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' .
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.
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.