 大牌公司越来越积极地将这项技术商业化。注意商业渗透的最新进展。

CV QKD 系统现在也可以从 XT Quantech 和 QuintessanceLabs 获得，它们有自己独特的优点。 关注这项技术的下一代：TF-QKD、MDI-QKD 和更先进的基于纠缠的方法。

中国的卫星 QKD——中国的下一个目标将是卫星对飞船的演示。关注 QKD 地面站的可部署性。关注中国 QKD 卫星星座计划的细节。最初的设想是在 5 年内建立一个由 3-5 个 QKD 纳米卫星组成的网络，为 100 多个客户提供服务。

卫星 OKD 进展——QUBE（德国）将于 2020 年底发射。SpeQtre将于 2021 年推出。NanoBob（法国）预计将于 2022 年推出。QEYSSat将于 2022 年发射。ROKS 资助了 2022 年 QKD 下行链路的潜在在轨测试。

欧空局 SAGA——关注欧空局计划的演示基于纠缠的 QKD 任务的新细节。

NASA——美国宇航局将宣布一个基于卫星的纠缠分发项目？

OpenQKD 测试平台——欧洲从马德里到日内瓦再到波兹南的 14 个中心正在为 QKD 现场 试验和用户参与提供测试平台。

基于地面的纠缠——英国布里斯托尔打算在 100km x 30km 的区域内演示一个 19 节点的完全 纠缠网络。这感觉像是工程学而不是物理学。

阿贡量子环路——将成为美国国家量子网络的起点。关注它对费米实验室的最初扩展，以及 它在美国能源部 17 个国家实验室中的推广时间。

量子互联网模拟器——关注来自 QIA 和 Aliro Quantum 的工具，它们帮助模拟、理解并 规划未来的量子网络。

量子区块链模拟器——初创公司 Quantum Blockchains 目标是创建下一代分布式账本技术。 还有一段路要走，关注初始的模拟器产品，可以潜在的合作伙伴提供什么。量子技术可以为 传统的区块链三重困境提供新的解决方案。

专利 EP 2537284——通过 CRNS，法国政府拥有一项广泛影响基于结构化晶格的 PQC 协议 的专利。预计 NIST 和 CRNS 将达成协议，消除采用新 PQC 协议的任何经济障碍。

基于结构化晶格的加密——这一系列协议能够为当前的互联网安全提供“替代品”，但这些 晶格中的附加“结构”允许它们具有相对较小的密钥尺寸，但这也是一个潜在的安全漏洞。

第六章：2021 量子计时、成像和传感展望

一、生物医学应用中的磁感应

1.OPMs（光泵磁力仪）

在用于非侵入性研究人脑活动的 MEG 扫描仪中，SQUID 技术得到了广泛的应用。经过四年的发展，初创公司 Cerca 已将 OPM-MEG 扫描仪用于临床评估，以便发现更多的临 床诊断标志物和新的治疗机会。

2.金刚石 NV 色心

金刚石 NV 色心可以在环境温度下操作，虽然灵敏度不高，但是却可以实现小型化，并且其 无毒性质使其特别适合现场生物测量。

HP-MRI 是一种先进的核磁共振诊断技术，可以追踪注入人体的糖分并显示糖分变成什么。 使用金刚石 NV 色心有望实现更快、成本效益更高且可部署的解决方案。

二、2021 展望

路线图——英国宇航系统公司、英国电信公司和英国石油公司宣布了一个联合项目，为量子 传感器商业化制定路线图。每一个都基于重要的量子技术经验。

美国 NQI——已经建立了三个中心，其中包括一个专注于量子传感的中心。预计美国将采 取更多协调行动。

美国空军研究实验室——美国空军是量子计时和传感领域的重要参与者。关注他们的 AFWERX 和 Quantum Collider 项目。

计时技术——关注英国电信下一代计时的现场试验结果。关注 Teledyne e2v 的增强紧凑型原 子钟。ColdQuanta 计划进入开发阶段。

磁力仪——关注 OPM 脑磁图的早期临床结果。关注增强大脑感知的新应用。

金刚石——金刚石 NV 传感器的目标是更广泛的生物医学应用。

重力仪——关注 Newton-g 正在埃特纳火山进行的实地研究结果。M Squared 重力仪的客户会 出现吗？

太空中的冷原子——美国宇航局的冷原子实验室(建立在 ColdQuanta 的 Quantum Core 上)已 经升级了原子干涉仪。关注卫星重力测量的原理证明。

导航——关注 M Squared 加速度计的第一批客户。ColdQuanta 计划从 2025 年开始其系统的 开发阶段。

五眼联盟——澳大利亚、加拿大、新西兰、英国和美国正计划在 2022 年环太平洋演习中的 一艘船上部署量子导航设备。我们会了解到更多吗？

射频感应——关注在高端无线设备测试中，太赫兹感应的应用不断增长。

量子雷达——关注入门级量子增强雷达的周边研究。预计时钟和频率稳定性将是关键主题。

报告链接：2021量子技术全景展望

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）