中国已经落后!从论文、专利、量子芯片看2018全球量子计算研发概况

来源:EETOP 2018-09-12 13:12:51

来源:全球技术地图公众号

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技术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《量子信息科学与技术规划》,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技术领域的快速进步,美国愈发重视量子信息技术的发展。2016年7月,美国国家科学技术委员会发布《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、国家标准与技术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技术对国家安全、经济发展等方面的影响,投入众多资源大力发展相关技术。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技术的《欧洲量子科学技术》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、航天技术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10亿欧推动量子技术期间计划,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。量子技术旗舰计划聚焦在量子通信、量子传感器、量子模拟器和量子计算机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《量子技术国家战略》《英国量子技术路线图》,将量子技术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技术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技术报告《量子技术:时代机会》,提出建立一个政府、产业、学界之间的量子技术共同体,使英国能在未来的量子技术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。

《量子技术: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)、中国科学技术大学(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,其中中国科学技术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,美国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技术。

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。量子计算技术的潜力引起了美、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,科学研判量子计算技术的商用化时间,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。

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