越來越多的人開始意識到，量子計算帶來指數(shù)算力優(yōu)越性是一次生產(chǎn)力的革命，具有重大戰(zhàn)略意義，世界各國因此爭前恐后地布局量子計算，日本也不例外。根據(jù)日經(jīng)中文網(wǎng)統(tǒng)計，2001-2018年間，日本在量子計算機領(lǐng)域的專利布局位居世界第三，僅次于美國和中國。

這一成績是日本政府、產(chǎn)業(yè)界和學界在過去20年里齊心協(xié)力攻堅量子計算的成果。過去的20年間，日本政府在量子科技研發(fā)領(lǐng)域的投資達到了2.5億美元，產(chǎn)業(yè)端資助約3億美元，政府引導(dǎo)產(chǎn)學界共同推動10余個量子科技研發(fā)項目，相干伊辛機（Coherent Ising Machine）、量子密鑰分配系統(tǒng)等前沿成果相繼產(chǎn)出。

事實上，日本對于量子科技的基礎(chǔ)研究早在35年前就已開始，這部分的研究主要由日本科技振興局（JST）資助和支持。1985年起，JST發(fā)起前沿技術(shù)探索研究計劃（ERATO），旨在推進量子科學在內(nèi)的前沿科技的基礎(chǔ)研究。截至2020年，該計劃下已有10項關(guān)于量子科技的專題研究，包括超導(dǎo)量子電路、量子算法、光晶格鐘、約瑟夫森量子計算機等。

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進入21世紀，除了基礎(chǔ)研究以外，日本開始更多地關(guān)注量子科技的產(chǎn)品化和實際應(yīng)用，更多產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向的研發(fā)項目被推出。其中，JST和日本科學促進會（JSPS）重點支持量子信息處理（量子計算機）、計量和傳感相關(guān)領(lǐng)域研究，日本政府內(nèi)閣辦公室（CAO）和總務(wù)省配合制定量子科技的商業(yè)推廣戰(zhàn)略。多部門的緊密協(xié)作使過去的20年成為日本量子科技最為碩果累累的20年。

在此，我們盤點過去20年中，日本所進行的規(guī)模最大、影響最深遠的量子計算機相關(guān)研究計劃，及其所取得的成果。

量子計算與信息計劃（Quantum Computation and Information）

2001-2005年

2001年，隨著IBM與斯坦福大學（Stanford University）開始量子計算機的研發(fā)，日本政府意識到量子計算機的戰(zhàn)略意義，隨即提出了一個為期5年的量子計算與信息計劃，包括NTT、NEC（日本電氣）、日立公司在內(nèi)的多個日本行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)積極響應(yīng)，紛紛開始了量子技術(shù)探索之路。

該項目的代表成果是NTT先后于2004和2005年研制出超導(dǎo)磁數(shù)量子比特（通過比光能量更低的微波照射控制量子比特）和基于硅光子晶體的高Q值光振蕩器，前者為光控制量子比特開辟了新路，被認為是當時最有希望應(yīng)用于量子計算機的基本組件，后者實現(xiàn)光振蕩器Q值突破100萬大關(guān)，有望成為光內(nèi)存和光開關(guān)等光邏輯電路的基本技術(shù)，也是基于光子的偏振狀態(tài)來實現(xiàn)量子計算的重要基礎(chǔ)。

進化科學技術(shù)核心研究項目（CREST）

2003-2010年

JST在2003年推出關(guān)于量子信息處理的國家項目 "進化科學技術(shù)核心研究"（CREST），該項目進行了7年，重點推進量子計算機的硬件研發(fā)，總投資達6000萬美元，共資助11個研究小組，其中，5個項目組致力于研發(fā)光子量子比特、超導(dǎo)量子比特、中性原子、原子集合和連續(xù)變量進行量子信息處理器；3個項目組研究用半導(dǎo)體自旋量子比特、陷落離子和分子振動/旋轉(zhuǎn)自由度實現(xiàn)量子信息處理；另外4個項目重點研究電信波段的糾纏光子的量子信息處理，分子自旋量子比特，光晶格時鐘，以及多體系統(tǒng)的量子模擬工具。

2009年， JSPS著重強調(diào) "量子網(wǎng)絡(luò)學 "創(chuàng)新領(lǐng)域的科研，通過超導(dǎo)設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備、分子、原子、離子和光子，研究了各種物理系統(tǒng)中量子態(tài)的相干控制、保持和傳輸；隨后致力于創(chuàng)建、操縱和控制基于電子學、自旋電子學、光子學和聲子學的量子混合系統(tǒng)。

世界領(lǐng)先的科技創(chuàng)新研發(fā)資助計劃（FIRST program by CAO）

2009-2013年

2009年，日本內(nèi)閣府開啟 "世界領(lǐng)先的科技創(chuàng)新研發(fā)資助計劃"（FIRST），旨在通過前沿科技研發(fā)，加強日本的國際競爭力。在科學技術(shù)和創(chuàng)新委員會的直接控制下，該計劃總共進行了30個不同領(lǐng)域的項目，涵蓋的領(lǐng)域包括量子通信、量子計量和傳感、量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(QNNs)、量子模擬、量子計算和量子器件技術(shù)，總預(yù)算3000萬美元。

正是基于FIRST研究項目取得的重大發(fā)現(xiàn)，讓日本將目光投向的了基于光學參量振蕩器的具有全對全連接的量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（QNN）。研究者發(fā)現(xiàn)，這種量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比于經(jīng)典計算機和量子退火機具有更穩(wěn)定的性能，且能夠有效解決在現(xiàn)實生活中無處不在的組合優(yōu)化類問題，具有重要的實用意義。

