全球战略计算的算力重新分配（下）全球量子竞赛
2021年10月20日，法国国际关系研究所（IFRI）发布报告《战略计算：高性能计算以及量子计算在欧洲寻求技术力量中的作用》（Strategic Calculation: High-Performance Computing and Quantum Computing in Europe’s Quest for Technological Power）。报告中针对高性能计算与量子计算展开，全面分析了两种计算方式的发展趋势与全球技术分布，并强调一些技术突破对未来国家安全的影响。
本文为下篇，聚焦量子能力的全球发展状况，包括中美角逐与欧洲量子生态系统建立。其中，除了美国高科技公司技术进展外，欧洲尤其是法国初创公司发展势头也值得关注与研究。
高性能计算的全球发展现状，对国家安全的重要作用
编译：学术plus观察员 居士
1.美国：国家量子协调办公室，多个大型科技公司技术领先，已推出商用量子计算机
2.中国：投入大，世界上第一颗量子通信卫星，光子计算，超导量子比特
3.英国：国家量子计算中心将于2023年开放，牛津量子电路公司“量子计算即服务”
4.德国：强调数字主权，专注研发量子技术的用途，而非支持公司
5.法国：掌握决定性量子技术，量子初创企业蓬勃发展，正开发基于激光操纵原子的量子计算机，目标创建“无错误”的量子计算机，计划2026年实现云上部署，阿托斯公司已向欧美多个实验室交付其量子计算机模拟器
6.欧洲量子问题：需要加强国际合作，加大对初创企业的扶植
7.结论：国家数字安全，计算能力的全球分布正在变化，量子革命成为全球算力分配的关键
目前，就技术进步、政府战略和资金而言，量子计算领域最先进的国家是美国和中国，都已宣称掌握部分量子优势。此外，欧洲，特别是英国、德国、法国和荷兰，其进展也十分瞩目。
1.美国
2018年，美国总统特朗普发起国家量子倡议，提供12亿美元的公共资金资助，最初为期5年，直到2023年。此外，还在白宫内设立了国家量子协调办公室。 2020年8月，美国启动国家量子研究中心，确定了2.37亿美元被作为2021年预算的一部分。 2021年6月初，美国参议院投票通过《美国创新和竞争法案》(USICA)，提议在2022年至2026年期间拨款1500亿美元(1280亿欧元)用于关键技术和新兴技术(包括量子技术)的研究、创新和教育。
除了政府之外，大型科技公司也巨资投入量子科学研究。IBM、谷歌和英特尔等大型公司在量子研究方面处于领先地位。
IBM：提出了量子计算机的第一个原理，并引入了第一台双量子比特计算机。2016年，该公司已经成功模拟了一种分子结构，并以50个量子比特达到了量子霸权的理论门槛。
2017年，英特尔推出了一款49个量子比特的计算机，谷歌推出了一款72个量子比特的处理器。
2019年9月，谷歌声称已经用一台使用超导体的53量子比特量子计算机实现了量子霸权。成功地在三分钟多一点的时间内完成了一项计算，并声称这项计算若用传统的超级计算机，需要花一万年才能解决。IBM证实，在最强大的超级计算机上，这项计算需要2.5天。
自2016年以来，IBM提供了一个在线量子编程接口——IBM量子体验。这个平台提供了一个量子编程模拟器，可以访问22台IBM计算机。到目前为止，已有32.5万多名用户在该机器上注册，并根据在该机器上进行的工作发表了700多篇文章。
2.中国
中国寻求利用量子网络来确保最敏感通信的安全。在奥巴马计划进入该领域的同时，中国已将量子列为2030年前开发的主要科技优先事项的一部分。
官方数据显示，2013-2015年，中国在量子科学上的支出超过3.02亿美元。
2017年，北京宣布投资100亿美元建设一个新的量子计算研究中心。
虽然对中国在量子研究上实际支出的估计各不相同，但在量子通信和密码硬件以及软件的专利持有方面，中国处于领先地位。
2016年中国发射了世界上第一颗量子通信卫星。
2020年12月，中国科学技术大学(USTC)的研究人员宣称，使用光子系统在200秒内完成了一项计算，而这项计算原本需要一台超级计算机25亿年的时间。也就是说，计算速度比用经典超级计算机快100万亿倍。
2021年6月，中国基于超导量子比特再次展示了量子优势。
3.英国
3.1 政策指导
英国是欧洲在量子技术的重要参与者。政府通信总部(GCHQ)负责人在2021年4月建议，英国必须发展量子计算领域的“主权能力”，以应对亚洲大国的网络威胁。
2013年，英国启动了国家量子技术计划。政府计划在第一阶段(2014-2019年)投资4亿英镑(4.67亿欧元)，在第二阶段投资3.5亿英镑(4亿欧元)。
2021年3月《综合评论》(Integrated Review)提出英国脱欧后的外交、安全和国防政策，其中强调技术力量，并建议英国成为网络技术的领导者。
3.2 设立研究中心与政策战略职位
2021年6月，鲍里斯·约翰逊宣布，创建一个由首相担任主席的国家科学技术委员会，以及一个设在内阁办公室的新的科学技术战略办公室和一个新的国家技术顾问角色。国家量子计算中心正在建立，并将于2023年开放。
2020年9月，英国政府通过了一项1000万英镑的协议，与总部位于美国的Rigetti公司合作，建造英国第一台商用量子计算机。
2021年7月，总部位于英国的初创公司牛津量子电路公司(Oxford Quantum Circuits，OQC)宣布，该公司推出了该国首个完全使用其专有技术构建的商业“量子计算即服务”。2017年，该公司开发了一个9量子比特系统。
