這是一場關乎未來的競爭!中國能否領跑量子技術?
2018年02月18日07:33

  來源:新華視點微信公眾號

  這是一場關乎未來的競爭!中國能否成為勝利者?

  誰先奪取“量子霸權”,誰就掌握了技術製高點、標準製定權和輿論主導權,在產業競爭中佔據有利地位

  “誰先開發出量子計算機,沒有的國家,就有可能經曆一場國家安全噩夢”

  以企業和科研機構為先導,世界主要科技國家均已“參戰”

  與量子通信的全面領先相比,中國的量子計算雖整體處於“第一陣營”,但只有個別方向“領跑”、大多處於“跟跑”

  因為量子,國際IT巨頭近期集體“躁動”了。繼去年底IBM搶先發佈“50比特量子計算機樣機”、英特爾於今年初發佈“49比特量子芯片”後,仍在研製的Google和微軟的“新量子武器”,日前已迫不及待“放風卡位”,稱幾週內將公佈“里程碑式”重大成果。

  這是一場關乎未來的信息生產力之戰。IT巨頭們急於搶占的是第一製高點:量子霸權。在量子理論誕生118年之後,“第二次量子革命”的競爭進入關鍵階段。目前,以企業和科研機構為先導,世界主要科技國家均已“參戰”。

↑中國“墨子號”量子科學實驗衛星首席科學家潘建偉院士在中國科大量子存儲實驗室內瞭解科研情況(2017年4月20日攝)。張大崗 攝
↑中國“墨子號”量子科學實驗衛星首席科學家潘建偉院士在中國科大量子存儲實驗室內瞭解科研情況(2017年4月20日攝)。張大崗 攝

  量子理論發軔於1900年,當時的中國只能做看客;在20世紀下半葉“第一次量子革命”催生、興起至今的信息科技浪潮中,中國成為“後發快跑”的追趕者;在第二次量子革命的臨界點、加速段、窗口期,“中國量子軍團”能否成為破門者、引領者、勝利者?

  新世界顛覆舊秩序的轉折點

  相比傳統計算機,量子計算機是一種原理上的顛覆式超越。

  上世紀80年代,諾貝爾獎獲得者理查德・費曼等人提出構想,基於兩個奇特的量子特性――量子疊加和量子糾纏構建“量子計算”。

  傳統計算機通過控製晶體管的高低電平,決定一個比特是“1”還是“0”,組成數據序列串行處理。

  而疊加性讓一個量子比特可以同時具備“1”和“0”兩種狀態,糾纏性可以讓多個比特共享狀態,創造出“超級疊加”的量子並行計算,計算能力隨比特數增加呈指數級增長。

  理論上講,量子計算機可以將傳統計算機數萬年才能處理的複雜問題,幾秒鍾就解決。擁有300個量子比特,就能支援比宇宙中所有粒子數量更多的並行計算。

  而量子霸權,正是新世界顛覆舊秩序的標誌性轉折點。這個“靶點”2011年由美國物理學家提出,意指當量子計算機發展到50個比特時,計算能力將超越全球最快的傳統計算機,實現“稱霸”。

  誰先奪取“量子霸權”,誰就掌握了技術製高點、標準製定權和輿論主導權,在產業競爭中佔據有利地位。

  這就是IBM、英特爾等企業急於推出50和49量子比特成果,並引起國際高度關注的原因。

  “霸權”競爭日趨激烈

  宣佈重大突破的IBM和英特爾,是否已經實現或逼近量子霸權?答案是並沒有。

  數量夠了,質量不夠。多位業內專家介紹,量子霸權所指的50個比特,數量是一方面,更要看量子糾纏操縱精度、相干特性、邏輯門保真度等指標,這才是主要難點。

  “實現量子霸權至少有兩個關鍵技術:比特數和糾錯容錯能力,不能保持脆弱的量子相乾性,無法實現真正意義上的量子計算。”中科院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦介紹說,近年來量子比特數研究進展較快,但糾錯容錯能力進展緩慢。

