科技巨頭角逐“量子霸權(quán)”，量子通信概念脈動(dòng)

世界第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子”號(hào)，于2017年7月打破了量子隱形傳態(tài)的紀(jì)錄。這次成功，將中國(guó)帶到遠(yuǎn)距離超安全量子通信技術(shù)的前沿。也是在這一年，世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通。

從美國(guó)到歐洲、從頂尖科研機(jī)構(gòu)到科技企業(yè)巨頭，圍繞量子技術(shù)的攻關(guān)已全面展開，量子革命引發(fā)的新一輪科技競(jìng)賽如火如荼。

競(jìng)賽

近日，阿里云量子實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家、之江實(shí)驗(yàn)室副主任施堯耘對(duì)2018年實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”表示樂(lè)觀，同時(shí)預(yù)測(cè)幾大世界級(jí)科技公司將出現(xiàn)量子霸權(quán)混戰(zhàn)，上演量子計(jì)算年度大戲。

所謂“量子霸權(quán)”（quantum supremacy），是加州理工學(xué)院物理學(xué)家 John Preskill 發(fā)明的新詞。通俗的解讀是：超級(jí)計(jì)算機(jī)目前的計(jì)算能力相當(dāng)于擁有 5 到 20 個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)，但當(dāng)量子芯片的量子位達(dá)到約 49 個(gè)以上時(shí)，量子計(jì)算機(jī)的能力會(huì)徹底地將超級(jí)計(jì)算機(jī)甩在身后。

量子計(jì)算的領(lǐng)先者——Google在2017年4月份宣布推出49量子位處理器。Google首席科學(xué)家John Martinis曾公開表示：為率先登頂“量子霸權(quán)”，他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)正在利用49量子比特模擬系統(tǒng)攻克經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解出的難題。

而半年后，美國(guó)IBM公司卻搶先一步宣布成功研制20量子位的處理器，推出50量子比特的所謂“量子計(jì)算原型機(jī)”，有望在2021年前推出首個(gè)在金融領(lǐng)域的量子計(jì)算應(yīng)用。這無(wú)疑是對(duì)Google的“量子霸權(quán)”算法提出挑戰(zhàn)。另一方面，IBM至今未公布“量子計(jì)算原型機(jī)”的詳細(xì)性能和測(cè)試結(jié)果。

隨后微軟也推出了其通用量子計(jì)算研發(fā)計(jì)劃以及全棧開發(fā)和模擬器，雖然還未公開展示硬件設(shè)備。IonQ、Quantum Circuits等企業(yè)和日本理化研究所（RIKEN）也進(jìn)行著投資硬件開發(fā)，不過(guò)它們尚未宣布研發(fā)成果。

初創(chuàng)企業(yè)D-Wave和日本NTT雖然都實(shí)現(xiàn)了2048個(gè)物理量子比特，但兩個(gè)系統(tǒng)都沒(méi)有完成通用量子計(jì)算的全部能力，僅僅適用于解決優(yōu)化問(wèn)題、分子動(dòng)力學(xué)、深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練和推理等。

去年科技巨頭爭(zhēng)相宣布實(shí)現(xiàn)量子比特?cái)?shù)量的突破，而更進(jìn)一步的是要看量子糾纏操縱精度、相干特性、邏輯門保真度等指標(biāo)，這才是主要的難點(diǎn)。由此可以預(yù)見2018年有關(guān)量子計(jì)算的競(jìng)爭(zhēng)將持續(xù)升級(jí)。

英特爾公司副總裁兼英特爾研究院院長(zhǎng)Michael Mayberry此前接受第一財(cái)經(jīng)記者書面采訪時(shí)表示，量子計(jì)算就是并行計(jì)算的終極目標(biāo)，目前量子計(jì)算仍處于初期階段，距離解決工程規(guī)模的問(wèn)題可能還需要5~7年。而從商業(yè)角度看，量子計(jì)算可能需要100萬(wàn)甚至更多的量子位才能有實(shí)用價(jià)值。

