量子計算機控制系統(tǒng)問世 “量子霸權(quán)”仍任重道遠

　　日前，中國科學技術(shù)大學郭光燦院士團隊宣布，基于對半導體及超導量子比特的長期研究，成功研制出一套精簡、高效的量子計算機控制系統(tǒng)。這套被命名為本源量子測控一體機的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)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?qū)嵱玫?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/量子計算機">量子計算機離面世還很遠，但作為當前國際學界的研究熱點領(lǐng)域，量子計算機的控制系統(tǒng)是一大技術(shù)難點，不但成本昂貴，而且功能冗余、兼容性和集成度都較差。

　　據(jù)郭光燦院士介紹，這套控制系統(tǒng)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(zhí)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年實現(xiàn)“量子霸權(quán)”

　　相較于量子計算機的控制系統(tǒng)的重要性，目前更重要的目標是率先實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。所謂“量子霸權(quán)”是指，當量子計算機發(fā)展到50個比特時，計算能力將超越全球最快的傳統(tǒng)計算機，實現(xiàn)“稱霸”。

　　按照國家對量子信息科技在“十三五”期間的統(tǒng)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(tǒng)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，為量子信息科學國家實驗室的建立奠定了堅實的基礎(chǔ)。

　　今年7月3日，我國首次實現(xiàn)了18個量子比特糾纏，中國科學技術(shù)大學潘建偉院士及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等通過調(diào)控6個光子的偏振、路徑和軌道角動量3個自由度，在國際上首次實現(xiàn)18個光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀錄。

　　誰先奪取“量子霸權(quán)”，誰就掌握了技術(shù)制高點、標準制定權(quán)和輿論主導權(quán)，在產(chǎn)業(yè)競爭中占據(jù)有利地位。在信息時代，量子計算技術(shù)一旦突破，掌握這種能力的國家，會在經(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階段：第一個階段就是“量子霸權(quán)”階段，目前美國在“量子霸權(quán)”的爭奪中暫時領(lǐng)先，我國預計在2020年左右實現(xiàn)“量子霸權(quán)”的科學目標，縮小與美國的差距;第二個階段是實用化量子模擬機階段，實現(xiàn)數(shù)百個量子比特相干操縱的專用型量子計算系統(tǒng)，應用于具有實用價值的組合優(yōu)化、量子化學、機器學習等方面，指導新材料設計、藥物開發(fā)等;第三個階段是通用可編程的量子計算機階段，能夠相干操縱數(shù)億量子比特，實現(xiàn)可容錯的量子計算機，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。

　　“如果完成三個階段，意味著人類實現(xiàn)了量子計算機的夢想，這將是人類實現(xiàn)第二次信息革命，全面進入量子信息時代的標志。”張文卓對第一財經(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和谷歌分別宣稱實現(xiàn)了50個和72個量子位的原型機。然而兩家公司都沒有宣布實現(xiàn)“量子霸權(quán)”，也沒有公開相關(guān)測試結(jié)果，這意味著在技術(shù)上離實際的“量子霸權(quán)”還有一定的距離。

　　對此，張文卓向第一財經(jīng)記者解釋稱：“這是因為量子芯片通過半導體工藝加工出來，量子位數(shù)目可以任意增加，但是僅有量子比特數(shù)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。如果一個芯片對多量子比特的相干控制能力沒有獲得好的測試結(jié)果，那么這個芯片就沒有科學或?qū)嵱脙r值?！?/p>

　　他還指出，目前經(jīng)過嚴格同行評議并正式在國際學術(shù)期刊公開發(fā)表的最高質(zhì)量測試結(jié)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，不過發(fā)達國家擁有長期形成的強大半導體工業(yè)基礎(chǔ)、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(zhuǎn)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，需要積蓄一段時間才能實現(xiàn)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，美國國會舉辦聽證會，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共建量子實驗室。

　　近日，美國又重申了應在量子領(lǐng)域持續(xù)加強投入。美國國家科學、工程和醫(yī)學學院近日發(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10年內(nèi)都不太可能出現(xiàn)，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(xù)投入。

　　在這份名為《量子計算：進展與前景》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(zhàn)，未來10年內(nèi)“極不可能”出現(xiàn)能夠威脅“公鑰加密”的量子計算機，也很難預測何時會誕生實用型的量子計算機。不過，報告強調(diào)量子計算研究對國家安全影響顯著，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(xù)支持該領(lǐng)域發(fā)展。該報告有望推動美國“國家量子計劃法案”的通過，該計劃旨在加速量子計算研發(fā)，目前正待國會批準。

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

　　在瑞士日內(nèi)瓦大學的量子實驗室里，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(nèi)工作。日內(nèi)瓦大學的研究團隊最近還得出了一個新的發(fā)現(xiàn)，能夠表明有1600萬個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，當光子穿過晶體的時候，會使原子在被重新發(fā)射前陷入糾纏。通過分析其統(tǒng)計特征和重新發(fā)射光子的概率，之后就可以確定1600 萬個糾纏原子的數(shù)量。這種研究方法對于即將到來的量子革命有著里程碑式的意義。

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

　　而中科大潘建偉院士的研究團隊也在進行量子存儲的實驗，并獲得了國際上綜合性能最好的結(jié)果。量子存儲是量子中繼的核心部分?！皩崿F(xiàn)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，可以為未來的量子計算機建立量子網(wǎng)絡?！睋?jù)了解，中科大主要的量子存儲實驗室位于合肥。

　　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。美國橡樹嶺國家實驗室前研究員、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(zhàn)略，美國再等就晚了。”

　　中國已經(jīng)在量子加密傳輸數(shù)據(jù)網(wǎng)絡上投入數(shù)千萬美元資金，2016年8月發(fā)射的“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星使用量子加密技術(shù)，成功實現(xiàn)了北京和維也納之間的視頻通話，并且使用衛(wèi)星將量子加密傳輸?shù)木嚯x擴大到創(chuàng)記錄的4630英里，而傳統(tǒng)的光纖線路的最大傳輸距離僅150英里。此外，京滬量子通信地面網(wǎng)絡也已經(jīng)投入使用，建設總長約為1200英里。

　　歐洲知名量子技術(shù)專家、日內(nèi)瓦大學教授、瑞士著名量子通信企業(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(chǔ)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間內(nèi)迅速趕上并有望超過歐美國家的重要因素?！?/p>

　　“京滬干線的開通運營是中國量子通信一次重大的升級?！迸私▊ピ菏繄F隊的陸朝陽教授表示。使用傳統(tǒng)通信方式時，竊聽者可以在光纖線路上的每個點攔截數(shù)據(jù)流進行竊聽，不過量子加密技術(shù)讓長達1200英里的京滬干線上的易受攻擊點減少到了幾十個?！斑@不是最終的解決方案，但就安全而言，已經(jīng)是一個巨大的進步?！?/p>

　　圖靈獎獲得者姚期智教授此前在接受第一財經(jīng)記者采訪時，對中國研制量子計算機的意義做出評價。他說道：“制造量子計算機的重要性遠遠超過只研究量子計算，因為這種大工程將會帶動技術(shù)的進步，通過激發(fā)科學家和工程師的潛力，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的貢獻?！?/p>