2018全球量子计算芯片研发概况及水平分析

量子计算机有望以现有超级计算机数百万倍的速度进行复杂计算。通用量子计算机一旦实现，将对通信安全、导航、成像以及人工智能、生物制药、新材料研发等诸多领域产生颠覆性影响，带来国家安全和社会经济发展的极大变革。

近年来，世界科技强国开始高度重视量子计算研究，纷纷发布自己的量子信息科技战略，旨在抢占下一轮科技发展的制高点，争取早日实现“量子优势”（又称量子霸权）。当前，量子计算研究进入爆发期，并开始出现了实际应用。本文将从论文产出、专利产出、量子芯片开发等角度入手，考察2018年全球量子计算领域研发概况。

一、世界主要国家量子计算战略

美国

美国是最早将量子信息威廉希尔官方网站 列为国防与安全研发计划的国家。早在2002年，美国防部高级研究计划局（DARPA）就制定了《量子信息科学与威廉希尔官方网站 规划》，并于2004年发布2.0版，给出了量子计算发展的主要步骤和时间表。2008年，DARPA斥巨资启动名为“微型曼哈顿计划”的半导体量子芯片研究计划，甚至将量子计算研究列为与原子弹研制同等重要的高度。

近年来，随着中国等新兴国家在量子信息威廉希尔官方网站 领域的快速进步，美国愈发重视量子信息威廉希尔官方网站 的发展。2016年7月，美国国家科学威廉希尔官方网站 委员会发布《推进量子信息科学：国家的挑战与机遇》报告，认为量子计算能有效推动化学、材料科学和粒子物理的发展，未来有望颠覆人工智能等诸多科学领域。2018年6月，美国众议院科学委员会高票通过《国家量子倡议法案》，计划在10年内拨给能源部、国家标准与威廉希尔官方网站 研究所和国家科学基金12.75亿美元，全力推动量子科学发展。

《国家量子倡议法案》封面

欧盟

作为量子理论的发源地，欧洲高度重视量子信息威廉希尔官方网站 对国家安全、经济发展等方面的影响，投入众多资源大力发展相关威廉希尔官方网站 。2005年，欧盟发布《欧洲研究与发展框架计划》（第七框架计划）并提出专门用于发展量子信息威廉希尔官方网站 的《欧洲量子科学威廉希尔官方网站 》计划和《欧洲量子信息处理与通信》计划，成为继欧洲核子中心、航天威廉希尔官方网站 后的又一次大规模国际合作。

2016年3月，欧盟委员会发布《量子宣言》，计划斥资10亿欧推动量子威廉希尔官方网站 期间计划，旨在培育形成具有国际竞争力的量子工业，确保欧洲在未来全球产业蓝图中的领导地位。量子威廉希尔官方网站 旗舰计划聚焦在量子通信、量子传感器、量子interwetten与威廉的赔率体系 器和量子计算机4个细分领域，分别开展短中长期研究。

《量子宣言》插页

英国

一直以来，英国高度重视量子信息科学的基础研究，基于前期研究成果近年来正逐步向基础研究和商业应用并重转变。2015年，英国政府发布了《量子威廉希尔官方网站 国家战略》和《英国量子威廉希尔官方网站 路线图》，将量子威廉希尔官方网站 发展提升至影响未来国家创新力和国际竞争力的重要战略地位。“路线图”给出量子计算机、量子传感器和量子通信在内的每项量子威廉希尔官方网站 可能的商业化时间和发展路线图。

2016年12月，英国政府科学办公室发布量子威廉希尔官方网站 报告《量子威廉希尔官方网站 ：时代机会》，提出建立一个政府、产业、学界之间的量子威廉希尔官方网站 共同体，使英国能在未来的量子威廉希尔官方网站 市场中抢占世界领先地位，实质性地提高英国产业的价值。

