2021量子技术全景展望.pdf

第 1 页目录第一章：前言.3第二章：主要国家的量子发展路线图.4一、欧洲.41.德国.62.荷兰.63.法国.74.英国.7二、北美.91.加拿大.92.美国.10三、中国.12四、来自世界各地的量子科技发展.131.澳大利亚.132.日本.133.俄罗斯.144.新加坡.14五、全球学术合作.14六、量子投资的时机.14第三章：2021 量子硬件展望.17一、超导量子比特为重大突破做好了准备.171.谷歌过渡的一年.172.IBM蓝色巨人.183.超导多样性.19二、进击的离子阱.22三、云中的中性原子.24四、长期使用的硅.25五、光子破坏者.26六、扩大规模.29七、2021 展望.29第四章：2021 量子软件展望.32一、量子计算云服务市场升温.32二、教育的重要性.34三、高性能模拟器.35四、帮助量子企业的研发工作.36五、未来的应用领域.37六、量子编译器.38七、量子操作系统.38八、量子软件堆栈.39九、2021 展望.40第五章：2021 量子算法展望.42一、推动 NISQ 发展的量子优势.421.Google Sycamore 量子芯片.422.随机数和抽样.43第 2 页3.优化基准测试.434.离子阱使他们名声大噪.445.关键步骤.44二、量子研究的成果.441.模拟量子化学和材料科学.452.优化金融、物流和制造业服务.453.机器学习.454.掌握量子研发技术.46三、一百万量子比特的作用.461.二次加速是否足够.472.寻求更好的加速.47四、2021 展望.48第六章：2021 量子互联网展望.49一、措施.49二、后量子加密时代即将到来.49三、现代量子密码学.501.量子随机性.502.量子密钥分发.51四、过去的争论.52五、现在的争论.52六、量子纠缠.52七、太空领域.53八、地面技术.54九、未来展望.54十、2021 展望.55第七章：2021 量子计时、成像和传感展望.57一、生物医学应用中的磁感应.571.OPMs（光泵磁力仪）.572.金刚石 NV 色心.58二、2021 展望.59第 3 页第一章：前言第一章：前言本报告由光子盒根据 Fact Based Insight 文章整理而成。近年来，世界各国高度重视量子技术发展，通过出台政策文件、成立研究机构、支持量子科技研究等方式加大对量子研发的投资，促进量子科技研发和产业发展，试图在未来建立量子生态系统。全世界的政府已经意识到，量子是一系列相关技术的未来机遇，不仅涉及量子计算领域，还在传感与测量、通信、模拟、高性能计算等领域拥有广阔的应用前景。并且，这些量子生态系统及其整个供应链之间存在联系。各国政府已做出响应，启动量子技术计划，以发展这一重要的未来科学技术。2019 年，各国政府争先恐后地达成了一项 10 亿美元的计划用于量子计算研究。2020 年，对于该研究所需的支出和想要达到的成果都显著增加。世界各地的专家已经撰写了许多有关量子领域的文章。本文重点关注 2020 年的关键发展，以及它们告诉我们在 2021 年要注意的事情。为了支持以下观点，Fact Based Insight 可以提供文章撰写的独立性，并没有从这些计划中获得任何资助。第 4 页第二章：主要国家的量子发展路线图第二章：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 2016 年推出的“量子技术旗舰计划”外，还通过调整其他计划（例如其数字和太空计划）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。2020 年 5 月，欧盟“欧洲量子技术旗舰计划”的官网发布了战略研究议程（SRA）报告。10 年内，估计欧盟在整个量子技术旗舰计划中的相关量子支出为 30-40 亿欧元。“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。该项目有 60 项专利申请（虽然欧洲在上述领域诞生了一些最优秀的研究，但全球其他地区申请的专利数量更多），还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。欧洲量子周计划是从一个以物理为主的兴趣小组动员起来的。该计划正在努力吸引更多的工程、计算机科学和数学人才。“旗舰计划”在拓展阶段，这个计划中的 19 个项目遍及量子计算、通信、模拟、传感和计量以及基础科学。