量子計算機：三國逐鹿風云起

本刊綜合

今年6月，中國科技大學潘建偉團隊構(gòu)建出“祖沖之號”超導量子計算原型機;美國谷歌公司希望2029年研制出首臺商用量子計算機;日本政府計劃與約50家日本企業(yè)合作成立量子研究團體，以推動量子技術(shù)的發(fā)展。

量子計算機將在新藥研發(fā)和密碼破解等各方面超越傳統(tǒng)計算機，對產(chǎn)業(yè)界和國家安全戰(zhàn)略產(chǎn)生巨大影響，引發(fā)各國政府高度關(guān)注，美國、中國和日本等國都開始發(fā)力。

三國逐鹿量子計算機研制領(lǐng)域，誰領(lǐng)風騷？

市場潛力足 戰(zhàn)略意義大

量子計算是“第二次量子革命”最具有代表性的技術(shù)，是未來計算技術(shù)的心臟。早期經(jīng)典的計算機只能用“0”和“1”來記錄所有的信息狀態(tài)，每一步只能進行2的1次方，即2次運算;而量子計算機是用量子狀態(tài)來描述信息，它擁有更快速的運算方式。比如2個量子態(tài)（也可以稱作“2個比特”）的量子計算機，每一步可進行2的2次方，即4次運算，3個量子態(tài)的量子計算機，每一步可以對信息進行2的3次方，即8次運算。因此，量子計算機在執(zhí)行某些大規(guī)模計算時，速度比最好的傳統(tǒng)計算機快得多，能在密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、天氣預報、藥物分析等領(lǐng)域大顯身手。

《日本經(jīng)濟新聞》7月6日報道，如果借助量子計算機開發(fā)出劃時代的電池和藥物，將讓全人類受益。發(fā)展到更高水平，量子計算機有望破解網(wǎng)絡(luò)密碼，從而影響安全，而掌握量子技術(shù)的國家將在高科技領(lǐng)域掌握主導權(quán)。

美國波士頓咨詢公司的數(shù)據(jù)顯示，到2050年，量子計算機有望創(chuàng)造8500億美元的利潤。日本《設(shè)計新聞》網(wǎng)站也在7月6日的報道中指出，未來30年，量子計算機市場預計價值1萬億美元。

美國：2029年研制出商用量子計算機

正是量子計算機的潛能和“財”能，使政府、企業(yè)和科學家“競折腰”。

從國家層面來看，與以往力爭建設(shè)高速信息通信網(wǎng)和振興納米技術(shù)的時期一樣，美國2018年在以量子計算機為核心的量子信息科學領(lǐng)域敲定了國家戰(zhàn)略，實施了在5年里最多投入13億美元的美國《國家量子倡議法案》，希望以此守住優(yōu)勢。

谷歌公司今年5月公布了正在推進的量子計算機開發(fā)計劃，目標是2029年研制出首臺商用量子計算機。

其實早在2019年，谷歌就利用其53個量子比特的量子計算機“懸鈴木”，在200秒內(nèi)解決了最尖端超級計算機“頂點”（Summit）需要花1萬年才能解決的問題，成功實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”的突破性進展——“量子霸權(quán)”用來表示“在存儲和通信帶寬呈指數(shù)級增加后，量子計算機擁有傳統(tǒng)超級計算機所不具有的能力”。

而令谷歌心心念念的是“作為通用產(chǎn)品的量子計算機”，他們希望借其解決現(xiàn)有計算機束手無策的各種難題，如幫助開發(fā)應(yīng)對氣候變化的新材料、抑制全球大流行病的藥物等。

要解決設(shè)想中的難題，現(xiàn)在的量子比特數(shù)遠遠不夠，谷歌計劃將量子比特的數(shù)量增至100萬個，還將解決計算時出錯這一最大的難題。但增加量子比特意味著計算機的布線和控制更困難，因此需要大規(guī)模技術(shù)創(chuàng)新，為此谷歌已在美國加利福尼亞州設(shè)立了新的研發(fā)基地。

另據(jù)《科學》雜志報道，2020年9月美國IBM公司稱，將在2023年前建造一臺包含1000個量子比特的量子計算機，同時提高容錯率。

對于美國的高校而言，研究量子計算機的熱情越來越濃。除了自“黎明期”開始展開研究的麻省理工學院外，近年來加利福尼亞大學和馬里蘭大學等也獲得巨額研究經(jīng)費。知識產(chǎn)權(quán)數(shù)據(jù)庫日本Astamuse調(diào)查了2009至2018年各國研究經(jīng)費，其中加利福尼亞大學獲得的研究經(jīng)費達到1.39億美元，在按研究機構(gòu)來看的世界排行榜中居第2位。馬里蘭大學獲得的相關(guān)研究經(jīng)費為8600萬美元，在上述排行榜中居第6位。

中國：彎道超車實現(xiàn)“量子霸權(quán)”