  美國得州大學奧斯汀分校量子信息中心主任斯科特・阿倫森表示,量子數量遠不是唯一的關鍵因素,加拿大D-Wave公司的產品已實現了2000個量子比特,但這些量子位似乎沒有足夠長的相干時間,以至於該產品並沒有明顯勝過傳統計算機。

  “樣機”和“測試芯片”未獲認可。2017年度菲涅爾獎獲得者、中國科學技術大學教授陸朝陽認為,IBM發佈的是“樣機”,沒有公佈有價值的測試結果,並不被學界認可。只有經過嚴格的同行評議並在國際學術期刊上發表測試結果,才具權威性。

  國家“超級973”固態量子芯片項目首席科學家郭國平認為,英特爾發佈的是測試芯片,測試結果還未可知。從英特爾的技術方案來看,實現量子霸權還有很長的路要走。

  “稱霸門檻”已經提高。量子霸權的指標定為50個比特,是因為當時認為模擬49量子比特是傳統計算機的極限。但去年10月,在美國勞倫斯・利弗莫爾國家實驗室的傳統計算機上,成功模擬了56比特的量子計算機。

  《t望》新聞週刊記者獲悉,近期中國的一個量子研究組再次刷新紀錄,可模擬超過60個比特的量子計算。這意味著,量子霸權的“門檻”已提高到60個以上,未來還可能提高。

  受訪學者們認為,幾大IT巨頭密集發佈量子計算進展,很大程度上是出於商業目的,爭奪行業話語權和公眾眼球。但從側面也表明,量子計算加速發展,國際競爭日趨激烈。

  多國投入“戰局”

  儘管還未實現量子稱霸,但主流觀點認為,量子霸權時代必然會到來,這是一場誰都輸不起的競爭。

  在信息時代,量子計算技術一旦突破,掌握這種能力的國家,會在經濟、軍事、科研、安全等領域迅速建立全方位優勢。

  “如果說傳統計算機是機關槍,量子計算機就像核武器。”中科院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉說。

  美國馬里蘭大學教授克里斯托弗・門羅表示,“誰先開發出量子計算機,沒有的國家,就有可能經曆一場國家安全噩夢。”

  近年來,多個國家投入巨資啟動量子計算研發。

  去年10月,美國國會舉辦聽證會,討論如何確保“美國在量子技術領域的領先地位”。IBM投入30億美元研發量子計算等下一代芯片,微軟公司與多所大學共建量子實驗室。

  歐盟從2018年開始,投入10億歐元實施“量子旗艦”計劃。英國在牛津大學等高校建立量子研究中心,投入約2.5億美元培養人才。荷蘭向代爾夫特理工大學投資1.4億美元研究量子計算。

  日本計劃10年內在量子計算領域投資3.6億美元。加拿大已投入2.1億美元資助滑鐵盧大學的量子研究。澳州政府、銀行等出資8300萬澳元在新南威爾士大學成立量子計算公司。

  各國攻關量子計算機的戰略已經明確,但實現路徑並不相同。目前在超導、半導體、光量子、超冷原子等多條技術路線上推進。

  “將來哪條路線能實現通用量子計算機,鹿死誰手還未可知。”郭光燦說。

  量子算法是另一個不確定因素。要發揮量子計算機性能,必須針對不同問題設計算法,目前國際上已在因數分解和無結構數據庫搜索兩個方面取得進展。

  “依靠因數分解能力,將來可以破解廣泛應用的加密算法RSA,那麼無論是信用卡、支付寶,還是正在興起的區塊鏈技術,都將被極大地動搖。”中科大副研究員、科技與戰略風雲學會會長袁嵐峰表示,算法的演進將深刻影響量子計算“戰局”。

  中國的機遇與挑戰

  憑藉著潘建偉、郭光燦等領軍科學家及團隊的一系列重大突破,如今的中國已站在世界量子信息科研的舞台中央。近兩年來,中國發射了世界首顆量子通信科學實驗衛星,首次實現千公里量子糾纏,成功研發全球首台超越早期經典計算機的光量子計算機。