2020 年，这些项目通过了中期审查，同时启动了两个新项目QLSI第 5 页将硅自旋量子比特添加到已经成为目标的超导和离子阱量子比特的行列中；NEASQC 专门针对 NISQ 应用程序，解决许多人认为缺乏软件重点的程序的平衡问题。EuroQCI 汇集了 25 个欧盟国家、欧盟委员会和欧洲航天局，其具体目标是建立泛欧量子通信基础设施，设想了将在 10 年内部署的两个关键要素：现有光纤设备间互联链路的地面站接收系统以及基于远距离双方之间的空间链路。第一个服务是 QKD，其他服务也会接踵而至，例如数字签名、身份验证以及超精密时间信号的同步。Thierry Breton（欧盟专员，前 ATOS 首席执行官）强调另一个重要的目标是“促进欧洲世界级量子通信技术产业的发展，从而增强我们在这一关键领域的技术主权”。OpenQKD 对这一计划进行了补充，通过提供测试平台来演示各种客户端的使用案例。HPC 欧盟追求的百亿亿次（E 级）超级计算机是中国、美国、日本都在追求的高性能计算的前沿技术，目前都未完全实现，故研究量子计算的目标与委员会捍卫欧洲在 HPC 中的地位目标相吻合。Breton 确表示：“我们的目标是使用百亿亿次计算机快速达到计算的下一个标准，而且最重要的是已经集成了量子加速器以开发混合动力机器，这种颠覆性技术将会使欧洲处于领先地位。”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，该计划后续将由欧洲地平线（2021-2027）接替，这就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。委员会对大幅增加欧盟“地平线 2020”计划中预算的提案有所异议。尽管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。为了改变这种情况，委员会开始从各方寻求资金。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。与其他量子计划一样，人力资源是重点领域。但是，仍有一个关键问题没有明确的答案是说服有才能的欧洲学生不要去 Alphabet 和阿里巴巴工作，还是说服这种国际科技专业的学生更多地利用他们的价值在欧洲开展研究工作？业务参与欧洲许多大型企业都积极参与量子旗舰计划，特别是 ATOS、泰雷兹集团、空中客车、大众、博世和法国电力集团。然而，许多公司仍在寻求欧洲商业态度的更大的转变。量子技术旗舰计划主席 Jurgen Mlynek 表示：“美国科技公司更愿意进行长期投资。欧洲大公司说很高兴听到您在做什么，但我们是技术接受者，而不是技术制造商。”第 6 页QuIC正在准备启动欧洲量子科技产业化联盟。这被认为是美国 QED-C 的对应版本，目标是 200-225 个成员。还有一个问题，使欧盟范围内的量子研究计划难以实施。许多人认为，未来量子生态系统中的社区将锚定在特定地理位置附近，硅谷在美国的成功就是一个典型的例子。与其在欧盟范围内直接建立这样的中心，不如借鉴各国在量子领域的成功案例更为现实。许多欧洲国家都有重要的量子活动，包括奥地利，西班牙，匈牙利，波兰，瑞典等。其中，有 3 个欧盟国家和 1 个前欧盟国家脱颖而出，需要对这些国家做进一步的研究。1.德国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，担任欧盟轮值主席国的德国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。德国已经拥有强大的量子研究基础，例如马克斯普朗克研究所、亥姆霍兹协会以及弗劳恩霍夫协会，这些领先的研究组织已经独立参与了多个国家的量子技术项目。Forschungszentrum Jlich 研究所在欧洲量子领域中地位逐渐上升。它是跨物理、化学、生物学、医学和工程学的大型多学科研究中心和大型超级计算机中心，并且已经启动了JUNIQ 程序，以提供访问多种量子计算技术的平台。它将在 2021 年成为 EU QuIC 的研究总部，并托管 OpenSuperQ 交付的量子计算机原型。此外，它还将接手于 2025 年之前全面投入运营的亥姆霍兹量子中心。MCQST 正在着手建造慕尼黑的量子谷，它已经获得了巴伐利亚州的 1.2 亿欧元支持。PlanQK中包含德国工业界的著名先驱，如大众汽车和博世，也通过不断的发展成为虚拟量子集群软件。2.荷兰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。