科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞
量子計(jì)算機(jī)將在新藥研發(fā)和密碼破解等各方面超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，對(duì)產(chǎn)業(yè)界和國(guó)家安全戰(zhàn)略產(chǎn)生巨大影響，引發(fā)各國(guó)政府高度關(guān)注，美國(guó)、中國(guó)和日本等國(guó)都開(kāi)始發(fā)力。
三國(guó)逐鹿量子計(jì)算機(jī)研制領(lǐng)域，誰(shuí)領(lǐng)風(fēng)騷？
市場(chǎng)潛力足 戰(zhàn)略意義大
量子計(jì)算機(jī)在執(zhí)行某些大規(guī)模計(jì)算時(shí)，速度比最好的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快得多，能在密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、天氣預(yù)報(bào)、藥物分析等領(lǐng)域“大顯身手”。
《日本經(jīng)濟(jì)新聞》7月6日?qǐng)?bào)道，如果借助量子計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)出劃時(shí)代的電池和藥物，將讓全人類(lèi)受益。發(fā)展到更高水平，量子計(jì)算機(jī)有望破解網(wǎng)絡(luò)密碼，從而影響安全，而掌握量子技術(shù)的國(guó)家將在高科技領(lǐng)域掌握主導(dǎo)權(quán)。
圖源：視覺(jué)中國(guó)
美國(guó)波士頓咨詢(xún)公司的數(shù)據(jù)顯示，到2050年，量子計(jì)算機(jī)有望創(chuàng)造8500億美元的利潤(rùn)。日本《設(shè)計(jì)新聞》網(wǎng)站也在7月6日的報(bào)道中指出，未來(lái)30年，量子計(jì)算機(jī)市場(chǎng)預(yù)計(jì)價(jià)值1萬(wàn)億美元。
美國(guó)：2029年研制出商用量子計(jì)算機(jī)
正是量子計(jì)算機(jī)的潛能和“財(cái)”能，使政府、企業(yè)和科學(xué)家“競(jìng)折腰”。
谷歌公司今年5月公布了正在推進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)計(jì)劃，目標(biāo)是2029年研制出首臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)。
其實(shí)早在2019年，谷歌就利用其53個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，在200秒內(nèi)解決了最尖端超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”（Summit）需要花1萬(wàn)年才能解決的問(wèn)題，成功實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”的突破性進(jìn)展——“量子霸權(quán)”用來(lái)表示“在存儲(chǔ)和通信帶寬呈指數(shù)級(jí)增加后，量子計(jì)算機(jī)擁有傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)所不具有的能力”。
而令谷歌公司心心念念的是“作為通用產(chǎn)品的量子計(jì)算機(jī)”，他們希望借其解決現(xiàn)有計(jì)算機(jī)束手無(wú)策的各種難題，如幫助開(kāi)發(fā)應(yīng)對(duì)氣候變化的新材料、抑制全球大流行病的藥物等。
要解決設(shè)想中的難題，現(xiàn)在的量子比特?cái)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，谷歌計(jì)劃將量子比特的數(shù)量增至100萬(wàn)個(gè)，還將解決計(jì)算時(shí)出錯(cuò)這一最大的難題。但增加量子比特意味著計(jì)算機(jī)的布線和控制更困難，因此需要大規(guī)模技術(shù)創(chuàng)新，為此谷歌已在美國(guó)加州設(shè)立了新的研發(fā)基地。
另?yè)?jù)《科學(xué)》雜志報(bào)道，去年9月美國(guó)IBM公司稱(chēng)，將在2023年前建造一臺(tái)包含1000個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，同時(shí)提高容錯(cuò)率。
從國(guó)家層面來(lái)看，2018年，美國(guó)在以量子計(jì)算機(jī)為核心的量子信息科學(xué)領(lǐng)域敲定了國(guó)家戰(zhàn)略，實(shí)施了在5年里最多投入13億美元的美國(guó)《國(guó)家量子倡議法案》。
中國(guó)：彎道超車(chē)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”
《設(shè)計(jì)新聞》網(wǎng)站的報(bào)道指出，制造量子比特有幾種不同方法：超導(dǎo)、光子、離子阱和半導(dǎo)體（硅）中的電子自旋。
目前，谷歌和IBM一直致力于利用零電阻超導(dǎo)電路開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)，其核心研究目標(biāo)是增加可操縱的量子比特?cái)?shù)量，并提升操縱的精度，最終應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題。
