我國(guó)預(yù)計(jì)2020年實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”

日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)宣布，基于對(duì)半導(dǎo)體及超導(dǎo)量子比特的長(zhǎng)期研究，成功研制出一套精簡(jiǎn)、高效的量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。這套被命名為本源量子測(cè)控一體機(jī)的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子芯片的操控并發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。盡管到目前為止，全球第一臺(tái)能夠?qū)嵱玫牧孔佑?jì)算機(jī)離面世還很遠(yuǎn)，但作為當(dāng)前國(guó)際學(xué)界的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)是一大技術(shù)難點(diǎn)，不但成本昂貴，而且功能冗余、兼容性和集成度都較差。據(jù)郭光燦院士介紹，這套控制系統(tǒng)的基本功能是提供量子芯片運(yùn)行所需的關(guān)鍵信號(hào)，并負(fù)責(zé)量子芯片傳回信息的處理，執(zhí)行對(duì)量子計(jì)算機(jī)程序的編譯。它不僅能最大程度發(fā)揮量子芯片性能，還能應(yīng)用于精密測(cè)量等更廣泛的科研領(lǐng)域。

相較于量子計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)的重要性，目前更重要的目標(biāo)是率先實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。所謂“量子霸權(quán)”是指，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展到50個(gè)比特時(shí)，計(jì)算能力將超越全球最快的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)“稱(chēng)霸”。按照國(guó)家對(duì)量子信息科技在“十三五”期間的統(tǒng)籌安排和整體部署，科技創(chuàng)新2030“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目的必要性和可行性都已得到充分論證。中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院也初步統(tǒng)籌了全國(guó)高校、科研院所和企業(yè)的創(chuàng)新要素和優(yōu)勢(shì)資源，為量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。今年7月3日，我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了18個(gè)量子比特糾纏，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及其同事陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè)、汪喜林等通過(guò)調(diào)控6個(gè)光子的偏振、路徑和軌道角動(dòng)量3個(gè)自由度，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)18個(gè)光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。誰(shuí)先奪取“量子霸權(quán)”，誰(shuí)就掌握了技術(shù)制高點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)和輿論主導(dǎo)權(quán)，在產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位。在信息時(shí)代，量子計(jì)算技術(shù)一旦突破，掌握這種能力的國(guó)家，會(huì)在經(jīng)濟(jì)、軍事、科研、安全等領(lǐng)域迅速建立全方位優(yōu)勢(shì)。

中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院副研究員張文卓向第一財(cái)經(jīng)記者介紹道，量子計(jì)算機(jī)的研制目標(biāo)分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段就是“量子霸權(quán)”階段，目前美國(guó)在“量子霸權(quán)”的爭(zhēng)奪中暫時(shí)領(lǐng)先，我國(guó)預(yù)計(jì)在2020年左右實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的科學(xué)目標(biāo)，縮小與美國(guó)的差距;第二個(gè)階段是實(shí)用化量子模擬機(jī)階段，實(shí)現(xiàn)數(shù)百個(gè)量子比特相干操縱的專(zhuān)用型量子計(jì)算系統(tǒng)，應(yīng)用于具有實(shí)用價(jià)值的組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面，指導(dǎo)新材料設(shè)計(jì)、藥物開(kāi)發(fā)等;第三個(gè)階段是通用可編程的量子計(jì)算機(jī)階段，能夠相干操縱數(shù)億量子比特，實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用?！叭绻瓿扇齻€(gè)階段，意味著人類(lèi)實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)的夢(mèng)想，這將是人類(lèi)實(shí)現(xiàn)第二次信息革命，全面進(jìn)入量子信息時(shí)代的標(biāo)志。”張文卓對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示。