它与微软和英特尔等专业公司、BlueFors 等主要专家以及 Orange Quantum Systems、Qblox、Single Quantum 和 Delft Circuits 等有趣的初创公司建立了牢固的行业关系。Quantum Delta NL（QNL）计划利用荷兰现有量子技术资源进行协调合作：包括代尔夫特的 QuTech，阿姆斯特丹的 QuSoft 和埃因霍温的 QT/e 等研究机构；莱顿、奈梅亨、格罗宁根、特温特和乌得勒支的优秀研究小组，诸如 TNO 和 StartupDelta，以及一系列行业合作和初创公司。计划将集中在三个前沿领域，围绕五个城市枢纽开展量子计算和量子模拟、国家量子网络和量子传感应用。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第 7 页系稳定，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，例如 ATOS、泰雷兹集团和空中客车公司。巴 黎 拥 有 量 子 计 算 中 心 以 及 著 名 的 初 创 公 司 Alice Bob、C12、Veriqloud、Qubit Pharmaceuticals 和 QC Ware France。巴黎萨克莱（Paris-Saclay）成立了量子科学与技术跨学科中心。格勒诺布尔拥有量子工程部和量子硅研发基地，并且还可利用 CEA-Leti 和 CNRS-NEEL 的优势。CMOS 工艺和低温 CMOS 电子学方面的专业知识使其成功开发硅自旋技术。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。由于发生了 COVID-19危机，该计划暂时被推迟。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。如今，该计划已被世界各地的专注于量子研究的国家所模仿。2014-2024 年，NQTP 第 1 和第 2 阶段（包括公共和私人资源）的计划支出约为 10 亿英镑。许多人将目光投向英国量子计划，不仅是为了评估英国的量子技术的进步，还会对自身知识的提升有所帮助。NQTP 第 1 阶段NQTP 第 1 阶段（2014-2019）已与英国自然科学基金、英国基础设施建设局、英国科学与技术设施理事会、英国国防部、英国国家物理实验室、英国商务能源与产业战略部以及英国政府通信总部合作。最初建立了四个量子技术中心，重点研究量子计算、量子通信、量子增强成像和量子计时与传感。结果在初始阶段提供了一系列出色的原理证明。它还发动社区活动并形成了学术、产业合作的模式。项目最初是建立在英国光子学上，是跨所有量子基础的一项关键技术。该计划的成功为工程师工作带来了灵感。受益于数学和计算机科学人才的引进，英国量子软件领域愈加充满活力。NQTP 第二阶段NQTP 第二阶段（2019-2024）将重点和资源转移到商业主导项目上。随着产品越来越符合市场要求，合作伙伴通常希望对将要成型的计划采取更多控制，以确保能从该计划提供的协作框架中受益。作为回报，Innovate UK 利用产业战略挑战基金(ISCF)发起一系列由公共、私人混合资金支持的项目，以支持不断发展的量子生态系统的搭建。第 8 页进行中 Innovate UK 团队非常重视计划管理和加强计划倡议的商业展示。现在，重点研究已经转移到了量子价值链上。对单个量子和叠加的关注已经转移到了量子纠缠的可能性上。成像英国计划将量子增强成像作为自己的研究支柱。英国的计划瞄准了细分市场中的机会，还刺激了潜在的量子光子生态系统，并开发了重要的传感技术。NQCC 是第二阶段的另一个主要目标。NQCC 不是设想成为量子计算竞赛中的一个直接竞争对手，而是作为一个工具，加快社会效率。升级物理中心的设计现已完成，后续建设工作将持续到 2021-2022 年，计划于 2023 年第一季度交付使用。最初，该中心将超导、离子阱和软件作为优先研究领域，但该中心的资金是用于对量子领域的投资，而不是特定的量子技术。ISCF（产业战略挑战基金）目前正在资助三个重要量子研究领域中启动的 40 多个量子项目。通常，每个财团都会聚集来自整个供应链的 3-10 个合作伙伴，并提供强大的学术支持。项目通常设置为运行 18-36 个月，预算在 50-1000 万英镑之间。这种方法具有一定的灵活性，可以在后续开发补充项目，同时可以支持多种项目类型。可行性研究通常针对较小的项目，例如 Gravity Delve 计划，旨在探索在恶劣的中心环境中使用量子重力传感器的能力，该计划与另一个重力传感器计划 ABGRAV 同时进行。