量子計算機控制系統問(wèn)世 “量子霸權”仍任重道遠

　　日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊宣布，基于對半導體及超導量子比特的長(cháng)期研究，成功研制出一套精簡(jiǎn)、高效的量子計算機控制系統。這套被命名為本源量子測控一體機的系統，可以實(shí)現對量子芯片的操控并發(fā)揮其性能優(yōu)勢。

　　盡管到目前為止，全球第一臺能夠實(shí)用的量子計算機離面世還很遠，但作為當前國際學(xué)界的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域，量子計算機的控制系統是一大技術(shù)難點(diǎn)，不但成本昂貴，而且功能冗余、兼容性和集成度都較差。

　　據郭光燦院士介紹，這套控制系統的基本功能是提供量子芯片運行所需的關(guān)鍵信號，并負責量子芯片傳回信息的處理，執行對量子計算機程序的編譯。它不僅能最大程度發(fā)揮量子芯片性能，還能應用于精密測量等更廣泛的科研領(lǐng)域。

　　我國預計2020年實(shí)現“量子霸權”

　　相較于量子計算機的控制系統的重要性，目前更重要的目標是率先實(shí)現“量子霸權”。所謂“量子霸權”是指，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”。

　　按照國家對量子信息科技在“十三五”期間的統籌安排和整體部署，科技創(chuàng )新2030“量子通信與量子計算機”重大項目的必要性和可行性都已得到充分論證。中科院量子信息與量子科技創(chuàng )新研究院也初步統籌了全國高校、科研院所和企業(yè)的創(chuàng )新要素和優(yōu)勢資源，為量子信息科學(xué)國家實(shí)驗室的建立奠定了堅實(shí)的基礎。

　　今年7月3日，我國首次實(shí)現了18個(gè)量子比特糾纏，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及其同事陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè )、汪喜林等通過(guò)調控6個(gè)光子的偏振、路徑和軌道角動(dòng)量3個(gè)自由度，在國際上首次實(shí)現18個(gè)光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀錄。

　　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。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。

　　中科院量子信息與量子科技創(chuàng )新研究院副研究員張文卓向第一財經(jīng)記者介紹道，量子計算機的研制目標分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段就是“量子霸權”階段，目前美國在“量子霸權”的爭奪中暫時(shí)領(lǐng)先，我國預計在2020年左右實(shí)現“量子霸權”的科學(xué)目標，縮小與美國的差距;第二個(gè)階段是實(shí)用化量子模擬機階段，實(shí)現數百個(gè)量子比特相干操縱的專(zhuān)用型量子計算系統，應用于具有實(shí)用價(jià)值的組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機器學(xué)習等方面，指導新材料設計、藥物開(kāi)發(fā)等;第三個(gè)階段是通用可編程的量子計算機階段，能夠相干操縱數億量子比特，實(shí)現可容錯的量子計算機，能在經(jīng)典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。

　　“如果完成三個(gè)階段，意味著(zhù)人類(lèi)實(shí)現了量子計算機的夢(mèng)想，這將是人類(lèi)實(shí)現第二次信息革命，全面進(jìn)入量子信息時(shí)代的標志?！睆埼淖繉Φ谝回斀?jīng)記者表示。

　　目前，全球都仍處于第一階段的競逐中。在美國，從谷歌到IBM，在中國，從阿里巴巴到騰訊，世界頂尖的科技公司都在競相建造出第一臺量子計算機。

　　2017年11月和2018年3月，IBM和谷歌分別宣稱(chēng)實(shí)現了50個(gè)和72個(gè)量子位的原型機。然而兩家公司都沒(méi)有宣布實(shí)現“量子霸權”，也沒(méi)有公開(kāi)相關(guān)測試結果，這意味著(zhù)在技術(shù)上離實(shí)際的“量子霸權”還有一定的距離。

　　對此，張文卓向第一財經(jīng)記者解釋稱(chēng)：“這是因為量子芯片通過(guò)半導體工藝加工出來(lái)，量子位數目可以任意增加，但是僅有量子比特數目的增加是遠遠不夠的，更重要的是對多量子比特的相干控制的能力。如果一個(gè)芯片對多量子比特的相干控制能力沒(méi)有獲得好的測試結果，那么這個(gè)芯片就沒(méi)有科學(xué)或實(shí)用價(jià)值?！?/p>

　　他還指出，目前經(jīng)過(guò)嚴格同行評議并正式在國際學(xué)術(shù)期刊公開(kāi)發(fā)表的最高質(zhì)量測試結果是谷歌的9量子位超導芯片和我國的10量子位超導芯片。

　　盡管在量子技術(shù)領(lǐng)域，我國與發(fā)達國家的差距并非難以彌合，不過(guò)發(fā)達國家擁有長(cháng)期形成的強大半導體工業(yè)基礎、人才資源儲備、精密儀器設備制造能力和高效的科技成果轉化鏈條，國際巨頭企業(yè)的介入也提供了強大的研發(fā)資金保障。而我國在量子計算研究相關(guān)的公共技術(shù)積累較少，特別是超導微納加工工藝方面，需要積蓄一段時(shí)間才能實(shí)現超越式發(fā)展。

　　量子研究事關(guān)國家安全

　　美國也在積極保持其量子領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。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宣布將投入30億美元研發(fā)量子計算等下一代芯片，微軟公司也與多所大學(xué)共建量子實(shí)驗室。

　　近日，美國又重申了應在量子領(lǐng)域持續加強投入。美國國家科學(xué)、工程和醫學(xué)學(xué)院近日發(fā)布報告認為，盡管能夠輕松破解當前主流加密算法的量子計算機未來(lái)10年內都不太可能出現，但美國若想在量子信息技術(shù)領(lǐng)域保持全球領(lǐng)先，還應在該領(lǐng)域繼續投入。

