量子计算机真的来了吗？
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本文转载自高科技与产业化（ID：hitechcas）
作者：工业和信息化部赛迪研究院 王闯 吕尧
2017 年 3 月，谷歌称量子计算机 5 年内将实现商用化，而 IBM 则宣布今年将推出全球第一个商业化量子计算云服务。近几年，谷歌、 IBM、微软等 IT 巨头不断加大对量子计算机的投入力度，并在商业层面发布了一系列成果，引发社会广泛关注。科学界、产业界等相关各方对量子计算机研发进展仍有分歧，量子计算机何时能够实用并走向产业化尚无定论。
量子计算机是基于量子力学中的叠加原理和量子纠缠等性质进行数据计算的计算机，在密码学、科学模拟、大数据处理等领域具有传统计算机无法比拟的优势。当前，量子计算机的研究正处于从实验室阶段向工程技术阶段迈进的关键时期，世界各国的研究机构和 IT 巨头都不断加大在该领域的布局，并取得一系列重大成果。虽然科学界普遍认为量子计算机距离成熟和大规模应用还有很长的路要走，但大都保持相对乐观的态度。量子计算机作为颠覆性技术，对未来科技、产业乃至政治格局都会产生重大影响。我国在该领域仍处于追赶者的地位，应持续追踪其研究进展和技术走向，抢占下一代信息技术产业的先机。
量子计算机研究进展显著
自上世纪 80 年代量子计算机概念被提出以来，科学家一直努力在理论和工程上实现它，欧美科学界和企业界不断加大投入并取得重大进展。一是研究机构与企业投入力度不断加大，如微软研究院于 2012年就成立了量子体系结构与计算研究组 ；谷歌公司与美国国家航空航天局（NASA）于 2013 年联合成立了量子人工智能实验室 ；IBM 于 2014 年宣布耗资 30 亿美元研发基于量子计算和神经计算的下一代芯片 ；英特尔公司于 2015 年投入巨资与荷兰代尔夫特理工大学合作研发基于硅量子点的量子计算机 ；洛克希德·马丁于 2015 年 5月与马里兰大学合作研发集成量子计算平台 ；欧盟于 2016 年 4 月宣布将于 2018 年启动总额 10 亿欧元的量子技术项目 ；澳大利亚政府于 2016 年 4 月宣布在澳大利亚量子计算与通信技术中心成立量子计算实验室，进一步集中对半导体硅基量子芯片等研究加大投入。二是各方取得一系列重大突破。如在量子芯片方面，加州大学圣塔芭芭拉分校实现了 9 量子比特的超导量子芯片，新南威尔士大学实现了 2 量子比特的硅基半导体量子芯片，牛津大学实现了 5量子比特的离子阱量子芯片 ；在量子计算机方面，谷歌于 2015 年推出声称比其他任何计算机快 1 亿倍的量子退火机 D-Wave， IBM 于 2016 年 5 月发布了 5 超导量子比特的量子计算机，谷歌和西班牙巴斯克大学于 2016 年 6 月公布了具有 9 超导量子比特的模拟量子计算机，马里兰大学与美国国家标准与技术研究院于 2016 年 8 月发布 5 量子比特的可编程量子计算机。
我国在量子计算的部分领域取得了国际一流的研究成果，但由于基础较为薄弱，与欧美等国仍存在一定差距。一是我国政府高度重视量子计算研究，并取得较大成果。我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年）》中将“量子调控研究”列为四个重大科学研究计划之一，给予稳定的研究支持，一系列创新性研究成果相继产生。如中国科技大学郭光灿院士在半导体量子芯片方面实现了 2 量子比特逻辑门，在比特数量、操作速度和相干时间等方面达到国际先进水平 ；潘建伟院士利用光晶格技术制备并测控了约 600 对呈现纠缠状态的超冷原子比特，在国际上尚属首次。二是我国量子计算机研究基础薄弱，投入相对不足。实用化量子计算机的研制是一个系统工程，既要以量子物理为基础进行量子计算模型的原理性创新，又要进行材料体系，结构工艺，系统构架和软件控制等工程技术创新和积累。我国在现代工艺技术上的基础薄弱，核心电子器件、高端通用芯片、基础软件、极大规模集成电路制造装备等长期落后，也导致我国量子计算的研究大都局限于原理验证性和演示性层面，缺乏系统深入的实验平台和以实用化量子计算机为目标的研究队伍。同时我国也缺乏开展相关研究的商业企业，目前仅有阿里巴巴与中科院于 2015 开展了量子计算方面的合作，这也导致我国在量子计算机商业应用方面较为落后。
虽然研究取得较大进展，但量子计算机在理论研究和物理实现均面临诸多难题，距离可用仍有很长的路要走。一方面，在理论层面，量子计算机需要特定的量子算法才能发挥强大的性能，但并不是所有的计算都可以用量子算法加速，类似 Shor 算法（用于大数质因子分解）和 Grover 算法（用于无序数据库搜索）等完全超越传统算法的仍是较少。量子计算机最初可能在部分应用领域具有强大能力，通用量子计算机仍需要进一步研究，如谷歌近期在 Nature 上的文章就鼓励研究量子算法 ；另一方面，在物理实现层面，科学家普遍认为，可用的量子计算机至少要具有几十个以上的量子比特、比特逻辑门的保真度达到 99%，以及操作速度和退相干时间在合理范围，但国际最先进的水平都未达到这一要求。与此同时，量子比特非常脆弱，外界任何微弱的环境变化都可能对其造成破坏性影响，量子计算机的核心部件通常处于比太空更加寒冷的密封极低温环境中，防止受到其他环境因素的干扰，目前量子比特的制备方式主要集中在超导量子比特、半导体量子点、囚禁离子、钻石空位和拓扑量子比特等。