协作研发大型项目将供应链参与者聚集在一起，以更高效对产品进行升级。研发重点通常是确保有可行的供应链来支持产品的商业化研发模式，并且可以从可能的参与者手中获得投入。例如 KAIROS，这是由 Teledyne e2v领导的将紧凑型原子钟商业化的计划，或由 Rigetti领导的在英国建造量子计算机的计划。技术项目大型项目，以建立更广泛的生态系统，该项目用来部署新的基础结构。例如，由牛津量子电路（OQC）牵头的用于制造和测量的 Quantum Foundry 计划，以及由 Riverland牵头的提供与硬件无关的软件堆栈的 Deltaflow.OS 计划。人才教育是英国量子计划的另一个重点。QTEC 是英国 NQPT 第一阶段的一项计划，为科学家转变为企业家的过程中提供帮助。“奖金”将为早期从事相关工作的研究人员提供薪水、费用、业务培训和指导，为他们提供为期一年的创业指导。现在，QTEC 的早期研究员正在参与诸如 KETS 和 Seeqc 之类的量子领域后起之秀的培训工作，或者在特定领域的（例如 QLM 或 FluoretiQ）商业化应用方面取得了令人瞩目的进展。Nu Quantum 和 Quantum Dice 是最近两个知名的初创公司。Fact Based Insight 认为，QTEC 已经取得了显著的成功。但是目前，NQTP 的第二阶段尚未为其继续提供资金。它最初的出资者是英国自然科学基金(EPSRC)，但是，EPSRC 的核心目标正集中在科学研究和培训上。同时，Innovate UK 一直在努力发起 ISCF 项目。Fact BasedInsight 希望，NQTP 能继续开展其计划的第二阶段。第 9 页NQTP 希望使英国成为量子企业和量子人才的“理想之地”。此前 PsiQ 公司由于在欧洲很难申请到科研基金，故将公司搬到了硅谷。在 NQTP 的第二阶段，英国量子计划取得了显著成就。Rigetti 和 ColdQuanta 等美国公司也开始被英国的量子研究环境所吸引。Teledyne e2v 和 Hitachi 已将其在英国的子公司用于扩大其在该领域研发的基地。东芝正在英国制造 QKD 设备。充满活力的量子研究环境已经初步形成。“欧洲地平线”计划英国是否继续参与欧盟的主要研究计划是整个社会的主要不确定因素。从欧洲研究计划获得的资金份额而言，英国在量子领域的研究做得很好。更重要的是，它已经很好地受益于当前建立的研究关系网络。英国的 NQTP 计划早于欧洲量子技术旗舰计划，但是，随着旗舰计划的实施，欧洲大陆所扮演的核心角色作用日益凸显，并且从量子技术旗舰项目上的交叉合作模式的成功案例中说明这是双赢的局面。英国政府一直宣布要参加“欧洲地平线”计划，欧盟领导者也在推进英国与该计划的合作。不幸的是，欧盟和英国之间就脱欧协议达成的贸易谈判使英国参与该计划产生不确定性。英国继续在全球各地建立牢固的研究合作关系。2020 年英国量子技术展示会的主题演讲是宣布加拿大、英国联合融资。尽管融资数额不大，但是作为旨在支持量子技术商业化的计划的一部分，这是值得注意的。Fact Based Insight 认为，英国正不断为量子融资寻找渠道。在首相鲍里斯 约翰逊的政策中值得注意的一点是计划大幅增加公共研发支出，并建立一个新的机构，用来进行高风险、高回报的研究，即英国的 ARPA 计划。但是，鉴于它与英国研究与创新机构(UKRI)的关系，关于如何实施这一计划仍在考虑中。UKRI 本身是一个相对创新的部门，它汇集了包括 EPSRC 和 Innovate UK 在内的英国主要研究资助组织，这两个组织是英国 NQTP 的主要资助来源。包括 Dominic Cummings（现任首相顾问）在内的英国 ARPA 核心支持者都希望将其视为一个新的独立机构。乔约翰逊（前科学部长、首相的弟弟）和马克沃尔波特（英国 NQTP 联合创始人）都认为 UKRI 是“孵化 ARPA”的理想基地。UKRI 的核心研究预算将在未来三年中以每年 4 亿英镑的额度增加。另外，高风险、高回报基金的首笔5000 万英镑资金在 2021-2022年用于 UKRI，基金中的 8 亿英镑将在 2024-2025 年拨款。这些资金大多会用于量子领域的研究中。二、北美二、北美1.加拿大1.加拿大第 10 页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。2017 年，加拿大国家研究委员会(NRC)发起了一个名为 Quantum Canada 的计划。对于加拿大来说，总部位于加拿大或与加拿大有紧密联系的知名量子公司的数量众多。