全球“量子霸权”争夺战观察

本文转载自瞭望（ID：OutlookWeekly1981）

作者：《瞭望》新闻周刊记者 徐海涛

来源：《瞭望》2018年第7-8期

◆ 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。

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