革新性研究開發(fā)推進計劃（ImPACT）

2014-2018年

基于在FIRST計劃中取得的新發(fā)現(xiàn)，2014年，日本內(nèi)閣府單獨成立“革新性研究開發(fā)推進計劃（ImPACT）”，旨在推動量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（QNN）技術(shù)的實際落地應(yīng)用研究。該項目由日本情報系統(tǒng)研究機構(gòu)國立情報學研究所（NII）與美國斯坦福大學教授山本喜久共同負責，參與機構(gòu)眾多，包括日本東京大學、大阪大學、東北大學、京都大學、東京工業(yè)大學、北海道大學、學習院大學、理化學研究所（RIKEN）、情報通信研究機構(gòu)（NICT）、日本電信電話株式會社（NTT）、三菱電機株式會社、美國斯坦福大學、德國維爾茨堡大學等。項目周期為2014年至2018年，項目總經(jīng)費為3000萬美元。

在山本教授的帶領(lǐng)下，來自統(tǒng)計物理學、量子光學、電子工程和計算機科學等多學科背景的科研人員緊密合作，開發(fā)出了全套QNN的硬件和軟件系統(tǒng)。當時，QNN被定義為一個具有特殊用途的計算平臺，由四個用于解決各種組合優(yōu)化問題的量子光學系統(tǒng)構(gòu)成：用于解決非確定性多項式困難問題的相干伊辛機（CIM）、用于解決非確定性多項式困難k-SAT問題的相干SAT求解器、用于解決連續(xù)優(yōu)化問題的相干XY機和用于解決這些加密代碼問題的相干密碼機。

2017年11月，QNN系統(tǒng)開放了云服務(wù)，以便世界各地的用戶可以體驗其計算能力。例如，用戶可以在多達2000個節(jié)點的完整圖上找到大規(guī)模最大切割問題的解決方案。在此之后研究團隊將繼續(xù)探索該QNN在更多現(xiàn)實商業(yè)領(lǐng)域中的落地應(yīng)用。

光量子躍遷旗艦計劃（Q-LEAP）

2018-2027年

日本文部科學省下屬的量子科學技術(shù)委員會于2017年8月發(fā)布了“光量子躍遷旗艦計劃（Q-LEAP）”，將主要圍繞“量子信息處理”、“量子傳感”、“極短脈沖激光”、“下一代激光加工”四個研究技術(shù)領(lǐng)域進行，其中“量子信息處理”的研究重心就是量子模擬器和量子計算機，目標是實現(xiàn)量子計算在制造業(yè)、藥物研發(fā)等領(lǐng)域中的應(yīng)用，朝大規(guī)模數(shù)據(jù)的高速處理計算發(fā)展。該項目周期為2018年至2027年，總投資規(guī)模2億美元。同時，新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織將重點資助量子退火機的研究，以及相干伊辛機（CIM）的通用軟件平臺搭建。

量子實際應(yīng)用研究社（QPARC）

2020-2024年

2020年4月，日本多家研究所，相關(guān)企業(yè)組建了名為“QPARC”的攻關(guān)項目，由日本量子初創(chuàng)企業(yè)QunaSys主導(dǎo)。QPARC將首先提供一系列講座，以學習量子計算機上產(chǎn)業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)知識，并定期舉辦研討會，共同討論感興趣的主題。此外，項目還計劃提供資源對接服務(wù)，如促進硬件供應(yīng)商與成員量子企業(yè)之間的聯(lián)合研究項目，希望開發(fā)出真正可實際落地的產(chǎn)業(yè)及量子計算應(yīng)用。

“量子原住民”培養(yǎng)計劃

2020-2030年

2020年10月，日本國家信息和通信技術(shù)研究所（NICT）啟動一項為期10年的量子人才培養(yǎng)項目，相關(guān)負責人表示：旨在培養(yǎng)出自己的‘量子原住民’，為人才提供從小就習慣于量子技術(shù)的環(huán)境，就像“網(wǎng)絡(luò)原住民”在電腦和互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中長大一樣。該項目將請到國內(nèi)外領(lǐng)先量子計算相關(guān)研究機構(gòu)的研究人員以及來自大學和企業(yè)的專家擔任講師，面向約20名學員教授量子技術(shù)相關(guān)知識。此外教學內(nèi)容還包括通過云技術(shù)使用IBM的量子計算機等實踐課程。

過去20年的努力追趕已經(jīng)帶領(lǐng)日本來到量子計算研究的第一梯隊之列，一系列長期的戰(zhàn)略資助創(chuàng)造了新的量子科學前沿，相干伊辛機、安全存儲網(wǎng)絡(luò)等日本創(chuàng)造的前沿技術(shù)成功已被投入原型服務(wù)測試。從日本的量子計算研究歷程中我們可以發(fā)現(xiàn)，日本的量子計算一步一腳印，已從基礎(chǔ)研究階段開始邁向應(yīng)用研究階段。

近年來，日本更是多次在公開場合表示自身量子研究落于歐美和中國之后的緊迫感，并表示未來將繼續(xù)加大投入，加速追趕的步伐。越來越多的歐美領(lǐng)先研究者開始重視日本在量子領(lǐng)域的研究成果，推動與其合作開發(fā)，日本以其獨特的技術(shù)路徑和樂于競合的發(fā)展風格成為中歐美不可忽視的對手和強有力的盟友，這讓日本量子計算的未來尤為令人期待。

文：Chelsea

編輯：王珩