量子計算技術(shù)研究步入“關(guān)鍵期”

來源：中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng) 時間：2018-12-04 16:03:33 作者：吳冰冰

　　量子計算凸顯戰(zhàn)略意義，多國紛紛布局競爭加劇

　　計算能力是信息化發(fā)展的核心，隨著社會經(jīng)濟對信息處理需求的不斷提高，以半導體大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的經(jīng)典計算在性能提升方面面臨瓶頸。量子計算利用量子疊加和糾纏等物理特性，以微觀粒子構(gòu)成的量子比特為基本單元，通過量子態(tài)的受控演化實現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算處理，理論上具有經(jīng)典計算無法比擬的超強信息攜帶和并行處理能力，未來或?qū)⒊蔀榭萍技铀傺葸M的“催化劑”，對物理及化學等基礎(chǔ)科學研究、新型材料與醫(yī)藥研發(fā)、信息安全與國防建設(shè)、資源勘探與人工智能等眾多領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

　　近年來，全球多國加快量子信息技術(shù)研究與應用布局，競爭態(tài)勢日益明顯。美國近十年來以每年2億美元的投入力度持續(xù)支持量子信息各領(lǐng)域研究發(fā)展；歐盟今年已啟動10億歐元規(guī)模的“量子旗艦”項目，重點支持量子計算、模擬、通信和傳感四大領(lǐng)域；我國2016年起設(shè)立國家重點研發(fā)計劃“量子調(diào)控與量子信息”重點專項，并籌建量子信息科學國家實驗室；此外，英國、荷蘭、澳大利亞、瑞典也紛紛出臺相關(guān)政策或項目支持。在全球競爭加劇、量子計算技術(shù)產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展的背景下，美國今年6月推出了《國家量子行動計劃（NQI）》法案，將在原有基礎(chǔ)上每年新增投入，進一步加快推動量子信息技術(shù)研發(fā)應用，并在今年11月將量子計算列入出口管制框架。

　　量子計算正處于技術(shù)攻關(guān)關(guān)鍵階段，專用機未來幾年可能率先突破

　　量子計算包含處理器、編碼和軟件算法等關(guān)鍵技術(shù)，近年來發(fā)展加速，但仍面臨量子比特數(shù)量少、相干時間短、出錯率高等諸多挑戰(zhàn)，目前處于技術(shù)攻關(guān)和原理樣機研制驗證的早期發(fā)展階段，超越經(jīng)典計算的性能優(yōu)勢尚未得到充分證明。量子處理器有超導、離子阱、半導體、中性原子、光量子、金剛石色心和拓撲等不同技術(shù)路線，每種路線各有優(yōu)劣勢，現(xiàn)階段超導和離子阱發(fā)展相對領(lǐng)先，但尚無任何一種路線能夠完全滿足實用化要求并趨向技術(shù)收斂。另外，量子系統(tǒng)非常脆弱，極易受材料雜質(zhì)、環(huán)境溫度等影響引發(fā)退相干效應，量子編碼技術(shù)將多個“物理比特”構(gòu)造為能夠糾錯的“邏輯比特”，是克服退相干難題和量子系統(tǒng)脆弱性的有效手段。然而現(xiàn)有量子編碼方式的閾值高效率低，技術(shù)尚未突破，正處于向第一個“邏輯比特”邁進的關(guān)鍵階段。量子軟件和算法是硬件處理器充分發(fā)揮計算能力和解決實際問題的神經(jīng)中樞，開發(fā)設(shè)計需緊密結(jié)合量子疊加、糾纏等物理特性，不能從經(jīng)典計算中直接移植。目前量子計算算法典型包括Shor和Grover算法等，數(shù)量有限，只在部分經(jīng)典計算難以解決的復雜問題上具備理論優(yōu)勢，并非普適于解決所有問題。

　　從應用范圍的角度，量子計算機可分為通用量子計算機和專用量子計算機。通用機用于解決普遍問題，需要上百萬甚至更多物理比特，并具備容錯能力以及各類軟件算法的支撐，其實用化將是長期漸進過程。專用機用于解決特定問題，只需相對少量的物理比特和特定量子算法，實現(xiàn)相對容易且存在市場價值。業(yè)內(nèi)專家預測，未來五年左右量子專用機有可能在模擬、優(yōu)化等領(lǐng)域率先取得突破。