例如 D-Wave、Xanadu、1QBit、Quantum Benchmark、evolutionQ、Zapata 和 ISARA。其中，创意破坏实验室(CDL)一直是量子行业初创企业的标杆。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。NQI 将在 2019-2023 年支出13 亿美元，大量私人资金也已投入其中。在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。Q-SEnSE纠缠科学与工程的量子系统（由科罗拉大学博尔德分校领导）。采用量子传感技术在精密测量中广泛应用。HQAN混合量子架构和网络（由伊利诺伊大学香槟分校牵头）将开发用于离子阱、中性原子和超导量子比特系统的多节点试验台，以及分布式量子计算软件堆栈。还致力于下一代容错量子比特，同时与芝加哥量子交易所合作密切。PFQC当前和未来的量子计算（由加州大学伯克利分校领导）。设计大规模量子计算机，为当前和未来的量子计算平台开发有效算法，并验证量子计算机能超越经典计算机。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。Q-NEXT下一代量子科学与工程（阿贡国家实验室）。将专注于长距离量子网络，量子使能的传感以及处理和测试。它将建立两个用于材料和器件制造的国家量子铸造厂。著名的合作伙伴包括英特尔、IBM、微软和 ColdQuanta。C2QA量子优势协同设计中心（布鲁克海文国家实验室）。旨在克服早期 NISQ 设备的局限性，以实现高能、核、化学和凝聚态物理科学应用中的量子优势。五年目标是在软件优化，基础材料和设备特性以及量子误差校正等各个方面改进 10 倍。著名的合作伙伴包括 IBM。SQMS超导量子材料和系统中心（费米国家加速器实验室）。通过了解引起退相干的物理过程，专注于创建更好的超导量子比特。旨在利用下一代超导量子比特技术构建量子计算机。第 11 页著名的合作伙伴包括 Rigetti。QSA量子系统加速器（劳伦斯伯克利国家实验室）。旨在共同设计在科学应用中提供认证的量子优势所需的算法、设备和工程解决方案。重点技术包括中性原子、离子阱和超导量子比特。桑迪亚国家实验室是主要合作伙伴。QSC量子科学中心（橡树岭国家实验室）。发现、设计和演示拓扑量子材料，利用拓扑系统的算法以及用于测量异常微弱信号的新量子系统。微软是五个核心成员之一。其他合作伙伴包括 IBM 和 ColdQuanta。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。此外，国家 Q-12 教育合作计划旨在改进所有教育中心的量子学习课程。国家标准与技术研究院(NIST)是美国计划的另一个关键部分。NIST 处在许多高性能量子技术（特别是在离子阱和量子时钟中）研究的最前沿，其中的一项关键活动一直在支持 QED-C的创建。QED-C 作为利益相关者的联盟，其使命是促进和发展量子产业及相关的供应链。由 SRIInternational 管理的财团得到政府以及来自各行业、大学和国家实验室的 160 多成员的支持。QED-C 汇集了来自量子生态系统各个方面的专家，以识别并帮助填补技术、行业标准以及员工队伍方面的空缺。QED-C 将继续找出技术差距，并与政府和行业合作伙伴合作填补这些差距。Celia Merzbacher（QED-C 副主任）强调“QED-C 成员期望将全球网络作为量子供应链，我们将在 2021 年提供非美国会员制合作机制”。同时也希望 QED-C 将重点放在建立多样化的人才培养上（包括来自少数族裔服务机构的人才）。白宫的国家量子协调办公室（NQCO）和国家量子计划咨询委员会（NQIAC）是美国量子协作业研究的总协调机构，以促使来自大型技术，国家实验室和量子领域领先科学家的共同协作。AFRL 备受推崇的空军研究实验室一直是美国量子领域的先驱。它拥有跨时序、传感、通信和计算（算法）的大型联合程序。DARPA 该研究机构及其前身 ARPA 使它在量子领域具有一定的地位。过去的研究成果对量子技术的早期发展产生了影响，特别是用于原子钟的 CSAC（2001-9），用于量子感测的QuASAR（2010-18），用于量子计算和通信（包括世界上第一个 QKD 网络的演示）的 QuIST（2001-5）。当前值得注意的成果包括用于创建 NISQ 量子计算机的 ONISQ 和用于开发具有独特拓扑特性材料的 TEE，这些材料可用作拓扑量子比特以及其他潜在应用。