4.德国
4.1 持续加大投资力度
2020年6月，德国政府宣布开展刺激性投入，其中将在5年内投资20亿欧元用于量子技术研究。原先，政府只计划在2018-2022年期间投资6.5亿欧元。此外，巴伐利亚州最近也向“量子谷”投资了3亿欧元。
4.2 量子计算：技术与数字主权
2021年6月，德国总理安格拉·默克尔反思了这样一个事实，即量子计算可以在我们“技术获取和数字主权”的努力中发挥关键作用，因为德国和欧洲发现自己处于“非常激烈的竞争”下。默克尔希望促进德国量子技术的开发和生产，以形成新的产业支柱，兼顾硬件和软件方面。
4.3 专注开发量子技术的用途
在此之前，德国委托建造至少两台量子计算机。第一台机器于2021年6月在斯图加特附近的弗劳恩霍夫应用研究所亮相。这是一台IBM公司的量子系统一号计算机，是欧洲第一台此类计算机，于2021年6月安装在斯图加特附近。这将使德国研究人员能够更深入地研究未来的量子应用。选择IBM机器(以及云服务)主要是因为目前欧洲领先的量子公司很少，相比与支持量子硬件公司，德国更专注于开发量子技术的用途。
5.法国
5.1 法国《量子技术国家计划》
2021年2月，马克龙公布《量子技术国家计划》，旨在使法国成为仅次于美国和德国的世界第三大量子技术消费国。该计划预计在2021年至2025年期间，提供总计18亿欧元的公私投资(包括10亿欧元的公共资金)，用于教育和培训、研究、支持初创企业以及支持产业部署和创新。
根据该战略，法国的目标是掌握决定性的量子技术，包括量子加速器、模拟器和计算机、用于量子计算的商业软件、传感器和通信系统。大部分资金将用于量子计算，NISQ和LSQ的资金总额为7.84亿欧元。
这种国家战略必须基于已经有研究和工业的生态系统，而不是从零开始建立生态系统。
阿托斯公司（Atos，总部设在法国，欧洲一流的电子企业解决方案供应商和系统集成商）已经参与了未来量子计算机的量子模拟和测试算法。2017年已经将量子计算机模拟器商业化，并能够在内存中处理多达30个量子比特。该公司向美国能源部下属的橡树岭国家实验室、美国阿贡国家实验室、CEA和英国研究实验室哈特里中心交付了模拟器。
5.2 法国的量子初创企业蓬勃发展
除了大公司，近年来，法国的量子初创企业蓬勃发展。全球260家量子技术初创企业和中小企业，几乎10%在法国。
Pasqal量子硬件公司于2019年成立，正在开发一种基于激光操纵原子的量子计算机，旨在用于高性能计算中心。在巴黎萨克莱大学光学研究所的支持下，该公司已经建造了一台量子计算机，并且还收到了另外两台机器的订单，将于2023年初交付给法国的GENCI和位于尤里奇的德国研究中心，并正在开发其计算机的云功能。
另一家初创公司爱丽丝和鲍勃创建于2020年2月，从法国基金筹集了300万欧元。该公司开创性地发现了“猫量子比特”自校正量子比特，其目标是创建一台无错误的或“理想的”量子计算机。该公司计划到2026年在云上部署世界上第一台理想的量子处理器。
6.未决问题
欧洲量子的未决问题
6.1 合作项目：当科学成为战略技术
6.2 量子初创企业的资助与扶植
虽然它还没有达到人工智能等其他行业的规模和数量，但量子技术的初创企业正在全球范围内持续增长。据估计，全球有260多家量子技术初创公司和中小企业。许多初创公司仍处于应用研究阶段，有的仍处于基础研究阶段。如果欧洲想要留住人才，就需要私人部门的投资。目前，量子初创企业的投资热潮正落入美国风险投资基金和大型数字化公司的手中。
Quantonation是一家总部位于巴黎的投资基金，是世界上第一家专注于量子技术投资的基金，成立于2018年底，并于2019年为Pasqal提供资金。该公司在量子公司的早期阶段为其提供支持，但在后期阶段，其他投资基金必须接管并投资数亿欧元来帮助种子公司成长。对欧洲来说真正的挑战是不仅要确保公司不被外国资本接管，还要确保它们能够在欧洲发展壮大。
7.结论
（1）计算能力成为国家战略与数字安全的重要因素
高性能计算的民主化、传统计算能力的显著提升，以及颠覆性量子信息技术的出现，正在改变政府、研究人员和私营公司。私营公司正在寻找新的方法来利用数据分析的潜力，政府正在制定战略来获得相应的技术力量，并确保其数字系统的安全，而科学家则希望在医学和应对气候变化方面取得新的发现。技术进步也有望显著降低计算机的能耗，随着使用量的持续增长，这已经成为一个更大的问题。
（2）计算能力的全球分布正在发生变化。
尽管美国长期以来主导着传统计算领域，尤其是在IBM扮演的决定性角色方面，但就市场份额而言，中国的联想目前已成为全球第一家高性能计算公司。如今，美国和中国在量子计算竞赛中也不分上下，双方都进行了大量投资，并取得了令人印象深刻的技术成就。这些增加了硬件工具开发依赖和技术依赖的风险。
（3）量子革命将成为全球算力分配的关键
正在进行的量子革命正在培育大量的参与者，从研究实验室到初创企业和投资基金，这可能会进一步在全球范围内重新分配计算能力。当前技术成熟度较低，欧洲可在这一新兴领域初期占位，并在硬件和软件方面沿着量子计算的价值链发展能力。包括法国和德国在内的欧洲各国政府，以及欧盟机构，都朝着这个方向做出了巨大努力。与私人投资者一起，他们需要在这种新兴且极具颠覆性技术的整个生命周期中持续投入。
（全文完）
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