量子計算機群雄逐鹿 鹿死誰手未可知

“量子計算機何時能夠被研發(fā)出來？”

十幾年前，中國科學(xué)院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦向國外同行拋出這個問題時，得到的答案是：“也許明天早上，也許要等上50年，也有可能我們這輩子永遠都看不到?！?/p>

而如今，這個問題的答案已經(jīng)不那么不確定了。比爾·蓋茨認為，10年內(nèi)量子計算機可望用于云計算；歐洲科學(xué)家起草的《量子宣言》則預(yù)計，通用型的量子計算機可能會在2035年之前建造出來。

“量子計算機已經(jīng)從開始大家懷疑的‘能不能做出來’到了‘早晚能做出來’的階段。而且快則10年、15年就會實現(xiàn)。因此，量子計算機研制已經(jīng)到了一個關(guān)鍵時期?！惫鉅N在近期舉行的中國科學(xué)院學(xué)部“科學(xué)與技術(shù)前沿”論壇上如是說。

大有可為

全球正在掀起一場“量子技術(shù)熱”。而一個主流共識是，量子計算和量子計算機是量子信息技術(shù)領(lǐng)域最重要的方向。中國科學(xué)院院士、中科院國家數(shù)學(xué)與交叉科學(xué)中心主任郭雷在上述論壇的致辭中強調(diào)了量子計算機的戰(zhàn)略地位：“量子計算機的研制已經(jīng)列入世界高新技術(shù)的戰(zhàn)略制高點，成為科技強國崛起的重中之重。量子計算機必將掀起一場劃時代革命，一旦人類掌握這種運算工具，人類文明將會發(fā)展到一個嶄新時代?！?/p>

這不是溢美之詞。郭光燦強調(diào)“不必過分夸大量子計算機‘什么都能做’”，通用量子計算機本身就是一個非常強大的新型運算工具，研制出來后人們可以看到它會有很多不同的應(yīng)用——正如研發(fā)出電子計算機的時候，“當時人們也不知道它有多少用處”。

“目前量子計算真正有代表性的算法或應(yīng)用，就是shor算法，可用于密碼破譯，也就是破解RSA的密鑰體系；第二是Grove量子搜索算法，用于大數(shù)據(jù)處理和云處理；最近討論比較多的是，用于多種物理化學(xué)和生物機制的模擬，如模擬光合作用?！敝锌圃毫孔有畔⒅攸c實驗室半導(dǎo)體量子點量子芯片研究方向帶頭人郭國平在簡述量子計算的應(yīng)用時認為，未來量子計算機大有可為。

群雄逐鹿

放眼全球，美國政府、公司在量子計算機研制方面有著最為完整的布局。

2014年，IBM宣布耗資30億美元研發(fā)下一代芯片，主要是量子計算和神經(jīng)計算。今年的5月4日，IBM發(fā)布了5個量子比特的量子計算云服務(wù)。

與IBM幾乎同步，2014年，谷歌宣布來自加州大學(xué)圣巴拉拉分校的知名物理學(xué)家約翰·馬提尼斯研究組加入谷歌研發(fā)量子計算處理器，并于今年9月提出“quantum supremacy”量子機研制計劃。

美國另一科技巨頭——微軟也不甘落后，該公司負責(zé)研發(fā)的副總裁Peter Lee聲稱，微軟在研究方面最大的投資便是量子計算。

上述幾家巨頭的背后，均有美國政府的影子。今年7月22日，美國總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)辦公室發(fā)布量子信息文件稱：“預(yù)計幾十個量子比特、可供早期量子計算機科學(xué)研究的系統(tǒng)可望在5年內(nèi)實現(xiàn)?！?/p>

歐洲在量子技術(shù)領(lǐng)域也有重大布局。在今年5月17日于荷蘭阿姆斯特丹舉辦的歐洲量子會議上，歐盟委員會發(fā)布《量子宣言》，宣布將支持一項十億歐元的量子技術(shù)旗艦計劃?！读孔有浴穼α孔佑嬎銠C的研制做出了詳細部署，他們計劃5年內(nèi)發(fā)展處量子計算機新算法；5~10年“用大于100物理量子比特的、有特定用途量子計算機解決化學(xué)和材料科學(xué)難題”，并使研制出的通用量子計算機“超過傳統(tǒng)計算機的計算能力”。

澳大利亞近年來專注于硅基、磷摻雜的量子計算方案，并于今年年初成立了硅基半導(dǎo)體量子計算國家實驗室，給郭國平留下了深刻印象?！八麄?5年來一直集中力量做這件事情，為取道半導(dǎo)體方案研制量子計算機奠定了基礎(chǔ)”。

