我國正式具備量子計(jì)算機(jī)整機(jī)交付能力

近日，安徽省量子計(jì)算工程研究中心表示，中心聯(lián)合組建方之一的合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公司目前已經(jīng)研發(fā)出多臺中國量子計(jì)算機(jī)，并成功交付一臺量子計(jì)算機(jī)給用戶使用。這就意味著我國已經(jīng)成為世界上第三個(gè)具備量子計(jì)算機(jī)整機(jī)交付能力的國家，也是我國繼實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”之后，又一次確立了在國際量子計(jì)算研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

目前，安徽省量子計(jì)算工程研究中心的工作進(jìn)展非?？臁Ｒ?，這個(gè)研究中心去年2月才正式獲批，由本源量子與和中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合組建，研究重心是以量子計(jì)算為研發(fā)方向，致力于推進(jìn)中國量子計(jì)算機(jī)的工程化和產(chǎn)業(yè)化。目前，第一臺可交付的國產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)在客戶方發(fā)光發(fā)熱。

量子計(jì)算的魅力

一直以來，我國都非常重視量子計(jì)算的發(fā)展。實(shí)際上，早在2017年，我國就已經(jīng)研發(fā)出了世界上第一臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組等協(xié)同研發(fā)，標(biāo)志著我國量子計(jì)算水平達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

為什么我國一直重視在量子計(jì)算領(lǐng)域的投入呢？量子計(jì)算到底有什么魅力？

從概念上來看，量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。量子計(jì)算和傳統(tǒng)計(jì)算有一點(diǎn)相似的地方，那就是計(jì)算還是0和1來表達(dá)。不過，在量子計(jì)算中，一個(gè)量子比特可以處于0和1的疊加態(tài)，也就是說一個(gè)量子比特可以同時(shí)代表0和1。那么只需要對量子比特進(jìn)行一次操作就相當(dāng)于對0和1同時(shí)執(zhí)行了操作。并且，在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，2位寄存器同一時(shí)間僅能夠儲(chǔ)存4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個(gè)，而一個(gè)2位的量子位寄存器可同時(shí)存儲(chǔ)這四種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。

疊加態(tài)讓量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)了真正的并行計(jì)算。舉一個(gè)例子，量子計(jì)算可以同時(shí)處理10比特的數(shù)據(jù)，也就是一下子計(jì)算完2的10次方個(gè)數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)計(jì)算中，只能一個(gè)一個(gè)去計(jì)算。具備這樣的優(yōu)勢，那么一個(gè)1GHz的64位量子芯片的計(jì)算能力就可以達(dá)到“太湖之光”超級計(jì)算機(jī)的1500億倍。

量子計(jì)算不僅能夠大幅提升計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度，同時(shí)也推動(dòng)著算法的革新。目前，經(jīng)典計(jì)算機(jī)基本都是依靠RSA加密技術(shù)進(jìn)行加密，而量子計(jì)算中的Shor因子分解算法能夠迅速找到質(zhì)數(shù)因子，進(jìn)而破解密鑰，使得RSA加密技術(shù)不堪一擊。量子計(jì)算將遵循全新的數(shù)據(jù)檢索方式，也就是Grover算法，該算法通過量子計(jì)算的并行能力，同時(shí)給整個(gè)數(shù)據(jù)庫做變換，可用最快的步驟顯示出需要的數(shù)據(jù)。

對于當(dāng)前快速發(fā)展的人工智能產(chǎn)業(yè)而言，量子計(jì)算有望顛覆目前人工智能技術(shù)的底層計(jì)算架構(gòu)，使得大數(shù)據(jù)運(yùn)算不再是以特定算法中的特定方式來運(yùn)算，而是具有隨機(jī)性，有望打造出真正通用的人工智能模型，進(jìn)入強(qiáng)人工智能時(shí)代。 因此，如果量子計(jì)算全面普及，那么傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)將徹底消失，進(jìn)入“量子霸權(quán)”時(shí)代。量子霸權(quán)并不是一個(gè)政治詞匯，并不是說誰實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算就成為了時(shí)代的霸主。實(shí)際上，量子霸權(quán)在國內(nèi)就叫上面提到的量子優(yōu)越性，指的量子計(jì)算機(jī)在某一項(xiàng)具體任務(wù)上真正打敗了傳統(tǒng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。2020年12月，中國第一次實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)。