此外，日本、韩国、新加坡等科技强国均发布了自己的“量子信息科学发展计划”。目前，日本、韩国、新加坡将研究重点放在量子通信上，在量子计算研发上均有所涉猎。

《量子威廉希尔官方网站 ：时代机会》封面

二、全球量子计算研究水平

（一）论文产出情况

本文借鉴qurope.eu对量子计算的定义，制订如下论文检索策略：TS =((Quantum NEAR/2 (comput* OR algorithm* OR simulat* OR error* )) OR (“Quantum Circuit”OR “Quantum cellular automata”OR “Quantum Turing machine”OR “Quantum register”)) AND 文献类型: (Article) 。在Web of Science数据库中检索1988-2008年的论文数据，作为计量分析的数据基础，检索时间为2018年9月10日。

20世纪90年代，全球量子计算领域研究开始进入快速增长期，各国开始在量子信息领域投入科研经费。此后，量子算法Shor算法和Grover算法、量子电路基本逻辑门相继被提出，量子纠错研究开始兴起，推动量子计算进入可工程化阶段。1990-2017年期间，量子计算领域论文年平均增长量超过10%。

全球量子计算论文数量发表趋势

从SCI论文总量上看，美国以8492篇的总量稳居第一梯队，数量超过第二、三名之和，占全球量子计算论文发表总量的31%。中国、德国分别以4573篇、3325篇的总量分列第二和第三名，全球论文占比均超过10%，位列第二梯队。英国、日本、加拿大、意大利、法国和澳大利亚发表的论文数量均超过1000篇，位列第三梯队。

各国量子计算论文发表数量排行

从顶尖科研机构上看，全球论文发表数量前20的量子计算研究机构中，中国占据3席，分别为中国科学院（第三）、中国科学威廉希尔官方网站 大学（第七）和清华大学（第十七）。相比之下，美国顶尖的量子计算研究机构多达7个，欧盟境内的顶尖研究机构多达6个。此外，俄罗斯、加拿大和新加坡各占据1席。

科研机构量子计算论文发表数量排行

从顶尖学者上看，中国籍或华人科学家占据了论文发表数量前20名榜单的近一半，其中中国科学威廉希尔官方网站 大学郭光灿院士论文数量高居榜首（见图7）。华人科学家在量子计算领域的贡献占比不断攀升，这不仅推动了国内量子信息科技的发展，也提升了中国在量子计算领域的国际话语权。

顶级专家量子计算论文发表数量排行

上述结果表明，中国在量子计算科研水平上处于领先行列，不乏顶尖科研机构和顶尖科学家。但与美国和欧盟相比，我国整体研究实力仍存在一定差距，论文发表总量和顶尖科研机构数量只有前两者的一半。

（二）专利产出情况

本文采用如下策略进行专利产出情况搜集：TA = (quantum AND comput*)。其中TA代表标题/摘要，comput*代表computer、computation或computing。过滤条件是：联合专利分类（CPC）为G06N99/002（量子计算机：利用量子的叠加、相关性、脱散、缠结、非定域性、远距传物来进行信息处理）。在Patsnap数据库中检索1999-2008年的论文数据，作为计量分析的数据基础，检索时间为2018年9月10日。

从申请趋势上看，近20年量子计算领域的专利申请经历了2个高潮，分别为2002年和2015年。第一次量子计算机研发高潮起始于1998年，麻省理工学院Neil Gershenfeld和IBM公司Isaac Chuang合作开发出基于核磁共振方案的首个量子计算机原型。1998-2004年，全球量子计算专利申请为快速增长期，2005-2013年该领域专利申请进入衰退期。第二次量子计算机研发高潮起始于2014年，标志性事件是谷歌着手研究基于超导的量子计算机。2015年，全球量子计算专利申请量超过100件，达到历史最高水平。

全球量子计算专利申请趋势

从各国申请数量上看，美国以600余件的总量高居榜首。日本专利申请数量为171件，仅为美国的1/3左右。中国、加拿大、澳大利亚、英国、德国、韩国和新加坡位列其后，数量均不超过60个，不及美国的1/10。

