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一场关乎未来的竞争 中国能否领跑量子技术?

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一场关乎未来的竞争 中国能否领跑量子技术?

雪花又一年 2018-05-01 17:25:00 浏览88 评论0

摘要: 谁先夺取“量子霸权”,谁就掌握了技术制高点、标准制定权和舆论主导权,在产业竞争中占据有利地位“谁先开发出量子计算机,没有的国家,就有可能经历一场国家安全噩梦”以企业和科研机构为先导,世界主要科技国家均已“参战”。

谁先夺取“量子霸权”,谁就掌握了技术制高点、标准制定权和舆论主导权,在产业竞争中占据有利地位“谁先开发出量子计算机,没有的国家,就有可能经历一场国家安全噩梦”以企业和科研机构为先导,世界主要科技国家均已“参战”。与量子通信的全面领先相比,中国的量子计算虽整体处于“第一阵营”,但只有个别方向“领跑”、大多处于“跟跑”。

因为量子,国际IT巨头近期集体“躁动”了。继去年底IBM抢先发布“50比特量子计算机样机”、英特尔于今年初发布“49比特量子芯片”后,仍在研制的谷歌和微软的“新量子武器”,日前已迫不及待“放风卡位”,称几周内将公布“里程碑式”重大成果。

这是一场关乎未来的信息生产力之战。IT巨头们急于抢占的是第一制高点:量子霸权。在量子理论诞生118年之后,“第二次量子革命”的竞争进入关键阶段。目前,以企业和科研机构为先导,世界主要科技国家均已“参战”。

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中国“墨子号”量子科学实验卫星首席科学家潘建伟院士在中国科大量子存储实验室内了解科研情况(2017年4月20日摄)。张大岗 摄

量子理论发轫于1900年,当时的中国只能做看客;在20世纪下半叶“第一次量子革命”催生、兴起至今的信息科技浪潮中,中国成为“后发快跑”的追赶者;在第二次量子革命的临界点、加速段、窗口期,“中国量子军团”能否成为破门者、引领者、胜利者?

新世界颠覆旧秩序的转折点

相比传统计算机,量子计算机是一种原理上的颠覆式超越。

上世纪80年代,诺贝尔奖获得者理查德·费曼等人提出构想,基于两个奇特的量子特性——量子叠加和量子纠缠构建“量子计算”。

传统计算机通过控制晶体管的高低电平,决定一个比特是“1”还是“0”,组成数据序列串行处理。

而叠加性让一个量子比特可以同时具备“1”和“0”两种状态,纠缠性可以让多个比特共享状态,创造出“超级叠加”的量子并行计算,计算能力随比特数增加呈指数级增长。

理论上讲,量子计算机可以将传统计算机数万年才能处理的复杂问题,几秒钟就解决。拥有300个量子比特,就能支持比宇宙中所有粒子数量更多的并行计算。

而量子霸权,正是新世界颠覆旧秩序的标志性转折点。这个“靶点”2011年由美国物理学家提出,意指当量子计算机发展到50个比特时,计算能力将超越全球最快的传统计算机,实现“称霸”。

谁先夺取“量子霸权”,谁就掌握了技术制高点、标准制定权和舆论主导权,在产业竞争中占据有利地位。

这就是IBM、英特尔等企业急于推出50和49量子比特成果,并引起国际高度关注的原因。

“霸权”竞争日趋激烈

宣布重大突破的IBM和英特尔,是否已经实现或逼近量子霸权?答案是并没有。

数量够了,质量不够。多位业内专家介绍,量子霸权所指的50个比特,数量是一方面,更要看量子纠缠操纵精度、相干特性、逻辑门保真度等指标,这才是主要难点。

“实现量子霸权至少有两个关键技术:比特数和纠错容错能力,不能保持脆弱的量子相干性,无法实现真正意义上的量子计算。”中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿介绍说,近年来量子比特数研究进展较快,但纠错容错能力进展缓慢。

