全球量子爭(zhēng)奪戰(zhàn) "中國(guó)軍團(tuán)"能否成引領(lǐng)者?

　　因?yàn)榱孔樱瑖?guó)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(jì)算機(jī)樣機(jī)”、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(nèi)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(zhàn)。IT巨頭們急于搶占的是第一制高點(diǎn)：量子霸權(quán)。在量子理論誕生118年之后，“第二次量子革命”的競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入關(guān)鍵階段。目前，以企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)為先導(dǎo)，世界主要科技國(guó)家均已“參戰(zhàn)”。

　　量子理論發(fā)軔于1900年，當(dāng)時(shí)的中國(guó)只能做看客;在20世紀(jì)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(guó)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(guó)量子軍團(tuán)”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(zhuǎn)折點(diǎn)

　　相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)是一種原理上的顛覆式超越。

　　上世紀(jì)80年代，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼等人提出構(gòu)想，基于兩個(gè)奇特的量子特性——量子疊加和量子糾纏構(gòu)建“量子計(jì)算”。

　　傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)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(jí)疊加”的量子并行計(jì)算，計(jì)算能力隨比特?cái)?shù)增加呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

　　理論上講，量子計(jì)算機(jī)可以將傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)萬(wàn)年才能處理的復(fù)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(shù)量更多的并行計(jì)算。

　　而量子霸權(quán)，正是新世界顛覆舊秩序的標(biāo)志性轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這個(gè)“靶點(diǎn)”2011年由美國(guó)物理學(xué)家提出，意指當(dāng)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展到50個(gè)比特時(shí)，計(jì)算能力將超越全球最快的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)“稱(chēng)霸”。

　　誰(shuí)先奪取“量子霸權(quán)”，誰(shuí)就掌握了技術(shù)制高點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)和輿論主導(dǎo)權(quán)，在產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)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(guó)際高度關(guān)注的原因。

　“霸權(quán)”競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈

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

　　數(shù)量夠了，質(zhì)量不夠。多位業(yè)內(nèi)專(zhuān)家介紹，量子霸權(quán)所指的50個(gè)比特，數(shù)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(biāo)，這才是主要難點(diǎn)。

　　“實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)至少有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：比特?cái)?shù)和糾錯(cuò)容錯(cuò)能力，不能保持脆弱的量子相干性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的量子計(jì)算。”中科院院士、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦介紹說(shuō)，近年來(lái)量子比特?cái)?shù)研究進(jìn)展較快，但糾錯(cuò)容錯(cuò)能力進(jìn)展緩慢。

　　美國(guó)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(shù)量遠(yuǎn)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(xiàn)了2000個(gè)量子比特，但這些量子位似乎沒(méi)有足夠長(zhǎng)的相干時(shí)間，以至于該產(chǎn)品并沒(méi)有明顯勝過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

　　“樣機(jī)”和“測(cè)試芯片”未獲認(rèn)可。2017年度菲涅爾獎(jiǎng)獲得者、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)認(rèn)為，IBM發(fā)布的是“樣機(jī)”，沒(méi)有公布有價(jià)值的測(cè)試結(jié)果，并不被學(xué)界認(rèn)可。只有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的同行評(píng)議并在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表測(cè)試結(jié)果，才具權(quán)威性。

　　國(guó)家“超級(jí)973”固態(tài)量子芯片項(xiàng)目首席科學(xué)家郭國(guó)平認(rèn)為，英特爾發(fā)布的是測(cè)試芯片，測(cè)試結(jié)果還未可知。從英特爾的技術(shù)方案來(lái)看，實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)還有很長(zhǎng)的路要走。

　　“稱(chēng)霸門(mén)檻”已經(jīng)提高。量子霸權(quán)的指標(biāo)定為50個(gè)比特，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)認(rèn)為模擬49量子比特是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的極限。但去年10月，在美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上，成功模擬了56比特的量子計(jì)算機(jī)。

