全球量子爭奪戰 "中國軍團"能否成引領(lǐng)者?

　　因為量子，國際IT巨頭近期集體“躁動(dòng)”了。繼去年底IBM搶先發(fā)布“50比特量子計算機樣機”、英特爾于今年初發(fā)布“49比特量子芯片”后，仍在研制的谷歌和微軟的“新量子武器”，日前已迫不及待“放風(fēng)卡位”，稱(chēng)幾周內將公布“里程碑式”重大成果。

　　這是一場(chǎng)關(guān)乎未來(lái)的信息生產(chǎn)力之戰。IT巨頭們急于搶占的是第一制高點(diǎn)：量子霸權。在量子理論誕生118年之后，“第二次量子革命”的競爭進(jìn)入關(guān)鍵階段。目前，以企業(yè)和科研機構為先導，世界主要科技國家均已“參戰”。

　　量子理論發(fā)軔于1900年，當時(shí)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“后發(fā)快跑”的追趕者;在第二次量子革命的臨界點(diǎn)、加速段、窗口期，“中國量子軍團”能否成為破門(mén)者、引領(lǐng)者、勝利者?

     新世界顛覆舊秩序的轉折點(diǎn)

　　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，基于兩個(gè)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(guò)控制晶體管的高低電平，決定一個(gè)比特是“1”還是“0”，組成數據序列串行處理。

　　而疊加性讓一個(gè)量子比特可以同時(shí)具備“1”和“0”兩種狀態(tài)，糾纏性可以讓多個(gè)比特共享狀態(tài)，創(chuàng )造出“超級疊加”的量子并行計算，計算能力隨比特數增加呈指數級增長(cháng)。

　　理論上講，量子計算機可以將傳統計算機數萬(wàn)年才能處理的復雜問(wèn)題，幾秒鐘就解決。擁有300個(gè)量子比特，就能支持比宇宙中所有粒子數量更多的并行計算。

　　而量子霸權，正是新世界顛覆舊秩序的標志性轉折點(diǎn)。這個(gè)“靶點(diǎn)”2011年由美國物理學(xué)家提出，意指當量子計算機發(fā)展到50個(gè)比特時(shí)，計算能力將超越全球最快的傳統計算機，實(shí)現“稱(chēng)霸”。

　　誰(shuí)先奪取“量子霸權”，誰(shuí)就掌握了技術(shù)制高點(diǎn)、標準制定權和輿論主導權，在產(chǎn)業(yè)競爭中占據有利地位。

　　這就是IBM、英特爾等企業(yè)急于推出50和49量子比特成果，并引起國際高度關(guān)注的原因。

　“霸權”競爭日趨激烈

　　宣布重大突破的IBM和英特爾，是否已經(jīng)實(shí)現或逼近量子霸權?答案是并沒(méi)有。

　　數量夠了，質(zhì)量不夠。多位業(yè)內專(zhuān)家介紹，量子霸權所指的50個(gè)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(mén)保真度等指標，這才是主要難點(diǎn)。

　　“實(shí)現量子霸權至少有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：比特數和糾錯容錯能力，不能保持脆弱的量子相干性，無(wú)法實(shí)現真正意義上的量子計算?！敝锌圃涸菏?、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室主任郭光燦介紹說(shuō)，近年來(lái)量子比特數研究進(jìn)展較快，但糾錯容錯能力進(jìn)展緩慢。

　　美國得州大學(xué)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(guān)鍵因素，加拿大D-Wave公司的產(chǎn)品已實(shí)現了2000個(gè)量子比特，但這些量子位似乎沒(méi)有足夠長(cháng)的相干時(shí)間，以至于該產(chǎn)品并沒(méi)有明顯勝過(guò)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(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)認為，IBM發(fā)布的是“樣機”，沒(méi)有公布有價(jià)值的測試結果，并不被學(xué)界認可。只有經(jīng)過(guò)嚴格的同行評議并在國際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表測試結果，才具權威性。

　　國家“超級973”固態(tài)量子芯片項目首席科學(xué)家郭國平認為，英特爾發(fā)布的是測試芯片，測試結果還未可知。從英特爾的技術(shù)方案來(lái)看，實(shí)現量子霸權還有很長(cháng)的路要走。

