量子计算机：三国逐鹿风云起
2021-10-21
图/东方IC
今年6月，中国科技大学潘建伟团队构建出“祖冲之号”超导量子计算原型机；美国谷歌公司希望2029年研制出首台商用量子计算机；日本政府计划与约50家日本企业合作成立量子研究团体，以推动量子技术的发展。
量子计算机将在新药研发和密码破解等各方面超越传统计算机，对产业界和国家安全战略产生巨大影响，引发各国政府高度关注，美国、中国和日本等国都开始发力。
三国逐鹿量子计算机研制领域，谁领风骚？
市场潜力足 战略意义大
量子计算是“第二次量子革命”最具有代表性的技术，是未来计算技术的心脏。早期经典的计算机只能用“0”和“1”来记录所有的信息状态，每一步只能进行2的1次方，即2次运算；而量子计算机是用量子状态来描述信息，它拥有更快速的运算方式。比如2个量子态（也可以称作“2个比特”）的量子计算机，每一步可进行2的2次方，即4次运算，3个量子态的量子计算机，每一步可以对信息进行2的3次方，即8次运算。因此，量子计算机在执行某些大规模计算时，速度比最好的传统计算机快得多，能在密码破译、大数据优化、天气预报、药物分析等领域大显身手。
《日本经济新闻》7月6日报道，如果借助量子计算机开发出划时代的电池和药物，将让全人类受益。发展到更高水平，量子计算机有望破解网络密码，从而影响安全，而掌握量子技术的国家将在高科技领域掌握主导权。
美国波士顿咨询公司的数据显示，到2050年，量子计算机有望创造8500亿美元的利润。日本《设计新闻》网站也在7月6日的报道中指出，未来30年，量子计算机市场预计价值1万亿美元。
潘建伟在中国科技大学上海研究院的实验室里调试设备（新华社 张端 摄）
美国：2029年研制出商用量子计算机
正是量子计算机的潜能和“财”能，使政府、企业和科学家“竞折腰”。
从国家层面来看,与以往力争建设高速信息通信网和振兴纳米技术的时期一样，美国2018年在以量子计算机为核心的量子信息科学领域敲定了国家战略，实施了在5年里最多投入13亿美元的美国《国家量子倡议法案》，希望以此守住优势。
谷歌公司今年5月公布了正在推进的量子计算机开发计划，目标是2029年研制出首台商用量子计算机。
其实早在2019年，谷歌就利用其53个量子比特的量子计算机“悬铃木”，在200秒内解决了最尖端超级计算机“顶点”（Summit）需要花1万年才能解决的问题，成功实现了“量子霸权”的突破性进展——“量子霸权”用来表示“在存储和通信带宽呈指数级增加后，量子计算机拥有传统超级计算机所不具有的能力”。
而令谷歌心心念念的是“作为通用产品的量子计算机”，他们希望借其解决现有计算机束手无策的各种难题，如帮助开发应对气候变化的新材料、抑制全球大流行病的药物等。
要解决设想中的难题，现在的量子比特数远远不够，谷歌计划将量子比特的数量增至100万个，还将解决计算时出错这一最大的难题。但增加量子比特意味着计算机的布线和控制更困难，因此需要大规模技术创新，为此谷歌已在美国加利福尼亚州设立了新的研发基地。
另据《科学》杂志报道，2020年9月美国IBM公司称，将在2023年前建造一台包含1000个量子比特的量子计算机，同时提高容错率。
对于美国的高校而言，研究量子计算机的热情越来越浓。除了自“黎明期”开始展开研究的麻省理工学院外，近年来加利福尼亚大学和马里兰大学等也获得巨额研究经费。知识产权数据库日本Astamuse调查了2009至2018年各国研究经费，其中加利福尼亚大学获得的研究经费达到1.39亿美元，在按研究机构来看的世界排行榜中居第2位。马里兰大学获得的相关研究经费为8600万美元，在上述排行榜中居第6位。
中国：弯道超车实现“量子霸权”
《设计新闻》网站的报道指出，制造量子比特有几种不同方法：超导、光子、离子阱和半导体（硅）中的电子自旋。
目前，谷歌和IBM一直致力于利用零电阻超导电路开发量子计算机，其核心研究目标是增加可操纵的量子比特数量，并提升操纵的精度，最终应用于实际问题。
二维超导量子比特芯片示意图（图/中科院量子信息与量子科技创新研究院）