　　《瞭望》新聞周刊記者獲悉，近期中國(guó)的一個(gè)量子研究組再次刷新紀(jì)錄，可模擬超過(guò)60個(gè)比特的量子計(jì)算。這意味著，量子霸權(quán)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(rèn)為，幾大IT巨頭密集發(fā)布量子計(jì)算進(jìn)展，很大程度上是出于商業(yè)目的，爭(zhēng)奪行業(yè)話(huà)語(yǔ)權(quán)和公眾眼球。但從側(cè)面也表明，量子計(jì)算加速發(fā)展，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。

　　多國(guó)投入“戰(zhàn)局”

　　盡管還未實(shí)現(xiàn)量子稱(chēng)霸，但主流觀點(diǎn)認(rèn)為，量子霸權(quán)時(shí)代必然會(huì)到來(lái)，這是一場(chǎng)誰(shuí)都輸不起的競(jìng)爭(zhēng)。

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

　　“如果說(shuō)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是機(jī)關(guān)槍?zhuān)孔佑?jì)算機(jī)就像核武器。”中科院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉說(shuō)。

　　美國(guó)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(jì)算機(jī)，沒(méi)有的國(guó)家，就有可能經(jīng)歷一場(chǎng)國(guó)家安全噩夢(mèng)?！?/p>

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

　　去年10月，美國(guó)國(guó)會(huì)舉辦聽(tīng)證會(huì)，討論如何確保“美國(guó)在量子技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位”。IBM投入30億美元研發(fā)量子計(jì)算等下一代芯片，微軟公司與多所大學(xué)共建量子實(shí)驗(yàn)室。

　　歐盟從2018年開(kāi)始，投入10億歐元實(shí)施“量子旗艦”計(jì)劃。英國(guó)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(yǎng)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(jì)算。

　　日本計(jì)劃10年內(nèi)在量子計(jì)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(jì)算公司。

　　各國(guó)攻關(guān)量子計(jì)算機(jī)的戰(zhàn)略已經(jīng)明確，但實(shí)現(xiàn)路徑并不相同。目前在超導(dǎo)、半導(dǎo)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(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)，鹿死誰(shuí)手還未可知。”郭光燦說(shuō)。

　　量子算法是另一個(gè)不確定因素。要發(fā)揮量子計(jì)算機(jī)性能，必須針對(duì)不同問(wèn)題設(shè)計(jì)算法，目前國(guó)際上已在因數(shù)分解和無(wú)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索兩個(gè)方面取得進(jìn)展。

　　“依靠因數(shù)分解能力，將來(lái)可以破解廣泛應(yīng)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(qū)塊鏈技術(shù)，都將被極大地動(dòng)搖。”中科大副研究員、科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)袁嵐峰表示，算法的演進(jìn)將深刻影響量子計(jì)算“戰(zhàn)局”。

　　中國(guó)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

　　憑借著潘建偉、郭光燦等領(lǐng)軍科學(xué)家及團(tuán)隊(duì)的一系列重大突破，如今的中國(guó)已站在世界量子信息科研的舞臺(tái)中央。近兩年來(lái)，中國(guó)發(fā)射了世界首顆量子通信科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，首次實(shí)現(xiàn)千公里量子糾纏，成功研發(fā)全球首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)。

　　據(jù)英國(guó)政府的統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，中國(guó)量子科研論文發(fā)表量排名全球第一、專(zhuān)利應(yīng)用排名第二。在“第二次量子革命”的起步階段，中國(guó)異軍突起，躍入國(guó)際“第一陣營(yíng)”。

　　但與量子通信的全面領(lǐng)先相比，中國(guó)的量子計(jì)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(jù)了解，在量子計(jì)算多條技術(shù)路線(xiàn)上，中國(guó)在光量子方向領(lǐng)先，在半導(dǎo)體、超冷原子方向稍落后，在超導(dǎo)方向明顯落后。如IBM、英特爾公布實(shí)現(xiàn)50個(gè)、49個(gè)超導(dǎo)量子比特，中國(guó)已公布的最高為10個(gè)。

　　多位學(xué)者認(rèn)為，面對(duì)群雄并起、充滿(mǎn)變數(shù)的復(fù)雜局面，中國(guó)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存，應(yīng)保持戰(zhàn)略定力與科技自信，發(fā)揮制度優(yōu)勢(shì)。