美国得州大学奥斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿伦森表示,量子数量远不是唯一的关键因素,加拿大D-Wave公司的产品已实现了2000个量子比特,但这些量子位似乎没有足够长的相干时间,以至于该产品并没有明显胜过传统计算机。

“样机”和“测试芯片”未获认可。2017年度菲涅尔奖获得者、中国科学技术大学教授陆朝阳认为,IBM发布的是“样机”,没有公布有价值的测试结果,并不被学界认可。只有经过严格的同行评议并在国际学术期刊上发表测试结果,才具权威性。

国家“超级973”固态量子芯片项目首席科学家郭国平认为,英特尔发布的是测试芯片,测试结果还未可知。从英特尔的技术方案来看,实现量子霸权还有很长的路要走。

“称霸门槛”已经提高。量子霸权的指标定为50个比特,是因为当时认为模拟49量子比特是传统计算机的极限。但去年10月,在美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的传统计算机上,成功模拟了56比特的量子计算机。

《瞭望》新闻周刊记者获悉,近期中国的一个量子研究组再次刷新纪录,可模拟超过60个比特的量子计算。这意味着,量子霸权的“门槛”已提高到60个以上,未来还可能提高。

受访学者们认为,几大IT巨头密集发布量子计算进展,很大程度上是出于商业目的,争夺行业话语权和公众眼球。但从侧面也表明,量子计算加速发展,国际竞争日趋激烈。

多国投入“战局”

尽管还未实现量子称霸,但主流观点认为,量子霸权时代必然会到来,这是一场谁都输不起的竞争。

在信息时代,量子计算技术一旦突破,掌握这种能力的国家,会在经济、军事、科研、安全等领域迅速建立全方位优势。

“如果说传统计算机是机关枪,量子计算机就像核武器。”中科院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟说。

美国马里兰大学教授克里斯托弗·门罗表示,“谁先开发出量子计算机,没有的国家,就有可能经历一场国家安全噩梦。”

近年来,多个国家投入巨资启动量子计算研发。

去年10月,美国国会举办听证会,讨论如何确保“美国在量子技术领域的领先地位”。IBM投入30亿美元研发量子计算等下一代芯片,微软公司与多所大学共建量子实验室。

欧盟从2018年开始,投入10亿欧元实施“量子旗舰”计划。英国在牛津大学等高校建立量子研究中心,投入约2.5亿美元培养人才。荷兰向代尔夫特理工大学投资1.4亿美元研究量子计算。

日本计划10年内在量子计算领域投资3.6亿美元。加拿大已投入2.1亿美元资助滑铁卢大学的量子研究。澳大利亚政府、银行等出资8300万澳元在新南威尔士大学成立量子计算公司。

各国攻关量子计算机的战略已经明确,但实现路径并不相同。目前在超导、半导体、光量子、超冷原子等多条技术路线上推进。

“将来哪条路线能实现通用量子计算机,鹿死谁手还未可知。”郭光灿说。

量子算法是另一个不确定因素。要发挥量子计算机性能,必须针对不同问题设计算法,目前国际上已在因数分解和无结构数据库搜索两个方面取得进展。

“依靠因数分解能力,将来可以破解广泛应用的加密算法RSA,那么无论是信用卡、支付宝,还是正在兴起的区块链技术,都将被极大地动摇。”中科大副研究员、科技与战略风云学会会长袁岚峰表示,算法的演进将深刻影响量子计算“战局”。

中国的机遇与挑战

凭借着潘建伟、郭光灿等领军科学家及团队的一系列重大突破,如今的中国已站在世界量子信息科研的舞台中央。近两年来,中国发射了世界首颗量子通信科学实验卫星,首次实现千公里量子纠缠,成功研发全球首台超越早期经典计算机的光量子计算机。