落地

在世界級(jí)科技企業(yè)日益升級(jí)的較量之外，政府在量子信息科學(xué)的前沿基礎(chǔ)研究和高技術(shù)發(fā)展中起到重要的引領(lǐng)作用，各國(guó)圍繞著量子技術(shù)的攻關(guān)已全面展開。

歐盟在論證和決策量子重大計(jì)劃方面進(jìn)行了部署。2015年發(fā)布的《量子宣言》，以10億歐元打造量子科技旗艦項(xiàng)目，已于近期啟動(dòng)。

而美國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域動(dòng)作更為迅速：在理論方面推進(jìn)量子信息科技學(xué)科建設(shè)，在應(yīng)用技術(shù)方面研發(fā)高性能計(jì)算系統(tǒng)。目前，這兩項(xiàng)工作都被提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，政府投資每年達(dá)到3.5億美元。

2017年“中國(guó)隊(duì)”在量子通信領(lǐng)域迅速走向前沿：世界首顆量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星完成目標(biāo)；世界首條量子保密通信“京滬干線”開通；世界首次洲際量子通信。除此之外，雖然起步晚于歐美，中國(guó)科研機(jī)構(gòu)和科技巨頭目前正協(xié)同攻關(guān)，目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算領(lǐng)域的“彎道超車”。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)去年5月，完成參與研發(fā)的世界上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏。據(jù)悉，中國(guó)正建造一座投資 100 億美元的量子計(jì)算應(yīng)用研究中心。量子信息國(guó)家實(shí)驗(yàn)室一期計(jì)劃總投資約70億元，預(yù)計(jì)將在2020年籌建完成；近期“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目也已報(bào)國(guó)家有關(guān)部門，還在等待決策。

去年年底，日本國(guó)立情報(bào)學(xué)研究所、電信巨頭NTT公司以及東京大學(xué)攜手研制該國(guó)首臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī)，使日本躋身國(guó)際量子競(jìng)賽活動(dòng)行列。日本首次明確表示在未來(lái)的 10 年里在量子計(jì)算領(lǐng)域投資3.61億美元，緊跟中美加入量子科技競(jìng)賽。

雖然對(duì)于國(guó)家科研機(jī)構(gòu)和商業(yè)巨頭而言，“量子霸權(quán)”仍堪稱標(biāo)桿性意義。但是施堯耘指出 “量子霸權(quán)”可能會(huì)誤導(dǎo)一些科學(xué)家，這不應(yīng)是最終目標(biāo)，真正的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是量子計(jì)算能否解決實(shí)際問(wèn)題。

現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)化前景的確正在逐漸明朗。量子技術(shù)泰斗級(jí)人物、日內(nèi)瓦大學(xué)量子科學(xué)家Nicolas Gisin教授曾對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示：量子算法的程序非常難寫，企業(yè)需要時(shí)間來(lái)定制新的算法。對(duì)于這種顛覆性技術(shù)敞開大門的永遠(yuǎn)是信息密集的高度數(shù)字化的市場(chǎng)，而最先使用量子技術(shù)的也是對(duì)變量極度敏感的行業(yè)，比如金融服務(wù)業(yè)、健康醫(yī)療業(yè)、物流業(yè)和數(shù)據(jù)分析機(jī)構(gòu)。

2018年“量子霸權(quán)”升級(jí)，但量子計(jì)算的實(shí)用化、商業(yè)化卻是剛剛開始，量子計(jì)算機(jī)在真正商業(yè)化從而改變?nèi)藗內(nèi)粘Ｉ钪斑€有很長(zhǎng)的路要走。隨著量子計(jì)算研發(fā)的投入增加，如果沒(méi)有長(zhǎng)期可持續(xù)的研發(fā)和商業(yè)化戰(zhàn)略，任何一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的短期量子優(yōu)勢(shì)都將不復(fù)存在。