多國加速布局！量子計算，為什么能成為新方向？

來源：人民論壇網-人民論壇雜志 時間：2023-09-07 10:04:33 作者：

　　量子科學是20世紀以來最重要的科學發(fā)現之一。進入21世紀，量子科技革命的第二次浪潮來臨，催生了量子計算、量子通信、量子測量等一批新興技術。如果把量子信息技術比作一架飛機，那么量子計算技術則是這架飛機的“發(fā)動機”。也正因如此，多國都紛紛投入大量精力，布局量子計算研發(fā)。當前，量子計算科技發(fā)展總體局面如何？如何構建中國量子計算生態(tài)？推薦閱讀《人民論壇》最新雜志！

　　量子計算科技或將引領新一輪產業(yè)變革方向

　　量子計算機是一種按照量子力學規(guī)律運行的物理設備，能處理量子比特信息，進行高速的數學和邏輯運算，由于量子比特的疊加性、相干性、糾纏性，量子計算機可以在很短的時間內解決在經典計算機上難以解決的問題。

　　新技術研究路徑尚未收斂。量子計算機，根據其邏輯架構主要分為量子邏輯門計算機和量子退火計算機；根據其用途，可以分為專用量子計算機和通用量子計算機。目前量子計算機的技術路線主要包括：超導、離子阱、光量子、量子點、冷原子等。主要技術路線的相關原理不盡相同，各路線百花齊放，百舸爭流。

　　從技術研發(fā)上看，超導路線擁有最多的技術追隨者?；诔瑢Я孔游坏牧孔佑嬎闶且环N最早被提出和研究的量子計算實現方法，它基于超導性能的材料，使用電荷量子比特、磁通量子比特和相位量子比特這三種方式來形成量子比特，超導量子比特在操控、耦合、測量、擴展等方面具有顯著優(yōu)勢，在過去幾十年中，超導量子計算有一定的發(fā)展，實現了與量子態(tài)所需精度相當的高精度控制、微波單光子狀態(tài)的制備等主要技術。超導技術路線的缺點是易受環(huán)境噪聲影響使得退相干時間變短，進而增加量子比特的操作難度。當前國際科技企業(yè)國際商業(yè)機器公司（后簡稱IBM）開發(fā)的超導量子芯片比特數量已進入百位時代，在全球已部署了30余臺量子計算機，2022年11月發(fā)布了一臺名為“魚鷹”的433量子比特量子計算機。Rigetti兩個40位量子芯片組裝的80位芯片開始商用。國內本源量子已向用戶交付1臺24比特的超導量子計算機、1臺64比特超導量子計算機。其他研究路徑上，各有所長，均在不同程度推進。

　　基于離子阱的量子計算則是利用電荷與電磁場間的相互作用力來牽制帶電粒子的運動，并利用受限離子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)組成兩個能級，作為量子比特。同時，利用微波激光照射操縱量子態(tài)，通過連續(xù)泵浦光和態(tài)相關熒光，實現量子比特的初始化和探測。該技術路線的優(yōu)勢是量子比特品質高、相干時間較長、量子比特的制備和讀出效率較高，其劣勢主要是量子比特操縱速度相對較慢，隨著量子比特數的增加，量子比特的操縱在技術上有困難。光量子計算機研究方向也有許多團隊追隨，其優(yōu)點在于光子的量子態(tài)與外部環(huán)境的相互作用極其微弱，使得光量子計算機可以在室溫的大氣環(huán)境中工作；同時光子是量子通信的最佳信息載體，它們以光速傳播，可為高速、大容量數據傳輸提供大帶寬。缺點在于光子之間相互不作用，因此很難實現需要光子之間相互作用的兩量子比特糾纏門?；诎雽w量子點技術的量子計算機利用半導體量子點中的電子制造量子比特，將其電子的自旋方向編碼為量子態(tài)儲存量子信息。因其與傳統芯片技術有相通之處，比其他方案更具可擴展性，有助于實現芯片產業(yè)化。由于半導體量子比特體積小、數量少且相干性較弱，量子點技術路線還未像超導、光量子技術路線一樣實現高量子比特數。