量子计算机可能产生的影响
量子计算技术是一种颠覆性技术，关系到一个国家未来发展的基础计算能力，能够使掌握这种能力的国家迅速建立起全方位战略优势，引领量子信息时代的国际发展。一方面，规模化通用量子计算机的诞生将极大地满足现代信息的需求，对经济政治格局产生影响。量子计算机技术是与工业革命中的蒸汽机和信息时代的计算机相提并论的颠覆性技术，其不仅能克服现代半导体工艺因为尺寸减小而引起的热耗效应，还能利用量子效应实现功能强大的并行计算。通用量子计算机的实现，将极大地提高计算速度和信息处理能力，在海量信息处理、重大科学问题研究等方面产生巨大影响，进而对国际格局产生影响。另一方面，通用量子计算机难以在短期内研制成功，按照科学界估计还需要30 年到 50 年。量子计算机的现有成果仅显示量子计算机在某些领域远胜传统计算机，但在其他领域仍未得到验证，是否能够各方面性能都远超传统计算机仍不确定。同时如前面所述，量子计算机在物理实现方面仍存在诸多困难。
量子计算机将突破现代计算机的限制，打破现有 IT 产业格局，构建新的产业体系。一方面，将围绕量子计算机为核心形成新的产业体系。作为现代计算机的颠覆者，未来量子计算机会像经典计算机一样形成庞大的技术产业链，为信息和材料等科学技术的发展开辟广阔的空间，带动包括材料、信息、技术、能源等一大批产业的飞跃式发展。量子计算机强大的并行计算和模拟能力，也将为密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案，进而形成新的产业体系。另一方面，为 IT 产业各参与方提供了“弯道超车”的机会。现代计算机兴起过程中，欧美国家抓住了机会，成为技术和产业的主导者，并长期牢牢把握着产业发展的主导权，但在量子计算时代，这一体系将发生变化，如果我国抓住机会，将在未来几十年乃至上百年的时间里掌握产业发展的主导权，从根本上实现信息领域核心技术的“弯道超车”。
基于现有研发情况，量子计算机将首先在密码、人工智能等专用领域出现，并产生颠覆性影响。一方面，科学界估计专用量子计算机将在十年内走向实用。量子计算机需要特定的量子算法才能发挥强大的性能，目前已经有 Shor 算法和 Grover算法等效果比较明显的量子算法，一旦在硬件实现方面有所突破，很快就可以实现专用量子计算机。如谷歌量子人工智能实验室推出的 D-wave 设备主要支持量子退火算法，主要想利用该算法在人工智能方面的优势。另一方面，专用量子计算机将在部分领域产生颠覆性影响，非对称密码体系首当其冲，这将对网络安全产生重大影响。非对称密码基于大数的因子分解这一数学难题，但量子计算机可以实现任意大整数的快速分解，破解 1024 位密钥的非对称加密只需要几秒钟。滑铁卢大学量子计算研究所共同创立人米歇尔·莫斯卡在2016 年 9 月的一份报告中警告道 ：由于量子计算的出现，我们今天所用的公钥密码工具，有 1/7 的可能性到 2026 年就会崩溃， 2031 年这一可能性将会骤然跃升至 50%。
对策建议
一是持续跟踪量子计算机的研究，量子计算是下一代计算体系的重要方向之一，是我们从根本上解决核心技术受制于人问题的一种终极解决路径，如果能够抢占先机则能在下一代计算体系发展之初占据先发优势。二是推动建立量子计算机协同研发机制，实现物理、材料、信息和计算机科学等多学科的紧密协调和结合，从而实现从大规模器件的制备向微电子工程方面迈进。三是建立科学的未来技术方向评估体系，对量子计算机等前瞻性发展方向进行定期评估，从而防止量子计算研究过度投入。量子计算的未来仍未明晰，也不是下一代计算体系的唯一方向，不宜作孤注一掷式投入。
一是推动建立政产学研联合的研发体系，鼓励各大公司与研究机构合作研制量子计算机，形成集科研机构、公司、政府部门等于一体的研发模式。二是推动量子计算机商业化应用，鼓励大型商业公司参与量子算法、量子芯片等研究工作，并与大数据、云计算等现有应用结合，实现应用驱动型研究。三是鼓励集成电路行业参与量子计算机研发，为量子计算时代的到来打下基础，做好转型预案。
一是加大抗量子密码研究，针对专用量子计算机的研发进展，组织密码研究相关机构开展研究工作，针对量子计算难以求解的问题设计和改造密码算法，形成抗量子计算密码的方案 ；二是组织电子认证服务业等依赖非对称密码算法的行业制定应急预案，研究修订电子签名法及相关政策法规，引导电子认证服务行业转型升级，引入新型抗量子密码算法及其他认证技术，确保相关行业正常过渡到量子计算时代。
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