在这方面，中国已经后来居上。据《科学》杂志报道，今年5月，潘建伟院士团队宣布成功构建了目前超导量子比特数目最多、包含62个比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并实现了可编程的二维量子行走，在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用。今年6月，研究团队再接再厉，成功将“祖冲之号”从62超导量子比特提升到66超导量子比特，从而最短能在1.2小时内完成世界最强超级计算机8年才能完成的任务。
除超导方式外，中国科技大学早在2020年就采用光子的方式继谷歌之后实现了“量子霸权”：成功构建了76个量子比特（光子）的量子计算原型机“九章”。据悉，当求解5000万个样本的高斯波色取样时，目前世界最快超级计算机预计耗时6亿年，而“九章”仅需200秒。
而且，实验结果显示，“九章”处理特定问题的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快100万亿倍，也等效地比谷歌此前发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快100亿倍。同时，还关闭了谷歌53比特随机线路取样实验中量子计算优越性依赖于样本数量的漏洞。
研究团队表示：“希望能够通过15年到20年的努力，研制出通用量子计算机，以解决一些广泛应用的问题，如密码分析、气象预报、药物设计等，同时进一步探索物理、化学、生物学领域的一些复杂问题。”
此外，阿里巴巴集团也将开发量子计算机。2015年该公司与中科院成立了量子计算实验室，2018年推出了能通过云平台使用的服务。2020年12月23日，阿里巴巴发布阿里云量子开发平台（ACQDP），并宣布全面开源量子模拟器“太章2.0”，以支持从业人员设计量子硬件、测试量子算法，并探索其在材料、分子发现、优化问题和机器学习等领域内的应用。
日本：另辟蹊径加快步伐
早在1999年，日本电气公司就在世界上首次生成利用超导元件的量子位成果，为这个领域的研究进展做出了贡献。但是，日本之后未能取得较大成果，大学的研究规模也较小。
目前，日本正在加快量子计算机研制的步伐。2020年，日本推出了“量子技术创新战略”，且为了避免落后于世界潮流，终于启动了提出中长期目标的日本国家项目，将围绕量子计算机、量子加密通信、量子传感和量子材料这4个领域在主要研究机构设置基地，展开重点投资。
今年4月，日本富士通公司宣布将与理化学研究院（RIKEN）合作，在后者现有的高级超导量子计算技术研究基础上，在未来几年内打造出拥有1000量子比特的量子计算机。
另据《日本经济新闻》5月报道，以丰田、东芝和日本电气公司为代表的50家企业计划成立量子技术研究协议会，以推进量子技术的发展。
但日本量子计算机的研制路线与中美并不完全相同。谷歌等企业采用名为“量子门”的方式来开发量子计算机，这种量子计算机被称为“通用型”，因为它可以处理任何计算任务，但缺点是量子比特很难保持稳定，而且难度随量子比特数目的增加而增加。
而在日本备受期待的是被称为“量子退火”的方式。这种量子计算机的特点是能快速从庞大的选项中找出最佳答案，且比量子门方式更稳定。但应用量子退火算法的量子计算机，不再是通用型量子计算机，而是解决组合优化问题的专用机器，也被称为特化型量子计算机，包括日本电气公司在内的日本多家公司目前都在探索这一方式。
据日本媒体2019年7月报道，日本国立情报学研究所开发的量子退火机，拥有超过现有量子计算机的性能。日本电气公司在2018年12月宣布了一项量子退火机研发计划，最终目标是打造出能够支撑10万个量子比特的量子退火机。
尽管研发工作开展得如火如荼，但量子计算机距离严格意义的大规模商用还有待时日。科学进步从来都是漫长的苦旅，要研制出易创建、易管理和易扩展的商用量子计算机，还需各国加大投入，研究人员上下求索。（本刊综合）■
