誰先奪取 '量子霸權' , 誰就掌握了技術制高點, 標準制定權和輿論主導權, 在產業競爭中佔據有利地位
'誰先開發出量子計算機, 沒有的國家, 就有可能經曆一場國家安全噩夢'
以企業和科研機構為先導, 世界主要科技國家均已 '參戰'
與量子通信的全面領先相比, 中國的量子計算雖整體處於 '第一陣營' , 但只有個別方向 '領跑' , 大多處於 '跟跑'
因為量子, 國際IT巨頭近期集體 '躁動' 了. 繼去年底IBM搶先發布 '50比特量子計算機樣機' , 英特爾於今年初發布 '49比特量子晶片' 後, 仍在研製的穀歌和微軟的 '新量子武器' , 日前已迫不及待 '放風卡位' , 稱幾周內將公布 '裡程碑式' 重大成果.
這是一場關乎未來的資訊生產力之戰. IT巨頭們急於搶佔的是第一制高點: 量子霸權. 在量子理論誕生118年之後, '第二次量子革命' 的競爭進入關鍵階段. 目前, 以企業和科研機構為先導, 世界主要科技國家均已 '參戰' .
量子理論發軔於1900年, 當時的中國只能做看客; 在20世紀下半葉 '第一次量子革命' 催生, 興起至今的資訊科技浪潮中, 中國成為 '後發快跑' 的追趕者; 在第二次量子革命的臨界點, 加速段, 窗口期, '中國量子軍團' 能否成為破門者, 引領者, 勝利者?
新世界顛覆舊秩序的轉折點
相比傳統計算機, 量子計算機是一種原理上的顛覆式超越.
上世紀80年代, 諾貝爾獎獲得者理查德·費曼等人提出構想, 基於兩個奇特的量子特性——量子疊加和量子糾纏構建 '量子計算' .
傳統計算機通過控制晶體管的高低電平, 決定一個比特是 '1' 還是 '0' , 組成數據序列串列處理.
而疊加性讓一個量子比特可以同時具備 '1' 和 '0' 兩種狀態, 糾纏性可以讓多個比特共用狀態, 創造出 '超級疊加' 的量子並行計算, 計算能力隨比特數增加呈指數級增長.
理論上講, 量子計算機可以將傳統計算機數萬年才能處理的複雜問題, 幾秒鐘就解決. 擁有300個量子比特, 就能支援比宇宙中所有粒子數量更多的並行計算.
而量子霸權, 正是新世界顛覆舊秩序的標誌性轉折點. 這個 '靶點' 2011年由美國物理學家提出, 意指當量子計算機發展到50個比特時, 計算能力將超越全球最快的傳統計算機, 實現 '稱霸' .
誰先奪取 '量子霸權' , 誰就掌握了技術制高點, 標準制定權和輿論主導權, 在產業競爭中佔據有利地位.
這就是IBM, 英特爾等企業急於推出50和49量子比特成果, 並引起國際高度關注的原因.
'霸權' 競爭日趨激烈
宣布重大突破的IBM和英特爾, 是否已經實現或逼近量子霸權? 答案是並沒有.
數量夠了, 質量不夠. 多位業內專家介紹, 量子霸權所指的50個比特, 數量是一方面, 更要看量子糾纏操縱精度, 相干特性, 邏輯門保真度等指標, 這才是主要難點.
'實現量子霸權至少有兩個關鍵技術: 比特數和糾錯容錯能力, 不能保持脆弱的量子相干性, 無法實現真正意義上的量子計算. ' 中科院院士, 中科院量子資訊重點實驗室主任郭光燦介紹說, 近年來量子比特數研究進展較快, 但糾錯容錯能力進展緩慢.
美國得州大學奧斯汀分校量子資訊中心主任斯科特·阿倫森表示, 量子數量遠不是唯一的關鍵因素, 加拿大D-Wave公司的產品已實現了2000個量子比特, 但這些量子位似乎沒有足夠長的相干時間, 以至於該產品並沒有明顯勝過傳統計算機.