《設(shè)計新聞》網(wǎng)站的報道指出，制造量子比特有幾種不同方法：超導、光子、離子阱和半導體（硅）中的電子自旋。

目前，谷歌和IBM一直致力于利用零電阻超導電路開發(fā)量子計算機，其核心研究目標是增加可操縱的量子比特數(shù)量，并提升操縱的精度，最終應(yīng)用于實際問題。

在這方面，中國已經(jīng)后來居上。據(jù)《科學》雜志報道，今年5月，潘建偉院士團隊宣布成功構(gòu)建了目前超導量子比特數(shù)目最多、包含62個比特的可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，并實現(xiàn)了可編程的二維量子行走，在量子搜索算法、通用量子計算等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。今年6月，研究團隊再接再厲，成功將“祖沖之號”從62超導量子比特提升到66超導量子比特，從而最短能在1.2小時內(nèi)完成世界最強超級計算機8年才能完成的任務(wù)。

除超導方式外，中國科技大學早在2020年就采用光子的方式繼谷歌之后實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”：成功構(gòu)建了76個量子比特（光子）的量子計算原型機“九章”。據(jù)悉，當求解5000萬個樣本的高斯波色取樣時，目前世界最快超級計算機預計耗時6億年，而“九章”僅需200秒。

而且，實驗結(jié)果顯示，“九章”處理特定問題的速度比目前世界排名第一的超級計算機“富岳”快100萬億倍，也等效地比谷歌此前發(fā)布的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快100億倍。同時，還關(guān)閉了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子計算優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。

研究團隊表示：“希望能夠通過15年到20年的努力，研制出通用量子計算機，以解決一些廣泛應(yīng)用的問題，如密碼分析、氣象預報、藥物設(shè)計等，同時進一步探索物理、化學、生物學領(lǐng)域的一些復雜問題。”

此外，阿里巴巴集團也將開發(fā)量子計算機。2015年該公司與中科院成立了量子計算實驗室，2018年推出了能通過云平臺使用的服務(wù)。2020年12月23日，阿里巴巴發(fā)布阿里云量子開發(fā)平臺（ACQDP），并宣布全面開源量子模擬器“太章2.0”，以支持從業(yè)人員設(shè)計量子硬件、測試量子算法，并探索其在材料、分子發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化問題和機器學習等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

日本：另辟蹊徑加快步伐

早在1999年，日本電氣公司就在世界上首次生成利用超導元件的量子位成果，為這個領(lǐng)域的研究進展做出了貢獻。但是，日本之后未能取得較大成果，大學的研究規(guī)模也較小。

目前，日本正在加快量子計算機研制的步伐。2020年，日本推出了“量子技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略”，且為了避免落后于世界潮流，終于啟動了提出中長期目標的日本國家項目，將圍繞量子計算機、量子加密通信、量子傳感和量子材料這4個領(lǐng)域在主要研究機構(gòu)設(shè)置基地，展開重點投資。

今年4月，日本富士通公司宣布將與理化學研究院（RIKEN）合作，在后者現(xiàn)有的高級超導量子計算技術(shù)研究基礎(chǔ)上，在未來幾年內(nèi)打造出擁有1000量子比特的量子計算機。

另據(jù)《日本經(jīng)濟新聞》5月報道，以豐田、東芝和日本電氣公司為代表的50家企業(yè)計劃成立量子技術(shù)研究協(xié)議會，以推進量子技術(shù)的發(fā)展。

但日本量子計算機的研制路線與中美并不完全相同。谷歌等企業(yè)采用名為“量子門”的方式來開發(fā)量子計算機，這種量子計算機被稱為“通用型”，因為它可以處理任何計算任務(wù)，但缺點是量子比特很難保持穩(wěn)定，而且難度隨量子比特數(shù)目的增加而增加。

而在日本備受期待的是被稱為“量子退火”的方式。這種量子計算機的特點是能快速從龐大的選項中找出最佳答案，且比量子門方式更穩(wěn)定。但應(yīng)用量子退火算法的量子計算機，不再是通用型量子計算機，而是解決組合優(yōu)化問題的專用機器，也被稱為特化型量子計算機，包括日本電氣公司在內(nèi)的日本多家公司目前都在探索這一方式。

據(jù)日本媒體2019年7月報道，日本國立情報學研究所開發(fā)的量子退火機，擁有超過現(xiàn)有量子計算機的性能。日本電氣公司在2018年12月宣布了一項量子退火機研發(fā)計劃，最終目標是打造出能夠支撐10萬個量子比特的量子退火機。

盡管研發(fā)工作開展得如火如荼，但量子計算機距離嚴格意義的大規(guī)模商用還有待時日?？茖W進步從來都是漫長的苦旅，要研制出易創(chuàng)建、易管理和易擴展的商用量子計算機，還需各國加大投入，研究人員上下求索。