各国量子计算专利申请趋势

从申请人排名上看，加D-WAVE公司一枝独秀，其专利申请量是第二名微软公司的3倍多。美国公司和日本公司占据了该榜单的绝大部分，中国企业和科研机构则无一上榜。

企业量子计算专利申请量排行

与论文产出情况相比，中国在量子计算领域的专利产出远远落后于美国，与日本相比也存在较大差距。美国、日本量子计算领域的专利申请人基本都是科技巨头，这表明美国、日本推动量子计算发展的主要动力是社会资本与科技企业。相比之下，我国量子计算研发的动力不足，社会性资本无法支撑量子计算的商业化发展。

三、全球量子计算芯片研发概况

量子计算芯片是量子计算机的核心部件，其发展水平也代表了量子计算机的进展情况。目前，研究量子计算的载体较多，包括超导约瑟夫森结、半导体量子点、离子阱、金刚石色心、拓扑绝缘体以及量子光学芯片等。

资料来源：《Nature》期刊

超导量子芯片方案

利用超导量子器件实现量子计算是当前量子计算的主流方案之一。目前，从相干时间、集成度、保真度（99.9%以上）三项指标上看，超导量子比特的研究进展最为迅速。此前，英特尔、IBM、谷歌所公布的最新进展均是基于超量子芯片方案。2018年3月，谷歌推出72量子比特的Bristlecone量子处理器，正是该领域的最新成果。

半导体量子芯片方案

与超导量子芯片方案相比，半导体量子计算的保真度不足，但半导体量子点具有可容错和可拓展两大优势，能够与现有半导体芯片工艺完全兼容，因此得到了研究机构和业界的广泛关注。2014年，新南威尔士大学获得了退相干时间高达120微秒、保真度达到99.6%的自旋量子比特；2017年，日本理化研究所在硅锗系统上获得了退相干时间达到20微秒、保真度超过99.9%的量子比特。目前，英特尔、Silicon Quantum Computing等公司都投入巨资研发相关威廉希尔官方网站 。

离子阱量子芯片方案

与前两者相比，离子阱量子计算的量子比特品质高，但其可扩展性差，且体积庞大，小型化尚需时日。目前，离子阱量子芯片是量子计算领域进展最快的物理系统之一。2016年，马里兰大学研制出可编程的5量子比特离子阱计算机，2017年成立Ion Q公司并研制出32离子比特量子计算机原型机。

拓扑量子芯片方案

该方案基于受拓扑保护的量子比特，原则上不会有耗散问题，因此在比特集成方面有更好的优势。目前，拓扑保护的量子态——马约拉纳零模——已经在实验上实现。未来的研究热点将是探索更多的理论和实验方案，实现拓扑量子比特，单比特和两比特量子门读取和操作。微软在该领域布局已超过10年，未来有望率先实现拓扑量子计算机，并一举获得量子计算领域的领先地位。

四、总结

当前，第二次量子革命的号角已经吹响。量子计算领域正以前所未有的速度进步，其对国防军事、生物制药、新材料研发等诸多领域的颠覆性影响已开始显现。量子计算威廉希尔官方网站 的潜力引起了美、中、欧、日、俄等国的高度重视，科技巨头也在加速布局量子芯片的研发。

与美欧相比，我国在量子计算领域的整体研发实力上，存在较大差距。其中，我国的基础科研能力仅次于美国，处于领先地位；但专利产出明显弱于美国、日本，与欧盟整体相比也存在差距。此外，在量子芯片开发上，我国还存在社会资本投入不足等问题。

虽然量子计算离实用化仍存在很长距离，但量子计算对我国引领下一次科技革命，实现跨越式发展具有重要意义。对此，我应借鉴英美等国经验，科学研判量子计算威廉希尔官方网站 的商用化时间，制定合理的量子计算商用路线图，推动龙头企业和顶尖科研机构合作、产学研协同攻关，并在量子计算机架构的标准上早日获得话语权。