　　“稱(chēng)霸門(mén)檻”已經(jīng)提高。量子霸權的指標定為50個(gè)比特，是因為當時(shí)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(shí)驗室的傳統計算機上，成功模擬了56比特的量子計算機。

　　《瞭望》新聞周刊記者獲悉，近期中國的一個(gè)量子研究組再次刷新紀錄，可模擬超過(guò)60個(gè)比特的量子計算。這意味著(zhù)，量子霸權的“門(mén)檻”已提高到60個(gè)以上，未來(lái)還可能提高。

　　受訪(fǎng)學(xué)者們認為，幾大IT巨頭密集發(fā)布量子計算進(jìn)展，很大程度上是出于商業(yè)目的，爭奪行業(yè)話(huà)語(yǔ)權和公眾眼球。但從側面也表明，量子計算加速發(fā)展，國際競爭日趨激烈。

　　多國投入“戰局”

　　盡管還未實(shí)現量子稱(chēng)霸，但主流觀(guān)點(diǎn)認為，量子霸權時(shí)代必然會(huì )到來(lái)，這是一場(chǎng)誰(shuí)都輸不起的競爭。

　　在信息時(shí)代，量子計算技術(shù)一旦突破，掌握這種能力的國家，會(huì )在經(jīng)濟、軍事、科研、安全等領(lǐng)域迅速建立全方位優(yōu)勢。

　　“如果說(shuō)傳統計算機是機關(guān)槍?zhuān)孔佑嬎銠C就像核武器?！敝锌圃涸菏?、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(cháng)潘建偉說(shuō)。

　　美國馬里蘭大學(xué)教授克里斯托弗·門(mén)羅表示，“誰(shuí)先開(kāi)發(fā)出量子計算機，沒(méi)有的國家，就有可能經(jīng)歷一場(chǎng)國家安全噩夢(mèng)?！?/p>

　　近年來(lái)，多個(gè)國家投入巨資啟動(dòng)量子計算研發(fā)。

　　去年10月，美國國會(huì )舉辦聽(tīng)證會(huì )，討論如何確?！懊绹诹孔蛹夹g(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位”。IBM投入30億美元研發(fā)量子計算等下一代芯片，微軟公司與多所大學(xué)共建量子實(shí)驗室。

　　歐盟從2018年開(kāi)始，投入10億歐元實(shí)施“量子旗艦”計劃。英國在牛津大學(xué)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(xué)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(lǐng)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(xué)的量子研究。澳大利亞政府、銀行等出資8300萬(wàn)澳元在新南威爾士大學(xué)成立量子計算公司。

　　各國攻關(guān)量子計算機的戰略已經(jīng)明確，但實(shí)現路徑并不相同。目前在超導、半導體、光量子、超冷原子等多條技術(shù)路線(xiàn)上推進(jìn)。

　　“將來(lái)哪條路線(xiàn)能實(shí)現通用量子計算機，鹿死誰(shuí)手還未可知?！惫鉅N說(shuō)。

　　量子算法是另一個(gè)不確定因素。要發(fā)揮量子計算機性能，必須針對不同問(wèn)題設計算法，目前國際上已在因數分解和無(wú)結構數據庫搜索兩個(gè)方面取得進(jìn)展。

　　“依靠因數分解能力，將來(lái)可以破解廣泛應用的加密算法RSA，那么無(wú)論是信用卡、支付寶，還是正在興起的區塊鏈技術(shù)，都將被極大地動(dòng)搖?！敝锌拼蟾毖芯繂T、科技與戰略風(fēng)云學(xué)會(huì )會(huì )長(cháng)袁嵐峰表示，算法的演進(jìn)將深刻影響量子計算“戰局”。

　　中國的機遇與挑戰

　　憑借著(zhù)潘建偉、郭光燦等領(lǐng)軍科學(xué)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臺中央。近兩年來(lái)，中國發(fā)射了世界首顆量子通信科學(xué)實(shí)驗衛星，首次實(shí)現千公里量子糾纏，成功研發(fā)全球首臺超越早期經(jīng)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(fā)表量排名全球第一、專(zhuān)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(yíng)”。

　　但與量子通信的全面領(lǐng)先相比，中國的量子計算雖整體處于“第一陣營(yíng)”，但只有個(gè)別方向“領(lǐng)跑”、大多處于“跟跑”。

　　據了解，在量子計算多條技術(shù)路線(xiàn)上，中國在光量子方向領(lǐng)先，在半導體、超冷原子方向稍落后，在超導方向明顯落后。如IBM、英特爾公布實(shí)現50個(gè)、49個(gè)超導量子比特，中國已公布的最高為10個(gè)。