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中国研发的全球首台超越早期经典计算机的光量子计算机

据英国政府的统计报告显示,中国量子科研论文发表量排名全球第一、专利应用排名第二。在“第二次量子革命”的起步阶段,中国异军突起,跃入国际“第一阵营”。

但与量子通信的全面领先相比,中国的量子计算虽整体处于“第一阵营”,但只有个别方向“领跑”、大多处于“跟跑”。

据了解,在量子计算多条技术路线上,中国在光量子方向领先,在半导体、超冷原子方向稍落后,在超导方向明显落后。如IBM、英特尔公布实现50个、49个超导量子比特,中国已公布的最高为10个。

多位学者认为,面对群雄并起、充满变数的复杂局面,中国的挑战与机遇并存,应保持战略定力与科技自信,发挥制度优势。

“如果说实现通用量子计算机像一场马拉松,现在才跑了几公里。你前面领先,我后面有机会。”郭国平等人认为,关键的技术竞争还在后面。

潘建伟介绍说,他十几年前回国启动量子通信研究的时候,不断有人质疑:“这个东西这么难,中国能做成吗?”“发达国家还没做,中国先做有风险吗?”

“这是一种‘科技不自信’,不太相信我们能做一些超越的事。”潘建伟说,得益于国家支持和“集中力量办大事”的体制优势,中国量子通信走到了世界最前列,他对量子计算同样充满信心。

决胜未来,中国需组建“集团军”

在中国《“十三五”国家科技创新规划》中,作为引领产业变革的颠覆性技术,量子计算机已被列入科技创新2030重大项目。

业界普遍认为,未来5到10年是量子计算研究的窗口期和爆发期,决胜关键在于资源布局与协同。

目前国际上研制量子计算机主要有两种组织模式,一种是“公司驱动、市场导向”,一种是“科研驱动、目标导向”。

第一种模式的代表有IBM、谷歌、英特尔等,公司与耶鲁大学、加州大学等科研机构合作,以市场需求为导向推动成果商业化,带动量子软硬件技术发展。

第二种模式包括中国等国家,以科研机构为主导,瞄准通用量子计算机的科研目标,对外寻求与企业合作推进产业化。

受访学者认为,这两种模式各有利弊,但在量子计算机研究进入实用化、产业化的临界点,中国应该统筹科研力量、深化产业协同。

近期国内出现“量子热”,多个地方布局量子研究,“招兵买马”建实验室。学者们认为,重视量子科研是好事,但如果大家都上马,客观上会分散资金和力量,造成重复建设。

“量子科研做到现在,已经不是一个学者或一个团队层面的竞争,而是成了国家综合实力的竞争。”潘建伟说。

“20年前,我曾经有些冒失地给钱学森先生写信,希望他能像研制‘两弹一星’一样,牵头组织攻关量子计算机。”郭光灿回忆,钱老回信说,他已经坐在轮椅上不能出来工作,但很支持这个想法。

郭光灿建议,中国筹划建设的量子信息国家实验室应尽快落地,发挥体制优势,协调各方力量全国“一盘棋”,“大家协同创新,在各自环节上做到最好,而不是每个团队单打独斗。”

产业化方面,目前中国有阿里巴巴、中船重工等公司与中科大量子科研团队开始合作,安徽省政府设立了100亿元的量子产业投资基金。但无论是规模还是深度,与IBM、谷歌等组建的“量子产学研联盟”都有较大差距。

“要打赢量子霸权争夺战,不能做‘游击队’,一定要组织‘集团军’。”郭光灿说,量子计算机产业涉及硬件、软件、标准、工程技术、用户习惯等方方面面,需要政府支持、科研机构、企业合作乃至社会大众的关注。只有凝聚优势力量,创新运行机制,中国才能主导“战局”,避免重走传统计算机产业被动、跟随的老路。


原文发布时间为:2018-02-18
本文作者:万马奔腾人才库
本文来源:今日头条,如需转载请联系原作者。

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