量子計(jì)算機(jī)：三國(guó)逐鹿風(fēng)云起

圖/東方IC

今年6月，中國(guó)科技大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出“祖沖之號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)；美國(guó)谷歌公司希望2029年研制出首臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)；日本政府計(jì)劃與約50家日本企業(yè)合作成立量子研究團(tuán)體，以推動(dòng)量子技術(shù)的發(fā)展。

量子計(jì)算機(jī)將在新藥研發(fā)和密碼破解等各方面超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，對(duì)產(chǎn)業(yè)界和國(guó)家安全戰(zhàn)略產(chǎn)生巨大影響，引發(fā)各國(guó)政府高度關(guān)注，美國(guó)、中國(guó)和日本等國(guó)都開(kāi)始發(fā)力。

三國(guó)逐鹿量子計(jì)算機(jī)研制領(lǐng)域，誰(shuí)領(lǐng)風(fēng)騷？

市場(chǎng)潛力足 戰(zhàn)略意義大

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

《日本經(jīng)濟(jì)新聞》7月6日?qǐng)?bào)道，如果借助量子計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)出劃時(shí)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(jì)算機(jī)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(guó)家將在高科技領(lǐng)域掌握主導(dǎo)權(quán)。

美國(guó)波士頓咨詢公司的數(shù)據(jù)顯示，到2050年，量子計(jì)算機(jī)有望創(chuàng)造8500億美元的利潤(rùn)。日本《設(shè)計(jì)新聞》網(wǎng)站也在7月6日的報(bào)道中指出，未來(lái)30年，量子計(jì)算機(jī)市場(chǎng)預(yù)計(jì)價(jià)值1萬(wàn)億美元。

潘建偉在中國(guó)科技大學(xué)上海研究院的實(shí)驗(yàn)室里調(diào)試設(shè)備（新華社 張端 攝）

美國(guó)：2029年研制出商用量子計(jì)算機(jī)

正是量子計(jì)算機(jī)的潛能和“財(cái)”能，使政府、企業(yè)和科學(xué)家“競(jìng)折腰”。

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

谷歌公司今年5月公布了正在推進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)計(jì)劃，目標(biāo)是2029年研制出首臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)。

其實(shí)早在2019年，谷歌就利用其53個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，在200秒內(nèi)解決了最尖端超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”（Summit）需要花1萬(wàn)年才能解決的問(wèn)題，成功實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”的突破性進(jìn)展——“量子霸權(quán)”用來(lái)表示“在存儲(chǔ)和通信帶寬呈指數(shù)級(jí)增加后，量子計(jì)算機(jī)擁有傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)”，他們希望借其解決現(xiàn)有計(jì)算機(jī)束手無(wú)策的各種難題，如幫助開(kāi)發(fā)應(yīng)對(duì)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?cái)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，谷歌計(jì)劃將量子比特的數(shù)量增至100萬(wàn)個(gè)，還將解決計(jì)算時(shí)出錯(cuò)這一最大的難題。但增加量子比特意味著計(jì)算機(jī)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(guó)加利福尼亞州設(shè)立了新的研發(fā)基地。

另?yè)?jù)《科學(xué)》雜志報(bào)道，2020年9月美國(guó)IBM公司稱，將在2023年前建造一臺(tái)包含1000個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，同時(shí)提高容錯(cuò)率。

對(duì)于美國(guó)的高校而言，研究量子計(jì)算機(jī)的熱情越來(lái)越濃。除了自“黎明期”開(kāi)始展開(kāi)研究的麻省理工學(xué)院外，近年來(lái)加利福尼亞大學(xué)和馬里蘭大學(xué)等也獲得巨額研究經(jīng)費(fèi)。知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)據(jù)庫(kù)日本Astamuse調(diào)查了2009至2018年各國(guó)研究經(jīng)費(fèi)，其中加利福尼亞大學(xué)獲得的研究經(jīng)費(fèi)達(dá)到1.39億美元，在按研究機(jī)構(gòu)來(lái)看的世界排行榜中居第2位。馬里蘭大學(xué)獲得的相關(guān)研究經(jīng)費(fèi)為8600萬(wàn)美元，在上述排行榜中居第6位。

中國(guó)：彎道超車實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”

《設(shè)計(jì)新聞》網(wǎng)站的報(bào)道指出，制造量子比特有幾種不同方法：超導(dǎo)、光子、離子阱和半導(dǎo)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(dǎo)電路開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)，其核心研究目標(biāo)是增加可操縱的量子比特?cái)?shù)量，并提升操縱的精度，最終應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題。