　　多位學(xué)者認為，面對群雄并起、充滿(mǎn)變數的復雜局面，中國的挑戰與機遇并存，應保持戰略定力與科技自信，發(fā)揮制度優(yōu)勢。

　　“如果說(shuō)實(shí)現通用量子計算機像一場(chǎng)馬拉松，現在才跑了幾公里。你前面領(lǐng)先，我后面有機會(huì )?！惫鶉降热苏J為，關(guān)鍵的技術(shù)競爭還在后面。

　　潘建偉介紹說(shuō)，他十幾年前回國啟動(dòng)量子通信研究的時(shí)候，不斷有人質(zhì)疑：“這個(gè)東西這么難，中國能做成嗎?”“發(fā)達國家還沒(méi)做，中國先做有風(fēng)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?！迸私▊フf(shuō)，得益于國家支持和“集中力量辦大事”的體制優(yōu)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(mǎn)信心。

　　決勝未來(lái)，中國需組建“集團軍”

　　在中國《“十三五”國家科技創(chuàng )新規劃》中，作為引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)，量子計算機已被列入科技創(chuàng )新2030重大項目。

　　業(yè)界普遍認為，未來(lái)5到10年是量子計算研究的窗口期和爆發(fā)期，決勝關(guān)鍵在于資源布局與協(xié)同。

　　目前國際上研制量子計算機主要有兩種組織模式，一種是“公司驅動(dòng)、市場(chǎng)導向”，一種是“科研驅動(dòng)、目標導向”。

　　第一種模式的代表有IBM、谷歌、英特爾等，公司與耶魯大學(xué)、加州大學(xué)等科研機構合作，以市場(chǎng)需求為導向推動(dòng)成果商業(yè)化，帶動(dòng)量子軟硬件技術(shù)發(fā)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(yè)合作推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。

　　受訪(fǎng)學(xué)者認為，這兩種模式各有利弊，但在量子計算機研究進(jìn)入實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化的臨界點(diǎn)，中國應該統籌科研力量、深化產(chǎn)業(yè)協(xié)同。

　　近期國內出現“量子熱”，多個(gè)地方布局量子研究，“招兵買(mǎi)馬”建實(shí)驗室。學(xué)者們認為，重視量子科研是好事，但如果大家都上馬，客觀(guān)上會(huì )分散資金和力量，造成重復建設。

　　“量子科研做到現在，已經(jīng)不是一個(gè)學(xué)者或一個(gè)團隊層面的競爭，而是成了國家綜合實(shí)力的競爭?！迸私▊フf(shuō)。

　　“20年前，我曾經(jīng)有些冒失地給錢(qián)學(xué)森先生寫(xiě)信，希望他能像研制‘兩彈一星’一樣，牽頭組織攻關(guān)量子計算機?！惫鉅N回憶，錢(qián)老回信說(shuō)，他已經(jīng)坐在輪椅上不能出來(lái)工作，但很支持這個(gè)想法。

　　郭光燦建議，中國籌劃建設的量子信息國家實(shí)驗室應盡快落地，發(fā)揮體制優(yōu)勢，協(xié)調各方力量全國“一盤(pán)棋”，“大家協(xié)同創(chuàng )新，在各自環(huán)節上做到最好，而不是每個(gè)團隊單打獨斗?！?/p>

　　產(chǎn)業(yè)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(kāi)始合作，安徽省政府設立了100億元的量子產(chǎn)業(yè)投資基金。但無(wú)論是規模還是深度，與IBM、谷歌等組建的“量子產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟”都有較大差距。

　　“要打贏(yíng)量子霸權爭奪戰，不能做‘游擊隊’，一定要組織‘集團軍’?！惫鉅N說(shuō)，量子計算機產(chǎn)業(yè)涉及硬件、軟件、標準、工程技術(shù)、用戶(hù)習慣等方方面面，需要政府支持、科研機構、企業(yè)合作乃至社會(huì )大眾的關(guān)注。只有凝聚優(yōu)勢力量，創(chuàng )新運行機制，中國才能主導“戰局”，避免重走傳統計算機產(chǎn)業(yè)被動(dòng)、跟隨的老路。