目前，全球都仍處于第一階段的競(jìng)逐中。在美國(guó)，從谷歌到IBM，在中國(guó)，從阿里巴巴到騰訊，世界頂尖的科技公司都在競(jìng)相建造出第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。2017年11月和2018年3月，IBM和谷歌分別宣稱(chēng)實(shí)現(xiàn)了50個(gè)和72個(gè)量子位的原型機(jī)。然而兩家公司都沒(méi)有宣布實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，也沒(méi)有公開(kāi)相關(guān)測(cè)試結(jié)果，這意味著在技術(shù)上離實(shí)際的“量子霸權(quán)”還有一定的距離。對(duì)此，張文卓向第一財(cái)經(jīng)記者解釋稱(chēng)：“這是因?yàn)榱孔有酒ㄟ^(guò)半導(dǎo)體工藝加工出來(lái)，量子位數(shù)目可以任意增加，但是僅有量子比特?cái)?shù)目的增加是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，更重要的是對(duì)多量子比特的相干控制的能力。如果一個(gè)芯片對(duì)多量子比特的相干控制能力沒(méi)有獲得好的測(cè)試結(jié)果，那么這個(gè)芯片就沒(méi)有科學(xué)或?qū)嵱脙r(jià)值?！彼€指出，目前經(jīng)過(guò)嚴(yán)格同行評(píng)議并正式在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊公開(kāi)發(fā)表的最高質(zhì)量測(cè)試結(jié)果是谷歌的9量子位超導(dǎo)芯片和我國(guó)的10量子位超導(dǎo)芯片。盡管在量子技術(shù)領(lǐng)域，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距并非難以彌合，不過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家擁有長(zhǎng)期形成的強(qiáng)大半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ)、人才資源儲(chǔ)備、精密儀器設(shè)備制造能力和高效的科技成果轉(zhuǎn)化鏈條，國(guó)際巨頭企業(yè)的介入也提供了強(qiáng)大的研發(fā)資金保障。而我國(guó)在量子計(jì)算研究相關(guān)的公共技術(shù)積累較少，特別是超導(dǎo)微納加工工藝方面，需要積蓄一段時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)超越式發(fā)展。量子研究事關(guān)國(guó)家安全美國(guó)也在積極保持其量子領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。去年10月，美國(guó)國(guó)會(huì)舉辦聽(tīng)證會(huì)，討論如何確?！懊绹?guó)在量子技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位”。IBM宣布將投入30億美元研發(fā)量子計(jì)算等下一代芯片，微軟公司也與多所大學(xué)共建量子實(shí)驗(yàn)室。近日，美國(guó)又重申了應(yīng)在量子領(lǐng)域持續(xù)加強(qiáng)投入。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)學(xué)院近日發(fā)布報(bào)告認(rèn)為，盡管能夠輕松破解當(dāng)前主流加密算法的量子計(jì)算機(jī)未來(lái)10年內(nèi)都不太可能出現(xiàn)，但美國(guó)若想在量子信息技術(shù)領(lǐng)域保持全球領(lǐng)先，還應(yīng)在該領(lǐng)域繼續(xù)投入。在這份名為《量子計(jì)算：進(jìn)展與前景》的報(bào)告指出，鑒于量子計(jì)算當(dāng)前的狀態(tài)和仍需應(yīng)對(duì)的巨大挑戰(zhàn)，未來(lái)10年內(nèi)“極不可能”出現(xiàn)能夠威脅“公鑰加密”的量子計(jì)算機(jī)，也很難預(yù)測(cè)何時(shí)會(huì)誕生實(shí)用型的量子計(jì)算機(jī)。不過(guò)，報(bào)告強(qiáng)調(diào)量子計(jì)算研究對(duì)國(guó)家安全影響顯著，全球很多國(guó)家重視發(fā)展量子信息科技，美國(guó)若想保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，就應(yīng)持續(xù)支持該領(lǐng)域發(fā)展。該報(bào)告有望推動(dòng)美國(guó)“國(guó)家量子計(jì)劃法案”的通過(guò)，該計(jì)劃旨在加速量子計(jì)算研發(fā)，目前正待國(guó)會(huì)批準(zhǔn)。量子設(shè)備可以破解用于保護(hù)數(shù)字信息的加密。正如一些科學(xué)家正在研究量子計(jì)算機(jī)一樣，另一些科學(xué)家在研究量子安全技術(shù)。這種技術(shù)可以阻止這些未來(lái)機(jī)器的密碼破譯的能力。

在瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的量子實(shí)驗(yàn)室里，第一財(cái)經(jīng)記者看到研究人員正在使用黃色的激光在量子中繼的實(shí)驗(yàn)。量子中繼能夠讓量子加密的距離得以延伸，雖然并不是量子加密的必要條件。目前量子加密只能在有限的距離內(nèi)工作。日內(nèi)瓦大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)最近還得出了一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)，能夠表明有1600萬(wàn)個(gè)原子被糾纏在了一立方厘米的水晶中。他們使用了一種新的研究方法，當(dāng)光子穿過(guò)晶體的時(shí)候，會(huì)使原子在被重新發(fā)射前陷入糾纏。通過(guò)分析其統(tǒng)計(jì)特征和重新發(fā)射光子的概率，之后就可以確定1600 萬(wàn)個(gè)糾纏原子的數(shù)量。這種研究方法對(duì)于即將到來(lái)的量子革命有著里程碑式的意義。