↑中國研發的全球首台超越早期經典計算機的光量子計算機
↑中國研發的全球首台超越早期經典計算機的光量子計算機

  據英國政府的統計報告顯示,中國量子科研論文發表量排名全球第一、專利應用排名第二。在“第二次量子革命”的起步階段,中國異軍突起,躍入國際“第一陣營”。

  但與量子通信的全面領先相比,中國的量子計算雖整體處於“第一陣營”,但只有個別方向“領跑”、大多處於“跟跑”。

  據瞭解,在量子計算多條技術路線上,中國在光量子方向領先,在半導體、超冷原子方向稍落後,在超導方向明顯落後。如IBM、英特爾公佈實現50個、49個超導量子比特,中國已公佈的最高為10個。

  多位學者認為,面對群雄並起、充滿變數的複雜局面,中國的挑戰與機遇並存,應保持戰略定力與科技自信,發揮製度優勢。

  “如果說實現通用量子計算機像一場馬拉松,現在才跑了幾公里。你前面領先,我後面有機會。”郭國平等人認為,關鍵的技術競爭還在後面。

  潘建偉介紹說,他十幾年前回國啟動量子通信研究的時候,不斷有人質疑:“這個東西這麼難,中國能做成嗎?”“發達國家還沒做,中國先做有風險嗎?”

  “這是一種‘科技不自信’,不太相信我們能做一些超越的事。”潘建偉說,得益於國家支援和“集中力量辦大事”的體製優勢,中國量子通信走到了世界最前列,他對量子計算同樣充滿信心。

  決勝未來,中國需組建“集團軍”

  在中國《“十三五”國家科技創新規劃》中,作為引領產業變革的顛覆性技術,量子計算機已被列入科技創新2030重大項目。

  業界普遍認為,未來5到10年是量子計算研究的窗口期和爆發期,決勝關鍵在於資源佈局與協同。

  目前國際上研製量子計算機主要有兩種組織模式,一種是“公司驅動、市場導向”,一種是“科研驅動、目標導向”。

  第一種模式的代表有IBM、Google、英特爾等,公司與耶魯大學、加州大學等科研機構合作,以市場需求為導向推動成果商業化,帶動量子軟硬件技術發展。

  第二種模式包括中國等國家,以科研機構為主導,瞄準通用量子計算機的科研目標,對外尋求與企業合作推進產業化。

  受訪學者認為,這兩種模式各有利弊,但在量子計算機研究進入實用化、產業化的臨界點,中國應該統籌科研力量、深化產業協同。

  近期國內出現“量子熱”,多個地方佈局量子研究,“招兵買馬”建實驗室。學者們認為,重視量子科研是好事,但如果大家都上馬,客觀上會分散資金和力量,造成重複建設。

  “量子科研做到現在,已經不是一個學者或一個團隊層面的競爭,而是成了國家綜合實力的競爭。”潘建偉說。

  “20年前,我曾經有些冒失地給錢學森先生寫信,希望他能像研製‘兩彈一星’一樣,牽頭組織攻關量子計算機。”郭光燦回憶,錢老回信說,他已經坐在輪椅上不能出來工作,但很支援這個想法。

  郭光燦建議,中國籌劃建設的量子信息國家實驗室應盡快落地,發揮體製優勢,協調各方力量全國“一盤棋”,“大家協同創新,在各自環節上做到最好,而不是每個團隊單打獨鬥。”

  產業化方面,目前中國有阿里巴巴、中船重工等公司與中科大量子科研團隊開始合作,安徽省政府設立了100億元的量子產業投資基金。但無論是規模還是深度,與IBM、Google等組建的“量子產學研聯盟”都有較大差距。

  “要打贏量子霸權爭奪戰,不能做‘遊擊隊’,一定要組織‘集團軍’。”郭光燦說,量子計算機產業涉及硬件、軟件、標準、工程技術、用戶習慣等方方面面,需要政府支援、科研機構、企業合作乃至社會大眾的關注。只有凝聚優勢力量,創新運行機製,中國才能主導“戰局”,避免重走傳統計算機產業被動、跟隨的老路。(記者 徐海濤)

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