'樣機' 和 '測試晶片' 未獲認可. 2017年度菲涅爾獎獲得者, 中國科學技術大學教授陸朝陽認為, IBM發布的是 '樣機' , 沒有公布有價值的測試結果, 並不被學界認可. 只有經過嚴格的同行評議並在國際學術期刊上發表測試結果, 才具權威性.
國家 '超級973' 固態量子晶片項目首席科學家郭國平認為, 英特爾發布的是測試晶片, 測試結果還未可知. 從英特爾的技術方案來看, 實現量子霸權還有很長的路要走.
'稱霸門檻' 已經提高. 量子霸權的指標定為50個比特, 是因為當時認為類比49量子比特是傳統計算機的極限. 但去年10月, 在美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的傳統計算機上, 成功類比了56比特的量子計算機.
《瞭望》新聞周刊記者獲悉, 近期中國的一個量子研究組再次刷新紀錄, 可類比超過60個比特的量子計算. 這意味著, 量子霸權的 '門檻' 已提高到60個以上, 未來還可能提高.
受訪學者們認為, 幾大IT巨頭密集發布量子計算進展, 很大程度上是出於商業目的, 爭奪行業話語權和公眾眼球. 但從側面也表明, 量子計算加速發展, 國際競爭日趨激烈.
多國投入 '戰局'
儘管還未實現量子稱霸, 但主流觀點認為, 量子霸權時代必然會到來, 這是一場誰都輸不起的競爭.
在資訊時代, 量子計算技術一旦突破, 掌握這種能力的國家, 會在經濟, 軍事, 科研, 安全等領域迅速建立全方位優勢.
'如果說傳統計算機是機關槍, 量子計算機就像核武器. ' 中科院院士, 中國科學技術大學常務副校長潘建偉說.
美國馬里蘭大學教授克裡斯托弗·門羅表示, '誰先開發出量子計算機, 沒有的國家, 就有可能經曆一場國家安全噩夢. '
近年來, 多個國家投入巨資啟動量子計算研發.
去年10月, 美國國會舉辦聽證會, 討論如何確保 '美國在量子技術領域的領先地位' . IBM投入30億美元研發量子計算等下一代晶片, 微軟公司與多所大學共建量子實驗室.
歐盟從2018年開始, 投入10億歐元實施 '量子旗艦' 計劃. 英國在牛津大學等高校建立量子研究中心, 投入約2.5億美元培養人才. 荷蘭向代爾夫特理工大學投資1.4億美元研究量子計算.
日本計劃10年內在量子計算領域投資3.6億美元. 加拿大已投入2.1億美元資助滑鐵盧大學的量子研究. 澳大利亞政府, 銀行等出資8300萬澳元在新南威爾士大學成立量子計算公司.
各國攻關量子計算機的戰略已經明確, 但實現路徑並不相同. 目前在超導, 半導體, 光量子, 超冷原子等多條技術路線上推進.
'將來哪條路線能實現通用量子計算機, 鹿死誰手還未可知. ' 郭光燦說.
量子演算法是另一個不確定因素. 要發揮量子計算機性能, 必須針對不同問題設計演算法, 目前國際上已在因數分解和無結構資料庫搜索兩個方面取得進展.
'依靠因數分解能力, 將來可以破解廣泛應用的加密演算法RSA, 那麼無論是信用卡, 支付寶, 還是正在興起的區塊鏈技術, 都將被極大地動搖. ' 中科大副研究員, 科技與戰略風雲學會會長袁嵐峰表示, 演算法的演化將深刻影響量子計算 '戰局' .
中國的機遇與挑戰
憑藉著潘建偉, 郭光燦等領軍科學家及團隊的一系列重大突破, 如今的中國已站在世界量子資訊科研的舞台中央. 近兩年來, 中國發射了世界首顆量子通信科學實驗衛星, 首次實現千公裡量子糾纏, 成功研發全球首台超越早期經典計算機的光量子計算機.
據英國政府的統計報告顯示, 中國量子科研論文發表量排名全球第一, 專利應用排名第二. 在 '第二次量子革命' 的起步階段, 中國異軍突起, 躍入國際 '第一陣營' .
