科技日報記者 劉霞
量子計算機將在新藥研發(fā)和密碼破解等各方面超越傳統(tǒng)計算機，對產(chǎn)業(yè)界和國家安全戰(zhàn)略產(chǎn)生巨大影響，引發(fā)各國政府高度關注，美國、中國和日本等國都開始發(fā)力。
三國逐鹿量子計算機研制領域，誰領風騷？
市場潛力足 戰(zhàn)略意義大
量子計算機在執(zhí)行某些大規(guī)模計算時，速度比最好的傳統(tǒng)計算機快得多，能在密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、天氣預報、藥物分析等領域“大顯身手”。
《日本經(jīng)濟新聞》7月6日報道，如果借助量子計算機開發(fā)出劃時代的電池和藥物，將讓全人類受益。發(fā)展到更高水平，量子計算機有望破解網(wǎng)絡密碼，從而影響安全，而掌握量子技術的國家將在高科技領域掌握主導權。
圖源：視覺中國
美國波士頓咨詢公司的數(shù)據(jù)顯示，到2050年，量子計算機有望創(chuàng)造8500億美元的利潤。日本《設計新聞》網(wǎng)站也在7月6日的報道中指出，未來30年，量子計算機市場預計價值1萬億美元。
美國：2029年研制出商用量子計算機
正是量子計算機的潛能和“財”能，使政府、企業(yè)和科學家“競折腰”。
谷歌公司今年5月公布了正在推進的量子計算機開發(fā)計劃，目標是2029年研制出首臺商用量子計算機。
其實早在2019年，谷歌就利用其53個量子比特的量子計算機“懸鈴木”，在200秒內(nèi)解決了最尖端超級計算機“頂點”（Summit）需要花1萬年才能解決的問題，成功實現(xiàn)了“量子霸權”的突破性進展——“量子霸權”用來表示“在存儲和通信帶寬呈指數(shù)級增加后，量子計算機擁有傳統(tǒng)超級計算機所不具有的能力”。
而令谷歌公司心心念念的是“作為通用產(chǎn)品的量子計算機”，他們希望借其解決現(xiàn)有計算機束手無策的各種難題，如幫助開發(fā)應對氣候變化的新材料、抑制全球大流行病的藥物等。
要解決設想中的難題，現(xiàn)在的量子比特數(shù)遠遠不夠，谷歌計劃將量子比特的數(shù)量增至100萬個，還將解決計算時出錯這一最大的難題。但增加量子比特意味著計算機的布線和控制更困難，因此需要大規(guī)模技術創(chuàng)新，為此谷歌已在美國加州設立了新的研發(fā)基地。
另據(jù)《科學》雜志報道，去年9月美國IBM公司稱，將在2023年前建造一臺包含1000個量子比特的量子計算機，同時提高容錯率。
從國家層面來看，2018年，美國在以量子計算機為核心的量子信息科學領域敲定了國家戰(zhàn)略，實施了在5年里最多投入13億美元的美國《國家量子倡議法案》。
中國：彎道超車實現(xiàn)“量子霸權”
《設計新聞》網(wǎng)站的報道指出，制造量子比特有幾種不同方法：超導、光子、離子阱和半導體（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電路開發(fā)量子計算機，其核心研究目標是增加可操縱的量子比特數(shù)量，并提升操縱的精度，最終應用于實際問題。
在這方面，中國已經(jīng)后來居上。據(jù)《科學》雜志報道，今年5月，潘建偉院士團隊宣布成功構建了目前超導量子比特數(shù)目最多、包含62個比特的可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，并實現(xiàn)了可編程的二維量子行走，在量子搜索算法、通用量子計算等領域具有潛在應用。今年6月，研究團隊再接再厲，成功將“祖沖之號”從62超導量子比特提升到66超導量子比特，從而最短能在1.2小時內(nèi)完成世界最強超級計算機8年才能完成的任務。
二維超導量子比特芯片示意圖，每個橘色十字代表一個量子比特。圖源：中國科學技術大學
除超導方式外，中國科技大學早在2020年就采用光子的方式繼谷歌之后實現(xiàn)了“量子霸權”：成功構建了76個量子比特（光子）的量子計算原型機“九章”。據(jù)悉，當求解5000萬個樣本的高斯波色取樣時，目前世界最快超級計算機預計耗時6億年，而“九章”僅需200秒。
研究團隊表示：“希望能夠通過15年到20年的努力，研制出通用量子計算機，以解決一些廣泛應用的問題，如密碼分析、氣象預報、藥物設計等，同時進一步探索物理、化學、生物學領域的一些復雜問題。”
此外，阿里巴巴集團也將開發(fā)量子計算機。2015年該公司與中國科學院成立了量子計算實驗室，2018年推出了能通過云平臺使用的服務。
日本：另辟蹊徑加快步伐
日本也不甘示弱，加快了量子計算機研制的步伐。今年4月，日本富士通公司宣布將與理化學研究院（RIKEN）合作，在后者現(xiàn)有的高級超導量子計算技術研究基礎上，在未來幾年內(nèi)打造出擁有1000量子比特的量子計算機。
另據(jù)《日本經(jīng)濟新聞》5月報道，以豐田、東芝和日本電氣公司為代表的50家企業(yè)計劃成立量子技術研究協(xié)議會，以推進量子技術的發(fā)展。
但日本量子計算機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”的方式來開發(fā)量子計算機，這種量子計算機被稱為“通用型”，因為它可以處理任何計算任務，但缺點是量子比特很難保持穩(wěn)定，而且難度隨量子比特數(shù)目的增加而增加。
而在日本備受期待的是被稱為“量子退火”的方式。這種量子計算機的特點是能快速從龐大的選項中找出最佳答案，且比量子門方式更穩(wěn)定。但應用量子退火算法的量子計算機，不再是通用型量子計算機，而是解決組合優(yōu)化問題的專用機器，也被稱為特化型量子計算機，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月報道，日本國立情報學研究所開發(fā)的量子退火機，擁有超過現(xiàn)有量子計算機的性能。NEC在2018年12月宣布了一項量子退火機研發(fā)計劃，最終目標是打造出能夠支撐10萬個量子比特的量子退火機。
盡管研發(fā)工作開展得如火如荼，但量子計算機距離嚴格意義的大規(guī)模商用還有待時日。科學進步從來都是漫長的苦旅，要研制出易創(chuàng)建、易管理和擴展的商用量子計算機，還需各國加大投入，研究人員上下求索。
編輯：劉義陽
審核：朱麗
