三国逐鹿量子计算

20210720来源：科技日报

　　今年6月，中国科技大学潘建伟团队构建出“祖冲之号”超导量子计算原型机；美国谷歌公司希望2029年研制出首台商用量子计算机；日本政府计划与约50家日本企业合作成立量子研究团体，以推动量子技术的发展。

　　量子计算机将在新药研发和密码破解等各方面超越传统计算机，对产业界和国家安全战略产生巨大影响，引发各国政府高度关注，美国、中国和日本等国都开始发力。

　　三国逐鹿量子计算机研制领域，谁领风骚？

　　市场潜力足 战略意义大

　　量子计算机在执行某些大规模计算时，速度比最好的传统计算机快得多，能在密码破译、大数据优化、天气预报、药物分析等领域“大显身手”。

　　《日本经济新闻》7月6日报道，如果借助量子计算机开发出划时代的电池和药物，将让全人类受益。发展到更高水平，量子计算机有望破解网络密码，从而影响安全，而掌握量子技术的国家将在高科技领域掌握主导权。

　　美国波士顿咨询公司的数据显示，到2050年，量子计算机有望创造8500亿美元的利润。日本《设计新闻》网站也在7月6日的报道中指出，未来30年，量子计算机市场预计价值1万亿美元。

　　美国：2029年研制出商用量子计算机

　　正是量子计算机的潜能和“财”能，使政府、企业和科学家“竞折腰”。

　　谷歌公司今年5月公布了正在推进的量子计算机开发计划，目标是2029年研制出首台商用量子计算机。

　　其实早在2019年，谷歌就利用其53个量子比特的量子计算机“悬铃木”，在200秒内解决了最尖端超级计算机“顶点”（Summit）需要花1万年才能解决的问题，成功实现了“量子霸权”的突破性进展——“量子霸权”用来表示“在存储和通信带宽呈指数级增加后，量子计算机拥有传统超级计算机所不具有的能力”。

　　而令谷歌公司心心念念的是“作为通用产品的量子计算机”，他们希望借其解决现有计算机束手无策的各种难题，如帮助开发应对气候变化的新材料、抑制全球大流行病的药物等。

　　要解决设想中的难题，现在的量子比特数远远不够，谷歌计划将量子比特的数量增至100万个，还将解决计算时出错这一最大的难题。但增加量子比特意味着计算机的布线和控制更困难，因此需要大规模技术创新，为此谷歌已在美国加州设立了新的研发基地。

　　另据《科学》杂志报道，去年9月美国IBM公司称，将在2023年前建造一台包含1000个量子比特的量子计算机，同时提高容错率。

　　从国家层面来看，2018年，美国在以量子计算机为核心的量子信息科学领域敲定了国家战略，实施了在5年里最多投入13亿美元的美国《国家量子倡议法案》。

　　中国：弯道超车实现“量子霸权”

　　《设计新闻》网站的报道指出，制造量子比特有几种不同方法：超导、光子、离子阱和半导体（硅）中的电子自旋。

　　目前，谷歌和IBM一直致力于利用零电阻超导电路开发量子计算机，其核心研究目标是增加可操纵的量子比特数量，并提升操纵的精度，最终应用于实际问题。

　　在这方面，中国已经后来居上。据《科学》杂志报道，今年5月，潘建伟院士团队宣布成功构建了目前超导量子比特数目最多、包含62个比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并实现了可编程的二维量子行走，在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用。今年6月，研究团队再接再厉，成功将“祖冲之号”从62超导量子比特提升到66超导量子比特，从而最短能在1.2小时内完成世界最强超级计算机8年才能完成的任务。

　　除超导方式外，中国科技大学早在2020年就采用光子的方式继谷歌之后实现了“量子霸权”：成功构建了76个量子比特（光子）的量子计算原型机“九章”。据悉，当求解5000万个样本的高斯波色取样时，目前世界最快超级计算机预计耗时6亿年，而“九章”仅需200秒。

　　研究团队表示：“希望能够通过15年到20年的努力，研制出通用量子计算机，以解决一些广泛应用的问题，如密码分析、气象预报、药物设计等，同时进一步探索物理、化学、生物学领域的一些复杂问题。”

　　此外，阿里巴巴集团也将开发量子计算机。2015年该公司与中国科学院成立了量子计算实验室，2018年推出了能通过云平台使用的服务。

　　日本：另辟蹊径加快步伐

　　日本也不甘示弱，加快了量子计算机研制的步伐。今年4月，日本富士通公司宣布将与理化学研究院（RIKEN）合作，在后者现有的高级超导量子计算技术研究基础上，在未来几年内打造出拥有1000量子比特的量子计算机。

　　另据《日本经济新闻》5月报道，以丰田、东芝和日本电气公司为代表的50家企业计划成立量子技术研究协议会，以推进量子技术的发展。

　　但日本量子计算机的研制路线与中美并不完全相同。谷歌等企业采用名为“量子门”的方式来开发量子计算机，这种量子计算机被称为“通用型”，因为它可以处理任何计算任务，但缺点是量子比特很难保持稳定，而且难度随量子比特数目的增加而增加。

　　而在日本备受期待的是被称为“量子退火”的方式。这种量子计算机的特点是能快速从庞大的选项中找出最佳答案，且比量子门方式更稳定。但应用量子退火算法的量子计算机，不再是通用型量子计算机，而是解决组合优化问题的专用机器，也被称为特化型量子计算机，包括日本电器公司在内的日本多家公司目前都在探索这一方式。

　　据日媒2019年7月报道，日本国立情报学研究所开发的量子退火机，拥有超过现有量子计算机的性能。NEC在2018年12月宣布了一项量子退火机研发计划，最终目标是打造出能够支撑10万个量子比特的量子退火机。

　　尽管研发工作开展得如火如荼，但量子计算机距离严格意义的大规模商用还有待时日。科学进步从来都是漫长的苦旅，要研制出易创建、易管理和扩展的商用量子计算机，还需各国加大投入，研究人员上下求索。（记者 刘 霞）