著名的研究合作伙伴包括 Rigetti 和 ColdQuanta。IARPA 受 ARPA 的启发，该机构制定了许多有影响力的量子计划，包括 CSQ（2009-14）第 12 页超导量子比特技术；MQCO（2010-15）扩展挑战；关键算法的 QCS（2010-13）资源基准。目前的计划包括有关逻辑量子比特开发的 LogiQ（2015+）等。该计划早期战略方向是强调量子网络的价值。在美国能源部启动量子战略之后，美国国防部根据美国能源部的 17 个国家实验室的初始骨干网络，提出了量子互联网的战略蓝图。为了实现这些目标，2020 年向国会提交了两项相关法案，但这些法案没有获得通过。量子网络基础设施法案（Quantum Network Infrastructure Act）：加速为美国量子网络提供基础的研发，五年内计划投入 5 亿美元。量子科学和技术用户扩展法案（QUEST）：支持对量子计算资源的研究访问，五年内计划投入 3.4 亿美元。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。过去的经验告诉我们，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。但是，这确实代表了工业合作伙伴（正如在英国计划的第一阶段中看到的）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，我们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、中国三、中国中国“五年规划”（尤其是自 2006 年以来，包括量子科学）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。2006-2020 年，中国计划支出的 10 亿美元来自中央，5 亿美元来自地方。据官方媒体报道，到 2022 年，该投资将达到近 150 亿美元（1000 亿元人民币）。正在建立量子信息科学国家实验室（NLQIS）的网络。NLQIS 合肥：将成为世界上最大的量子研究机构以及该计划的总部。将重点关注光子、金刚石 NV 色心和硅自旋量子比特技术以及量子通信和量子感测。NLQIS 北京：该分支将专注于理论、离子阱和拓扑量子比特。NLQIS 上海：该分支将专注于超导量子比特和超冷原子以及自由空间量子通信。第 13 页中国的国家量子网络将继续发展，以使其更安全，更快速，更广泛。纵向骨干网：最初的 2000 公里京沪线正在扩展，目前正在建设 5500 公里的延长线。横向骨干网：合肥和武汉之间已经完成了 700 公里的横向骨干网建设，另外 360 公里正在建设中，拟建 2200 公里。卫星：用于开发启用 QKD 的纳米微卫星群的高级程序。阿里巴巴、百度、腾讯和华为都在量子技术上进行了量子投资。国盾量子和本源量子是著名的创业公司。“十四五规划”详细介绍了该计划，计划将于 2021 年正式通过。一个关键概念是“双循环”，包括减少对外国高科技的依赖，同时增加对外国投资的开放度。同时，创新也是一个关键主题（提案草案中提到了 47 次）。量子技术将成为高科技领域的重点之一。在草案发布前夕，习近平主席借此机会亲自强调了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。中国标准 2035的目标之一是在确立领先技术的通用规范方面建立中国领导地位。四、来自世界各地的量子科技发展四、来自世界各地的量子科技发展1.澳大利亚1.澳大利亚澳大利亚的量子研究部门非常活跃，特别是 EQUS 和 CQC2T，并形成了多元化的量子创业公司，其中包括新南威尔士大学(UNSW)衍生公司 SQC 和 Q-CTRL 以及 Quintessence Labs。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2.日本2018 年，日本政府于 2018 年推出 Q-LEAP(Quantum Leap)计划，其中日本科学技术振兴机构(JST)第 2 期战略性创新推进计划（SIP2）与量子传感、量子软件、量子密码有着紧密的联系。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。日本在 2018 年启动了新的项目，包括超导量子比特 NISQ 计算机和 NISQ 软件程序。第 14 页“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。