在這方面，中國(guó)已經(jīng)后來(lái)居上。據(jù)《科學(xué)》雜志報(bào)道，今年5月，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)宣布成功構(gòu)建了目前超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目最多、包含62個(gè)比特的可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，并實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走，在量子搜索算法、通用量子計(jì)算等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。今年6月，研究團(tuán)隊(duì)再接再厲，成功將“祖沖之號(hào)”從62超導(dǎo)量子比特提升到66超導(dǎo)量子比特，從而最短能在1.2小時(shí)內(nèi)完成世界最強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)8年才能完成的任務(wù)。
二維超導(dǎo)量子比特芯片示意圖，每個(gè)橘色十字代表一個(gè)量子比特。圖源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
除超導(dǎo)方式外，中國(guó)科技大學(xué)早在2020年就采用光子的方式繼谷歌之后實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”：成功構(gòu)建了76個(gè)量子比特（光子）的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。據(jù)悉，當(dāng)求解5000萬(wàn)個(gè)樣本的高斯波色取樣時(shí)，目前世界最快超級(jí)計(jì)算機(jī)預(yù)計(jì)耗時(shí)6億年，而“九章”僅需200秒。
研究團(tuán)隊(duì)表示：“希望能夠通過(guò)15年到20年的努力，研制出通用量子計(jì)算機(jī)，以解決一些廣泛應(yīng)用的問(wèn)題，如密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)等，同時(shí)進(jìn)一步探索物理、化學(xué)、生物學(xué)領(lǐng)域的一些復(fù)雜問(wèn)題。”
此外，阿里巴巴集團(tuán)也將開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)。2015年該公司與中國(guó)科學(xué)院成立了量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，2018年推出了能通過(guò)云平臺(tái)使用的服務(wù)。
日本：另辟蹊徑加快步伐
日本也不甘示弱，加快了量子計(jì)算機(jī)研制的步伐。今年4月，日本富士通公司宣布將與理化學(xué)研究院（RIKEN）合作，在后者現(xiàn)有的高級(jí)超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)研究基礎(chǔ)上，在未來(lái)幾年內(nèi)打造出擁有1000量子比特的量子計(jì)算機(jī)。
另?yè)?jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》5月報(bào)道，以豐田、東芝和日本電氣公司為代表的50家企業(yè)計(jì)劃成立量子技術(shù)研究協(xié)議會(huì)，以推進(jìn)量子技術(shù)的發(fā)展。
但日本量子計(jì)算機(jī)的研制路線與中美并不完全相同。谷歌等企業(yè)采用名為“量子門(mén)”的方式來(lái)開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)，這種量子計(jì)算機(jī)被稱(chēng)為“通用型”，因?yàn)樗梢蕴幚砣魏斡?jì)算任務(wù)，但缺點(diǎn)是量子比特很難保持穩(wěn)定，而且難度隨量子比特?cái)?shù)目的增加而增加。
而在日本備受期待的是被稱(chēng)為“量子退火”的方式。這種量子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是能快速?gòu)凝嫶蟮倪x項(xiàng)中找出最佳答案，且比量子門(mén)方式更穩(wěn)定。但應(yīng)用量子退火算法的量子計(jì)算機(jī)，不再是通用型量子計(jì)算機(jī)，而是解決組合優(yōu)化問(wèn)題的專(zhuān)用機(jī)器，也被稱(chēng)為特化型量子計(jì)算機(jī)，包括日本電器公司在內(nèi)的日本多家公司目前都在探索這一方式。
據(jù)日媒2019年7月報(bào)道，日本國(guó)立情報(bào)學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的量子退火機(jī)，擁有超過(guò)現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)的性能。NEC在2018年12月宣布了一項(xiàng)量子退火機(jī)研發(fā)計(jì)劃，最終目標(biāo)是打造出能夠支撐10萬(wàn)個(gè)量子比特的量子退火機(jī)。
盡管研發(fā)工作開(kāi)展得如火如荼，但量子計(jì)算機(jī)距離嚴(yán)格意義的大規(guī)模商用還有待時(shí)日。科學(xué)進(jìn)步從來(lái)都是漫長(zhǎng)的苦旅，要研制出易創(chuàng)建、易管理和擴(kuò)展的商用量子計(jì)算機(jī)，還需各國(guó)加大投入，研究人員上下求索。
編輯：劉義陽(yáng)
審核：朱麗