　　“如果說(shuō)實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)像一場(chǎng)馬拉松，現(xiàn)在才跑了幾公里。你前面領(lǐng)先，我后面有機(jī)會(huì)?！惫鶉?guó)平等人認(rèn)為，關(guān)鍵的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)還在后面。

　　潘建偉介紹說(shuō)，他十幾年前回國(guó)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(guó)能做成嗎?”“發(fā)達(dá)國(guó)家還沒(méi)做，中國(guó)先做有風(fēng)險(xiǎn)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(guó)家支持和“集中力量辦大事”的體制優(yōu)勢(shì)，中國(guó)量子通信走到了世界最前列，他對(duì)量子計(jì)算同樣充滿(mǎn)信心。

　　決勝未來(lái)，中國(guó)需組建“集團(tuán)軍”

　　在中國(guó)《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中，作為引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)，量子計(jì)算機(jī)已被列入科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目。

　　業(yè)界普遍認(rèn)為，未來(lái)5到10年是量子計(jì)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(guó)際上研制量子計(jì)算機(jī)主要有兩種組織模式，一種是“公司驅(qū)動(dòng)、市場(chǎng)導(dǎo)向”，一種是“科研驅(qū)動(dòng)、目標(biāo)導(dǎo)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(jī)構(gòu)合作，以市場(chǎng)需求為導(dǎo)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(guó)等國(guó)家，以科研機(jī)構(gòu)為主導(dǎo)，瞄準(zhǔn)通用量子計(jì)算機(jī)的科研目標(biāo)，對(duì)外尋求與企業(yè)合作推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。

　　受訪(fǎng)學(xué)者認(rèn)為，這兩種模式各有利弊，但在量子計(jì)算機(jī)研究進(jìn)入實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化的臨界點(diǎn)，中國(guó)應(yīng)該統(tǒng)籌科研力量、深化產(chǎn)業(yè)協(xié)同。

　　近期國(guó)內(nèi)出現(xiàn)“量子熱”，多個(gè)地方布局量子研究，“招兵買(mǎi)馬”建實(shí)驗(yàn)室。學(xué)者們認(rèn)為，重視量子科研是好事，但如果大家都上馬，客觀上會(huì)分散資金和力量，造成重復(fù)建設(shè)。

　　“量子科研做到現(xiàn)在，已經(jīng)不是一個(gè)學(xué)者或一個(gè)團(tuán)隊(duì)層面的競(jìng)爭(zhēng)，而是成了國(guó)家綜合實(shí)力的競(jìng)爭(zhēng)。”潘建偉說(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(jì)算機(jī)?！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(guó)籌劃建設(shè)的量子信息國(guó)家實(shí)驗(yàn)室應(yīng)盡快落地，發(fā)揮體制優(yōu)勢(shì)，協(xié)調(diào)各方力量全國(guó)“一盤(pán)棋”，“大家協(xié)同創(chuàng)新，在各自環(huán)節(jié)上做到最好，而不是每個(gè)團(tuán)隊(duì)單打獨(dú)斗。”

　　產(chǎn)業(yè)化方面，目前中國(guó)有阿里巴巴、中船重工等公司與中科大量子科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)始合作，安徽省政府設(shè)立了100億元的量子產(chǎn)業(yè)投資基金。但無(wú)論是規(guī)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。

　　“要打贏量子霸權(quán)爭(zhēng)奪戰(zhàn)，不能做‘游擊隊(duì)’，一定要組織‘集團(tuán)軍’。”郭光燦說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)涉及硬件、軟件、標(biāo)準(zhǔn)、工程技術(shù)、用戶(hù)習(xí)慣等方方面面，需要政府支持、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)合作乃至社會(huì)大眾的關(guān)注。只有凝聚優(yōu)勢(shì)力量，創(chuàng)新運(yùn)行機(jī)制，中國(guó)才能主導(dǎo)“戰(zhàn)局”，避免重走傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)被動(dòng)、跟隨的老路。