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。有趣的是，每个支柱都由一家俄罗斯大型国有公司领导：俄罗斯国家原子能公司负责量子计算和模拟；俄罗斯铁路局负责量子通信；俄罗斯国家技术集团负责量子传感和计量。4.新加坡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、全球学术合作五、全球学术合作美国新政府将重塑美国的对外关系，但是大多数人认为中美关系将保持紧张。拜登仍可能将中国视为日益加剧的全球技术竞争对手。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。尽管如此，我们仍在努力使全球科学话语的开放性。2020 年最受学术关注的会议是 IOP 和中国物理学会联合组织的 Quantum 2020。这体现了来自所有量子领域和所有主要量子研究国家的尖端贡献。中国物理学会会长张杰呼吁量子的国际科学合作与交流。欧盟量子社区网络主席 TommasoCalarco 在一个有关国际量子技术计划的小组发言中，呼吁采取一系列应对措施，以帮助量子社区保持其包容性。彼得奈特爵士（英国 NQTP 的创始人）利用专家小组推进了世界范围内学术团体的“量子联盟”的构想，并在可能的情况下对基础科学问题保持开放性态度。这样的想法很可能会受到世界各地学者的广泛欢迎。六、量子投资的时机六、量子投资的时机政府提供慷慨计划支持的原因之一是担心仅靠自身的力量，可能不足以看到量子革命。一方面，2020 年是量子技术领域投资创纪录的一年，Interference Advisors 的报告显示10.4 亿美元（至 11 月中），其中一半是来自 PsiQ 和 XTalPi 这两笔交易。另一方面，一些第 15 页知名的量子硬件厂商也已在 2020 年进行了缩减。从对比可看出，量子密码技术在西方吸引力不强，而中国国盾量子的 IPO 创下了首日涨幅纪录。不确定性是存在的，但是，可以采取一些策略平衡这种不确定性带来的风险。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。但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。迄今为止，我们认为 Quantonation 公司是量子信息时代的最佳投资组合策略者。目前，许多大投资者都对保持自己的立场，而风险基金谨慎地选择了少数项目来支持。COVID-19 带来的破坏是非常真实的。目前，从许多公司或政府计划中获得资金支持对许多人来说是最简单的方法。在 Q2B 大会上，John Preskill（加州理工学院）也评论了许多人对未来几年的担忧：“量子计算的寒冬可能出现，这也是一个严重的问题。”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。在 2021 年，会有很多非常聪明的人努力做到这一点。量子投资者必须时刻做好准备。七、2021 展望七、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？（编者：我们现在知道英国会参加；加拿大或日本是否也会加入？）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？第 16 页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 17 页第三章：2021 量子硬件展望第三章：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。2020 年，中国的潘建伟团队再次吸引了新闻头条的关注，他宣布的量子优势论证声称将超过谷歌Sycamore 在 2019 年实现的量子优势论证。就在那时，数学上关于计算到底有多难的争论也随之而来。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（霍尼韦尔、IonQ）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。我们把这一切都放在一个背景下，看看在量子硬件领域发生了什么。一、超导量子比特为重大突破做好了准备一、超导量子比特为重大突破做好了准备1.谷歌过渡的一年1.谷歌过渡的一年今年硬件行业的首个重大新闻是 John Martinis 离开谷歌，原因是与其领导层 Hartmut Neven的关