而在2019年，量子計(jì)算機(jī)原型“懸鈴木”曾用3分鐘完成超算需要計(jì)算1萬年的計(jì)算量，此次量子霸權(quán)的實(shí)現(xiàn)，讓“懸鈴木”一戰(zhàn)成名。 實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)之后，量子計(jì)算的下一個(gè)階段目標(biāo)是在一些具體任務(wù)中部署量子計(jì)算機(jī)，隨著本源量子計(jì)算機(jī)的交付，中國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一步。目前，量子計(jì)算應(yīng)用探索主要集中在量子模擬、組合優(yōu)化和線性代數(shù)求解等領(lǐng)域。其中，量子模擬能夠幫助化學(xué)、材料、醫(yī)藥等領(lǐng)域找到更接近自然的狀態(tài)；量子組合優(yōu)化則能夠幫助量化金融、交通規(guī)劃、氣象預(yù)測等領(lǐng)域做更好的數(shù)據(jù)分析；量子線性代數(shù)求解能夠幫助人工智能、密碼學(xué)等領(lǐng)域提升計(jì)算效率。

全球主要國家的量子競賽

由于量子計(jì)算的巨大潛力和前景，得到了目前全球主要國家和地區(qū)的積極投入。

從時(shí)間上看，早在2019年美國科技公司就已經(jīng)開始基于量子計(jì)算機(jī)原型為客戶提供服務(wù)。其中，上文提到的量子計(jì)算機(jī)原型“懸鈴木”由谷歌于2019年9月研制成功，10月份谷歌在《Nature》發(fā)表了一篇名為《使用可編程超導(dǎo)處理器的量子霸權(quán)》論文，向全球揭露了這款計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)；2019年11月，微軟基于霍尼韋爾和兩家初創(chuàng)公司的硬件在Azure Quantum云計(jì)算服務(wù)中推出了量子計(jì)算服務(wù)；2019年12月，亞馬遜發(fā)布了其量子計(jì)算機(jī)服務(wù)Braket預(yù)覽版。

在量子計(jì)算方面，歐洲同樣不甘落后。歐洲高性能計(jì)算聯(lián)合企業(yè)在2022年10月宣布，將選擇捷克、德國、西班牙、法國、意大利、波蘭六個(gè)成員國來部署史上第一個(gè)歐洲量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，并將于2023年正式投入使用。不過，根據(jù)BCG的分析報(bào)告，歐洲在量子計(jì)算方面缺乏計(jì)算硬件基礎(chǔ)，德國量子研究的計(jì)算機(jī)采購自IBM。而歐洲知名量子初創(chuàng)企業(yè)IQM推出的量子計(jì)算機(jī)目前只有5個(gè)量子位，到2024年會(huì)擴(kuò)容到50量子比特。

在我國，量子計(jì)算是中國科學(xué)院重要的研究課題，中國科學(xué)院院士潘建偉團(tuán)隊(duì)以及郭光燦院士團(tuán)隊(duì)是此中代表。其中，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是能夠在未來5年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，在此基礎(chǔ)上，通過10-15年的努力，構(gòu)建通用的量子計(jì)算機(jī)。此外，中科院也接連發(fā)布多款量子計(jì)算軟件，以軟硬件結(jié)合的方式部署量子計(jì)算。目前，國內(nèi)已經(jīng)擁有“九章二號”量子計(jì)算機(jī)，以及基于本源量子“悟空”芯片打造的可交付量子計(jì)算機(jī)等全球領(lǐng)先硬件。

在量子計(jì)算方面，日本也有很大的雄心。2022年4月份，日本宣布了一項(xiàng)戰(zhàn)略計(jì)劃，計(jì)劃在2023年3月底之前將其第一臺國產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)投入使用，預(yù)計(jì)到2030年將會(huì)有1000萬人使用該技術(shù)。同時(shí)，日本還擁有豐田汽車、日立和 NTT 等數(shù)十家日本企業(yè)組成的量子戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)盟：Q-STAR。

實(shí)際上，全球第一臺商用的量子計(jì)算機(jī)來自加拿大，命名為“D-Wave One”。在量子計(jì)算的基礎(chǔ)研究上，加拿大也處于第一梯隊(duì)，郭光燦院士便曾在加拿大學(xué)習(xí)量子計(jì)算相關(guān)理論。不過，在后續(xù)的產(chǎn)業(yè)投資和政策支持方面，加拿大表現(xiàn)的并不突出。

后記

當(dāng)前，在量子計(jì)算研究學(xué)者的圈子里，將擁有量子計(jì)算、量子通信、量子精密測量技術(shù)的世界稱之為量子世界，現(xiàn)在的世界便稱為經(jīng)典世界。這種說法無疑也證明了，量子計(jì)算對于現(xiàn)階段的計(jì)算機(jī)科學(xué)是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)，將會(huì)開啟全新的運(yùn)算篇章。

雖然量子霸權(quán)的本意并不是要讓擁有量子計(jì)算的國家和地區(qū)稱霸世界，但是領(lǐng)跑量子計(jì)算 研究，無疑是在下一個(gè)科技時(shí)代占得了先機(jī)，因此國內(nèi)第一臺商用量子計(jì)算機(jī)的交付意義重大。

審核編輯 ：李倩