　　量子計算領(lǐng)域美國全面領(lǐng)先，我國加速發(fā)展仍存差距

　　美國已形成政府、科研、產(chǎn)業(yè)和投資力量多方協(xié)同的良好局面，取得系列重要成果并建立領(lǐng)先優(yōu)勢?？蒲蓄I(lǐng)域頂尖人才聚集，加州大學、馬里蘭大學、哈佛大學和耶魯大學等研究機構(gòu)取得大量原創(chuàng)性和開拓性研究成果。谷歌、IBM、英特爾和微軟等科技巨頭成為推動量子計算原理樣機研發(fā)加速的重要力量。從技術(shù)路線來看，谷歌、IBM致力于超導體系，英特爾同時涉獵硅半導體和超導體系，微軟布局全新的拓撲路線。從研究成果來看，量子比特數(shù)量由2015年的9位迅速拓展至今年3月谷歌宣布的72位，3年內(nèi)提升8倍，迭代速度明顯加快。從發(fā)展模式來看，科技巨頭在全球范圍內(nèi)聯(lián)合優(yōu)勢資源展開廣泛合作，谷歌2013年聯(lián)合美國國家航空航天局成立人工智能實驗室，與D-Wave合作開展量子退火模擬專用機研究；2014年與美國加州大學圣塔芭芭拉分校頂尖科研團隊合作，布局通用量子計算機研發(fā)攻關(guān)；2017年與創(chuàng)業(yè)公司Rigetti Computing合作推出開源量子計算軟件平臺。英特爾與荷蘭QuTech研究所、德國馬普量子光學中心、美國國家標準技術(shù)研究院等研究機構(gòu)聯(lián)合推進硅半導體量子計算。微軟與荷蘭QuTech研究所、丹麥玻爾研究所等合作攻關(guān)拓撲量子計算。IBM則基于量子計算云平臺與金融、汽車、電子、材料等不同領(lǐng)域的合作伙伴探索產(chǎn)業(yè)應用，推動量子計算初具產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

　　我國在量子計算基礎(chǔ)理論、物理實現(xiàn)體系、軟件算法等領(lǐng)域均有研究布局，中國科學技術(shù)研究院、中國科學技術(shù)大學、清華大學、浙江大學等研究機構(gòu)近年來取得一系列具有國際先進水平的研究成果，為我國量子計算發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。從各國高水平SCI論文總量和熱點論文來看，美國位列第一，中國、德國分列第二和第三位；在被引次數(shù)方面，中國緊隨美國、德國和英國之后。近期代表性研究成果，如中科大分別實現(xiàn)了光量子體系18比特糾纏和半導體體系3比特邏輯門等。阿里巴巴、騰訊、百度和華為開始關(guān)注和投資量子計算領(lǐng)域，并發(fā)布量子計算云平臺；國內(nèi)首家量子計算初創(chuàng)企業(yè)合肥本源量子于2017年成立，為研究和應用注入了新動力。我國在量子計算領(lǐng)域雖已取得一定成績，但仍存在一些不容忽視的問題與挑戰(zhàn)。第一，我國量子計算研發(fā)由研究機構(gòu)主導，科技企業(yè)進入晚、參與度有限，初創(chuàng)企業(yè)偏少，整體發(fā)展模式仍在摸索，多方尚未形成合力。第二，量子計算機研制屬于巨型系統(tǒng)工程，涉及眾多產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和工程實現(xiàn)環(huán)節(jié)，我國在高質(zhì)量材料樣品、結(jié)構(gòu)工藝、制冷設(shè)備和測控系統(tǒng)等領(lǐng)域落后于領(lǐng)先國家，存在關(guān)鍵環(huán)節(jié)受制于人的風險。

　　量子計算未來發(fā)展挑戰(zhàn)與機遇并存，我國應加大投入聚力攻關(guān)

　　未來幾年，量子計算技術(shù)作為全球科技熱點將持續(xù)研究、加速發(fā)展，量子處理器路線方案不斷明朗，量子比特數(shù)量、質(zhì)量和糾錯能力進一步增強，專用量子計算向?qū)嵱没拷蚋偁帒B(tài)勢進一步加劇。我國量子計算技術(shù)發(fā)展具有良好的研究基礎(chǔ)和廣闊的應用空間，應加大投入聚力攻關(guān)，促進優(yōu)勢資源形成合力，進行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)并補齊產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)短板，搶抓“機遇窗口”期，從而趕超國際先進水平。

　　（記者 吳冰冰）

責任編輯：李蘭松