二維超導(dǎo)量子比特芯片示意圖（圖/中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院）

在這方面，中國(guó)已經(jīng)后來(lái)居上。據(jù)《科學(xué)》雜志報(bào)道，今年5月，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)宣布成功構(gòu)建了目前超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目最多、包含62個(gè)比特的可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，并實(shí)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(jì)算等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。今年6月，研究團(tuán)隊(duì)再接再厲，成功將“祖沖之號(hào)”從62超導(dǎo)量子比特提升到66超導(dǎo)量子比特，從而最短能在1.2小時(shí)內(nèi)完成世界最強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)8年才能完成的任務(wù)。

除超導(dǎo)方式外，中國(guó)科技大學(xué)早在2020年就采用光子的方式繼谷歌之后實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”：成功構(gòu)建了76個(gè)量子比特（光子）的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。據(jù)悉，當(dāng)求解5000萬(wàn)個(gè)樣本的高斯波色取樣時(shí)，目前世界最快超級(jí)計(jì)算機(jī)預(yù)計(jì)耗時(shí)6億年，而“九章”僅需200秒。

而且，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，“九章”處理特定問(wèn)題的速度比目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快100萬(wàn)億倍，也等效地比谷歌此前發(fā)布的53比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快100億倍。同時(shí)，還關(guān)閉了谷歌53比特隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中量子計(jì)算優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。

研究團(tuán)隊(duì)表示：“希望能夠通過(guò)15年到20年的努力，研制出通用量子計(jì)算機(jī)，以解決一些廣泛應(yīng)用的問(wèn)題，如密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)等，同時(shí)進(jìn)一步探索物理、化學(xué)、生物學(xué)領(lǐng)域的一些復(fù)雜問(wèn)題。”

此外，阿里巴巴集團(tuán)也將開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)。2015年該公司與中科院成立了量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，2018年推出了能通過(guò)云平臺(tái)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(kāi)發(fā)平臺(tái)（ACQDP），并宣布全面開(kāi)源量子模擬器“太章2.0”，以支持從業(yè)人員設(shè)計(jì)量子硬件、測(cè)試量子算法，并探索其在材料、分子發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化問(wèn)題和機(jī)器學(xué)習(xí)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(dǎo)元件的量子位成果，為這個(gè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展做出了貢獻(xiàn)。但是，日本之后未能取得較大成果，大學(xué)的研究規(guī)模也較小。

目前，日本正在加快量子計(jì)算機(jī)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(dòng)了提出中長(zhǎng)期目標(biāo)的日本國(guó)家項(xiàng)目，將圍繞量子計(jì)算機(jī)、量子加密通信、量子傳感和量子材料這4個(gè)領(lǐng)域在主要研究機(jī)構(gòu)設(shè)置基地，展開(kāi)重點(diǎn)投資。

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

另?yè)?jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》5月報(bào)道，以豐田、東芝和日本電氣公司為代表的50家企業(yè)計(jì)劃成立量子技術(shù)研究協(xié)議會(huì)，以推進(jìn)量子技術(shù)的發(fā)展。

但日本量子計(jì)算機(jī)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(mén)”的方式來(lái)開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)，這種量子計(jì)算機(jī)被稱為“通用型”，因?yàn)樗梢蕴幚砣魏斡?jì)算任務(wù)，但缺點(diǎn)是量子比特很難保持穩(wěn)定，而且難度隨量子比特?cái)?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(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是能快速?gòu)凝嫶蟮倪x項(xiàng)中找出最佳答案，且比量子門(mén)方式更穩(wěn)定。但應(yīng)用量子退火算法的量子計(jì)算機(jī)，不再是通用型量子計(jì)算機(jī)，而是解決組合優(yōu)化問(wèn)題的專用機(jī)器，也被稱為特化型量子計(jì)算機(jī)，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(bào)道，日本國(guó)立情報(bào)學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的量子退火機(jī)，擁有超過(guò)現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)的性能。日本電氣公司在2018年12月宣布了一項(xiàng)量子退火機(jī)研發(fā)計(jì)劃，最終目標(biāo)是打造出能夠支撐10萬(wàn)個(gè)量子比特的量子退火機(jī)。

盡管研發(fā)工作開(kāi)展得如火如荼，但量子計(jì)算機(jī)距離嚴(yán)格意義的大規(guī)模商用還有待時(shí)日。科學(xué)進(jìn)步從來(lái)都是漫長(zhǎng)的苦旅，要研制出易創(chuàng)建、易管理和易擴(kuò)展的商用量子計(jì)算機(jī)，還需各國(guó)加大投入，研究人員上下求索。（本刊綜合）■