量子競爭

編譯 莫莊非

量子計算機和網絡，曾經專屬于物理學家的小眾項目，如今卻越來越被人們視作對國家安全的威脅。它在理論上具備破解當前加密方法的潛力；當然，它對人工智能的推動作用也是無可否認的。近期，英國、美國和澳大利亞簽署三邊安保聯盟協定，名為AUKUS，協議內容包括英美兩國將幫助澳大利亞建造核潛艇，引起廣泛關注。除此之外，三個國家也承諾將共享量子技術。

澳大利亞與英美這樣的量子技術領先者結盟是有道理的，尤其是當他們在該領域的主要競爭對手中國似乎正迎頭趕上。不久前，中國的研究人員公布了全球最大的都市量子通信網絡的細節。

量子計算機安全威脅的核心是它可以用于查找某個數的質因數——例如21的質因數是3和7?，F代加密基于這樣一個事實：查找大數字的質因數對于超級計算機來說也是需要數百年時間才能完成的任務。然而在1994年，一位名叫彼得·肖爾（Peter Shor）的物理學家提出了一種理論量子算法，可更快找到質因數——只要算法能在硬件上運行起來。盡管當前量子計算機的能力還不足以威脅到加密，但局面改變或許用不了多久。等到顛覆真正發生，世界各地的加密通信將被打開。量子計算機還能從根本上推進人工智能系統的神經網絡訓練，提升算法監視。

正因為如此，美國政府希望成為先進量子計算機的第一個擁有者，以此對抗其他國家，與此同時也希望擁有強大的量子通信網絡，因為此類網絡基于量子密碼學，無懼肖爾算法。

2021年9月14日，艾爾莎·卡尼亞（Elsa Kania）在新美國安全中心（CNAS，位于美國華盛頓特區的智庫）的一次虛擬會議上表示： “人們以為中國在量子計算領域可能還將落后多年，再過很長一段時間，大家才會看到中國的大學或企業與谷歌這樣的公司正面交鋒。事實恰恰相反，中美差距已經小到了區區數月。” 同時，卡尼亞指出，隨著量子研究資金投入越來越大，該領域的透明度以及美中合作都有所減少，相關人才流動也減少。

2018年，時任美國總統特朗普簽署《國家量子倡議法案》（NQI）。2020年，美國政府在量子技術研究方面投入了6.25億美元——2014年的斯諾登泄密事件讓我們得知美國國家安全局在2011年斥資8 000萬美元用于開發“密碼學上有用的量子計算機”。

撇開這些舉措不談，推動量子進步的通常是美國公司而不是政府：盡管使用不同的架構方法，谷歌、微軟、亞馬遜、惠普和 IBM 都在致力于量子計算，就像雷神、諾斯羅普·格魯曼和洛克希德馬丁等國防公司一樣。

中國政府牽頭，以中國科學技術大學（下文簡稱中科大）作為承辦單位，從2017年開始建設量子信息科學國家實驗室，并于近期建成，總耗資預計達100億美元。

2021年7月，中科大宣布了他們對谷歌量子霸權的超越：前者的量子計算機所解決問題的難度比后者Sycamore計算機此前解決問題的難度高了3個數量級。到9月，他們又將計算水平提升了3個數量級。

中科大在量子通信方面也取得了長足進步。目前全球最大的都市量子網絡——覆蓋合肥的銀行、大學和政府大樓——已經運行了近3年。2016年，中科大將全世界第一顆量子衛星送入軌道，并證明它可與地面站進行安全通信。英國帝國理工學院的彼得·奈特（Peter Knight）表示，中科大在很長一段時間內都有充足資金支持，這是成功的關鍵?！叭绻汶y以保證獲得長期持續的資金以開展大規模嘗試，那么事情就不會太順利?！?/p>

谷歌表示，量子處理器在幾分鐘內完成了一個普通超級計算機需要數千年才能完成的計算任務。桑達爾·皮查伊（Sundar Pichai）和丹尼爾·沙克（Daniel Sank）在實驗室與 Google 的一臺量子計算機合影

中國在量子競賽中領先嗎？得克薩斯大學奧斯汀分校的斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）認為，雖然中科大在可粗略衡量計算機能力的量子比特數方面占優勢，但谷歌在計算質量上處于領先地位。中科大發表了許多工作證明他們開發出更多量子位，而谷歌則一直致力于更好地操作應用量子位，并提高其糾錯水平和準確性。

阿倫森表示，量子位研究團隊的最終目標是開發量子計算機世界的晶體管——“非常可靠，足以擊敗所有競爭者的組件”。誰會拔得量子晶體管的頭籌尚未可知，“總有一些運氣成分，事實是，目前沒人清楚現有方法（如果有的話）里的哪一種能被擴大規模生產”。

阿倫森還指出，美國相較于中國，所嘗試的方法更加多樣化。中科大與谷歌一樣，都在超導量子比特方面投入了大量資金，IBM也在研究超導體，微軟也布局了該領域，而他們的宏偉計劃甚至包括使用一種還沒被物理學家確定存在的準粒子。

關于經費支持，中科大研究團隊成員表示，中國政府計劃為量子研究提供100億美元資金，但款項尚未到位。但即使沒有國家的大筆資金，團隊也已經完成了所有工作。從資金投入體量來看，僅谷歌一家企業的投資就可能多過中國整個國家的投入。

哪個國家率先實現大規模量子計算，無疑就取得了重大優勢，但這種成功無法一蹴而就，它需要時間，需要過程。

阿倫森表示：“如果某個情報機構現計劃斥資一萬億美元來打造一臺可擴展的量子計算機并破解加密，我很難說他們能在較短時間內實現目標。”

首先，研究人員需要開發一個可靠可糾錯的量子位。在此基礎上，他們必須擴大規模，產出數百萬或數十億個量子比特。用阿倫森的話說，“這相當于量子版本的曼哈頓計劃，我們不太可能通過閉門造車實現目標”。

雖然美國和中國的團隊都實現了量子霸權，但量子超級大國尚未出現——或許到最后都不會出現。中科大研究人員陸朝陽表示：“量子計算不是不同國家之間的競賽，也不是中美兩強相爭。這是一場人與自然的角逐。我們希望與西方科學家分享，希望我們都只是整個科學界的一部分?！?/p>

資料來源 New Scientist