　　在這份名為《量子計算：進(jìn)展與前景》的報告指出，鑒于量子計算當前的狀態(tài)和仍需應對的巨大挑戰，未來(lái)10年內“極不可能”出現能夠威脅“公鑰加密”的量子計算機，也很難預測何時(shí)會(huì )誕生實(shí)用型的量子計算機。不過(guò)，報告強調量子計算研究對國家安全影響顯著(zhù)，全球很多國家重視發(fā)展量子信息科技，美國若想保持領(lǐng)先優(yōu)勢，就應持續支持該領(lǐng)域發(fā)展。該報告有望推動(dòng)美國“國家量子計劃法案”的通過(guò)，該計劃旨在加速量子計算研發(fā)，目前正待國會(huì )批準。

　　量子設備可以破解用于保護數字信息的加密。正如一些科學(xué)家正在研究量子計算機一樣，另一些科學(xué)家在研究量子安全技術(shù)。這種技術(shù)可以阻止這些未來(lái)機器的密碼破譯的能力。

　　在瑞士日內瓦大學(xué)的量子實(shí)驗室里，第一財經(jīng)記者看到研究人員正在使用黃色的激光在量子中繼的實(shí)驗。量子中繼能夠讓量子加密的距離得以延伸，雖然并不是量子加密的必要條件。目前量子加密只能在有限的距離內工作。日內瓦大學(xué)的研究團隊最近還得出了一個(gè)新的發(fā)現，能夠表明有1600萬(wàn)個(gè)原子被糾纏在了一立方厘米的水晶中。他們使用了一種新的研究方法，當光子穿過(guò)晶體的時(shí)候，會(huì )使原子在被重新發(fā)射前陷入糾纏。通過(guò)分析其統計特征和重新發(fā)射光子的概率，之后就可以確定1600 萬(wàn)個(gè)糾纏原子的數量。這種研究方法對于即將到來(lái)的量子革命有著(zhù)里程碑式的意義。

　　在大西洋彼岸的芝加哥，芝加哥大學(xué)可能是擁有全球最大的量子計算團隊的大學(xué)。該校的一個(gè)量子研究機構同樣正在探索量子中繼器。芝加哥大學(xué)教授戴維·奧沙洛姆(David Awshalom)表示：“我們還沒(méi)有做成，但我相信這將在未來(lái)幾年發(fā)生。

　　而中科大潘建偉院士的研究團隊也在進(jìn)行量子存儲的實(shí)驗，并獲得了國際上綜合性能最好的結果。量子存儲是量子中繼的核心部分?！皩?shí)現量子中繼的難度堪比量子計算機?！睆埼淖繉Φ谝回斀?jīng)記者表示，“量子中繼不但可以讓遠距離量子加密變得更加安全，更重要的是，可以為未來(lái)的量子計算機建立量子網(wǎng)絡(luò )?！睋私?，中科大主要的量子存儲實(shí)驗室位于合肥。

　　同樣確定的是，中國在量子通信加密方面的領(lǐng)先優(yōu)勢也非常明顯。美國橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室前研究員、量子加密技術(shù)公司Qubitekk總裁兼CEO鄧肯·厄爾(Duncon Earl)表示：“中國把量子研究作為與人工智能等其它尖端技術(shù)一樣的戰略，美國再等就晚了?！?/p>

　　中國已經(jīng)在量子加密傳輸數據網(wǎng)絡(luò )上投入數千萬(wàn)美元資金，2016年8月發(fā)射的“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星使用量子加密技術(shù)，成功實(shí)現了北京和維也納之間的視頻通話(huà)，并且使用衛星將量子加密傳輸的距離擴大到創(chuàng )記錄的4630英里，而傳統的光纖線(xiàn)路的最大傳輸距離僅150英里。此外，京滬量子通信地面網(wǎng)絡(luò )也已經(jīng)投入使用，建設總長(cháng)約為1200英里。

　　歐洲知名量子技術(shù)專(zhuān)家、日內瓦大學(xué)教授、瑞士著(zhù)名量子通信企業(yè)IDQuantique創(chuàng )始人尼古拉·吉森(Nicolas Gisin)對第一財經(jīng)記者表示：“和中國所有的重大基礎設施項目一樣，中國的量子通信項目也得到了中國政府的大力支持。這是中國能夠在短時(shí)間內迅速趕上并有望超過(guò)歐美國家的重要因素?！?/p>

　　“京滬干線(xiàn)的開(kāi)通運營(yíng)是中國量子通信一次重大的升級?！迸私▊ピ菏繄F隊的陸朝陽(yáng)教授表示。使用傳統通信方式時(shí)，竊聽(tīng)者可以在光纖線(xiàn)路上的每個(gè)點(diǎn)攔截數據流進(jìn)行竊聽(tīng)，不過(guò)量子加密技術(shù)讓長(cháng)達1200英里的京滬干線(xiàn)上的易受攻擊點(diǎn)減少到了幾十個(gè)?！斑@不是最終的解決方案，但就安全而言，已經(jīng)是一個(gè)巨大的進(jìn)步?！?/p>

　　圖靈獎獲得者姚期智教授此前在接受第一財經(jīng)記者采訪(fǎng)時(shí)，對中國研制量子計算機的意義做出評價(jià)。他說(shuō)道：“制造量子計算機的重要性遠遠超過(guò)只研究量子計算，因為這種大工程將會(huì )帶動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，通過(guò)激發(fā)科學(xué)家和工程師的潛力，創(chuàng )造出新方法和新技術(shù)，從而在工業(yè)發(fā)展、國家安全等諸多領(lǐng)域中作出有益于社會(huì )的貢獻?！?/p>