在大西洋彼岸的芝加哥，芝加哥大學(xué)可能是擁有全球最大的量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)的大學(xué)。該校的一個(gè)量子研究機(jī)構(gòu)同樣正在探索量子中繼器。芝加哥大學(xué)教授戴維·奧沙洛姆(David Awshalom)表示：“我們還沒(méi)有做成，但我相信這將在未來(lái)幾年發(fā)生。”而中科大潘建偉院士的研究團(tuán)隊(duì)也在進(jìn)行量子存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)，并獲得了國(guó)際上綜合性能最好的結(jié)果。量子存儲(chǔ)是量子中繼的核心部分?！皩?shí)現(xiàn)量子中繼的難度堪比量子計(jì)算機(jī)?！睆埼淖繉?duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示，“量子中繼不但可以讓遠(yuǎn)距離量子加密變得更加安全，更重要的是，可以為未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)建立量子網(wǎng)絡(luò)。”據(jù)了解，中科大主要的量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室位于合肥。

同樣確定的是，中國(guó)在量子通信加密方面的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)也非常明顯。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室前研究員、量子加密技術(shù)公司Qubitekk總裁兼CEO鄧肯·厄爾(Duncon Earl)表示：“中國(guó)把量子研究作為與人工智能等其它尖端技術(shù)一樣的戰(zhàn)略，美國(guó)再等就晚了?！敝袊?guó)已經(jīng)在量子加密傳輸數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上投入數(shù)千萬(wàn)美元資金，2016年8月發(fā)射的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星使用量子加密技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了北京和維也納之間的視頻通話(huà)，并且使用衛(wèi)星將量子加密傳輸?shù)木嚯x擴(kuò)大到創(chuàng)記錄的4630英里，而傳統(tǒng)的光纖線(xiàn)路的最大傳輸距離僅150英里。此外，京滬量子通信地面網(wǎng)絡(luò)也已經(jīng)投入使用，建設(shè)總長(zhǎng)約為1200英里。

歐洲知名量子技術(shù)專(zhuān)家、日內(nèi)瓦大學(xué)教授、瑞士著名量子通信企業(yè)IDQuantique創(chuàng)始人尼古拉·吉森(Nicolas Gisin)對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示：“和中國(guó)所有的重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目一樣，中國(guó)的量子通信項(xiàng)目也得到了中國(guó)政府的大力支持。這是中國(guó)能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速趕上并有望超過(guò)歐美國(guó)家的重要因素。”“京滬干線(xiàn)的開(kāi)通運(yùn)營(yíng)是中國(guó)量子通信一次重大的升級(jí)?！迸私▊ピ菏繄F(tuán)隊(duì)的陸朝陽(yáng)教授表示。使用傳統(tǒng)通信方式時(shí)，竊聽(tīng)者可以在光纖線(xiàn)路上的每個(gè)點(diǎn)攔截?cái)?shù)據(jù)流進(jìn)行竊聽(tīng)，不過(guò)量子加密技術(shù)讓長(zhǎng)達(dá)1200英里的京滬干線(xiàn)上的易受攻擊點(diǎn)減少到了幾十個(gè)。“這不是最終的解決方案，但就安全而言，已經(jīng)是一個(gè)巨大的進(jìn)步。”圖靈獎(jiǎng)獲得者姚期智教授此前在接受第一財(cái)經(jīng)記者采訪(fǎng)時(shí)，對(duì)中國(guó)研制量子計(jì)算機(jī)的意義做出評(píng)價(jià)。他說(shuō)道：“制造量子計(jì)算機(jī)的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)只研究量子計(jì)算，因?yàn)檫@種大工程將會(huì)帶動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，通過(guò)激發(fā)科學(xué)家和工程師的潛力，創(chuàng)造出新方法和新技術(shù)，從而在工業(yè)發(fā)展、國(guó)家安全等諸多領(lǐng)域中作出有益于社會(huì)的貢獻(xiàn)?！?/p>