但與量子通信的全面領先相比, 中國的量子計算雖整體處於 '第一陣營' , 但只有個別方向 '領跑' , 大多處於 '跟跑' .
據了解, 在量子計算多條技術路線上, 中國在光量子方向領先, 在半導體, 超冷原子方向稍落後, 在超導方向明顯落後. 如IBM, 英特爾公布實現50個, 49個超導量子比特, 中國已公布的最高為10個.
多位學者認為, 面對群雄並起, 充滿變數的複雜局面, 中國的挑戰與機遇並存, 應保持戰略定力與科技自信, 發揮制度優勢.
'如果說實現通用量子計算機像一場馬拉松, 現在才跑了幾公裡. 你前面領先, 我後面有機會. ' 郭國平等人認為, 關鍵的技術競爭還在後面.
潘建偉介紹說, 他十幾年前回國啟動量子通信研究的時候, 不斷有人質疑: '這個東西這麼難, 中國能做成嗎? ' '發達國家還沒做, 中國先做有風險嗎? '
'這是一種 '科技不自信' , 不太相信我們能做一些超越的事. ' 潘建偉說, 得益於國家支援和 '集中力量辦大事' 的體制優勢, 中國量子通信走到了世界最前列, 他對量子計算同樣充滿信心.
決勝未來, 中國需組建 '集團軍'
在中國《 '十三五' 國家科技創新規劃》中, 作為引領產業變革的顛覆性技術, 量子計算機已被列入科技創新2030重大項目.
業界普遍認為, 未來5到10年是量子計算研究的窗口期和爆發期, 決勝關鍵在於資源布局與協同.
目前國際上研製量子計算機主要有兩種組織模式, 一種是 '公司驅動, 市場導向' , 一種是 '科研驅動, 目標導向' .
第一種模式的代表有IBM, 穀歌, 英特爾等, 公司與耶魯大學, 加州大學等科研機構合作, 以市場需求為導向推動成果商業化, 帶動量子軟硬體技術發展.
第二種模式包括中國等國家, 以科研機構為主導, 瞄準通用量子計算機的科研目標, 對外尋求與企業合作推進產業化.
受訪學者認為, 這兩種模式各有利弊, 但在量子計算機研究進入實用化, 產業化的臨界點, 中國應該統籌科研力量, 深化產業協同.
近期國內出現 '量子熱' , 多個地方布局量子研究, '招兵買馬' 建實驗室. 學者們認為, 重視量子科研是好事, 但如果大家都上馬, 客觀上會分散資金和力量, 造成重複建設.
'量子科研做到現在, 已經不是一個學者或一個團隊層面的競爭, 而是成了國家綜合實力的競爭. ' 潘建偉說.
'20年前, 我曾經有些冒失地給錢學森先生寫信, 希望他能像研製 '兩彈一星' 一樣, 牽頭組織攻關量子計算機. ' 郭光燦回憶, 錢老回信說, 他已經坐在輪椅上不能出來工作, 但很支援這個想法.
郭光燦建議, 中國籌劃建設的量子資訊國家實驗室應儘快落地, 發揮體制優勢, 協調各方力量全國 '一盤棋' , '大家協同創新, 在各自環節上做到最好, 而不是每個團隊單打獨鬥. '
產業化方面, 目前中國有阿里巴巴, 中船重工等公司與中科大量子科研團隊開始合作, 安徽省政府設立了100億元的量子產業投資基金. 但無論是規模還是深度, 與IBM, 穀歌等組建的 '量子產學研聯盟' 都有較大差距.
'要打贏量子霸權爭奪戰, 不能做 '遊擊隊' , 一定要組織 '集團軍' . ' 郭光燦說, 量子計算機產業涉及硬體, 軟體, 標準, 工程技術, 用戶習慣等方方面面, 需要政府支援, 科研機構, 企業合作乃至社會大眾的關注. 只有凝聚優勢力量, 創新運行機制, 中國才能主導 '戰局' , 避免重走傳統計算機產業被動, 跟隨的老路.