俄羅斯也在加緊研究的步伐。據(jù)《消息報》報道，俄國家研究型工藝技術(shù)大學(xué)與俄羅斯量子中心正在啟動大型量子技術(shù)中心。報道稱，該中心將進行量子通信和量子電子學(xué)研究，還計劃為量子技術(shù)領(lǐng)域的青年人才制定并實施教學(xué)項目。

差距到底有多大

中國不似美歐等國早早認識和研究了量子技術(shù)，在量子計算機方面的研究剛剛起步。

科技部2011年啟動的“十二五”導(dǎo)向性重大項目（超級“973”），要求在2015年實現(xiàn)比特數(shù)3 的量子芯片。郭國平介紹說，目前這一目標已實現(xiàn)，而于今年啟動的“十三五”重點研發(fā)計劃“半導(dǎo)體量子芯片研究”，要求2020年前獲得品質(zhì)因子1000、比特數(shù)6的量子芯片。

“這一目標距離可用的量子計算機還有很大的距離，但是我們必須一步一步來?！惫鶉秸f。

量子比特數(shù)雖說不是衡量量子計算硬件技術(shù)的絕對指標，但在通用量子計算機成功研制出來之前，這一指標的確有區(qū)分水平高低的價值。在谷歌公司上述“quantum supremacy”計劃中，該領(lǐng)域科學(xué)家普遍預(yù)期其將在明年或后年的“量子計算機”上達到40~50 量子比特。

不過，即便達到這一水平，它距離真正的通用量子計算機仍有巨大差距。

在郭光燦看來，一臺可實用的標準量子計算機，除了容錯閾值和品質(zhì)因數(shù)（Q值）要達到相應(yīng)要求（現(xiàn)在還遠未達到最低要求）外，邏輯比特數(shù)需要達到約200個，而如果按照至少需要5個物理比特編碼一個邏輯比特計算的話，量子比特數(shù)至少要達到1000個。

而這還僅僅是看得見、容易覺察的差距。清華大學(xué)計算機系教授、長江學(xué)者應(yīng)明生指出，中國在量子計算機研制的“兩條腿”（硬件和軟件）中缺少一條——量子軟件，這將使得中國在量子計算的國際競爭中長期處于被動狀態(tài)。

瘸腿才知路長。應(yīng)明生說，美國之所以進展迅速，就在于其在量子計算機硬件、軟件乃至應(yīng)用方面都有明確的布局和集中攻堅的力量。“硬件是計算機的根本，但軟件是計算科學(xué)的靈魂。量子計算機要做的話，軟件也要跟上”。

“我們跟美國相比確實差距太大，這個差距，第一個研究水平有差距，這個可以看得出來，第二個是研究隊伍和力量有差距。這些其實也有明顯的差距，這就是我們的現(xiàn)狀?！惫鉅N說，美國政企在量子計算機領(lǐng)域的完善布局已經(jīng)上升到國家行為的層面，這或是中國應(yīng)該借鑒的。

鹿死誰手未可知

盡管差距巨大，但郭光燦看到，國內(nèi)量子計算領(lǐng)域的發(fā)展“勢頭非常好”。

“我認為國內(nèi)勢頭發(fā)展得非常好，尤其是超導(dǎo)路線，原來是一個量子比特也沒有，現(xiàn)在已經(jīng)做到了5個、9個，而且是好幾家在做，原材料也從依賴國外進口轉(zhuǎn)變?yōu)橛芍锌圃何锢硭峁?，而且材料性能也在改善?！惫鉅N說，盡管各國水平不一，但目前通用量子計算機還沒有哪個國家真正研制出來，“鹿死誰手還未可知，我們還有機會”。

要抓住這個機會，郭光燦認為，中國需要從兩方面“大練內(nèi)功”。一方面，國家要加強在量子計算機研制方面的布局，將其上升到國家戰(zhàn)略層面，把方方面面的力量組織起來，支持量子計算機的研制。“比如要解決做硬件研發(fā)人才的考核問題”。

“另一方面，我國要做好量子計算領(lǐng)域年輕人才培養(yǎng)。年輕一代非常重要，我們不光要著眼于現(xiàn)在的研究，還要放眼未來，而人才就是未來?！惫鉅N說，“就算感興趣的年輕人最后沒有從事相關(guān)的研制工作，也可以培養(yǎng)成能夠用量子計算機的人?！彼硎?，下一步他將考慮以一種合適的方式培養(yǎng)青年隊伍。

應(yīng)明生在人才培養(yǎng)的問題上與郭光燦不謀而合?！傲孔榆浖嬎憧茖W(xué)其他領(lǐng)域不太一樣，短期內(nèi)難以發(fā)展起來，需要一個長期的、合作的過程?！睉?yīng)明生說，“量子物理和計算科學(xué)等學(xué)科應(yīng)該聯(lián)合起來，培養(yǎng)一批人。就算我們沒有贏得最后的突破，在量子信息技術(shù)成為技術(shù)潮流的時候，我們也不會太被動?！?/p>