　　國家戰(zhàn)略計劃聚焦量子計算。如今，量子計算儼然成為科技領域的研究熱點，多國政府以及各大科技公司都紛紛投入大量精力和資金來研究和開發(fā)量子計算技術。美國在量子計算技術領域率先投資，早在1999年就發(fā)布了有關“量子信息科學”的科學技術報告。2018年美國政府推出《國家量子倡議法案》，2020年發(fā)布《美國量子網絡戰(zhàn)略愿景》等量子專項戰(zhàn)略，并于2022年發(fā)布關于促進量子計算的《國家安全備忘錄》。幾年間，美國政府不斷頒布多項量子計算政策。加拿大政府在2021年7月宣布制定國家量子戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略由加拿大創(chuàng)新、科學和經濟發(fā)展部（ISED）的秘書處協調，不僅提供大量資金支持該領域研究，還成立了量子計算發(fā)展機構，與加拿大商業(yè)界密切合作。英國政府于2014年啟動“國家量子技術計劃”，成立4個國家量子技術中心來開展工作，中心致力于培養(yǎng)人才、開展研究和推動產業(yè)應用，以加快量子技術的商業(yè)化。德國政府于2021年制定了《量子計算路線圖》，并啟動慕尼黑量子谷研究集群計劃。日本政府也主張該領域的研究和發(fā)展，并成立量子計算研究與應用中心。

　　自2016年起，中國政府發(fā)布多項量子技術相關政策，2016年8月國務院頒發(fā)《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，將量子計算機列入科技創(chuàng)新2030重大項目，研制通用的量子計算原型機和實用化量子模擬機?！笆奈濉币?guī)劃期間，全國多個省級行政區(qū)出臺地方發(fā)展規(guī)劃，支持量子計算產業(yè)發(fā)展。中國政府在量子計算領域開始重點投入，并成立量子計算產業(yè)聯盟，吸納中國建設銀行、中國移動、平安銀行等行業(yè)領軍企業(yè)相繼開展商業(yè)化應用探索。從各國近年來加大對量子計算的研究與商業(yè)化支持力度來看，已經形成量子計算從基礎研究到商業(yè)應用化研發(fā)全覆蓋的局面。

　　量子計算成果不斷涌現。繼谷歌2019年宣布成功演示“量子霸權”證明量子計算巨大潛力后，在其量子計算路線圖上達到第二個關鍵里程碑：首次通過實驗證明可以通過增加量子比特的數量來降低計算錯誤率。如果量子計算機想在實用性方面取得進展，并解決普通計算機無法解決的問題，有效糾錯就是必備技能。此外，作為美國科技巨頭的IBM一直在政策的大力扶持下布局量子計算產業(yè)，其發(fā)布的“Eagle”是一款127量子位的量子處理器，IBM聲稱它不能被任何經典計算機模擬，它的性能幾乎是2020年發(fā)布的65量子比特處理器Hummingbird的兩倍。2022年11月，IBM推出擁有433個量子比特的量子芯片“魚鷹”，成為世界上迄今為止最大的通用量子處理器。

　　量子計算技術的四大總體發(fā)展態(tài)勢

　　量子計算產業(yè)生態(tài)初現“曙光”，“合縱聯橫”態(tài)勢驟起。從產業(yè)化程度看，全球已成立近300家量子計算專業(yè)公司，基本覆蓋所有技術路線和行業(yè)潛在應用方向，成立時間最長的公司已達20多年之久，4家公司完成上市。而國內量子計算專業(yè)公司不足10家，從事的技術路線有超導、光學、離子阱、硅基半導體、中性原子等，成立時間最長的是本源量子（5年），目前沒有上市公司。從行業(yè)生態(tài)看，美國以IBM為首的量子計算龍頭企業(yè)為促進量子計算產業(yè)的發(fā)展，牽頭建立國際主流量子計算產業(yè)聯盟，組織美國、日本、韓國、德國、澳大利亞等230多家企業(yè)協同“聯姻”，呈“合縱連橫”融合創(chuàng)新發(fā)展趨勢。國內本源量子牽頭成立量子計算產業(yè)聯盟，金融建模、海洋超算、輪船制造、大數據等領域30余家國內企業(yè)入盟，雖體量總體偏小，但已初步形成量子計算產業(yè)鏈雛形。比如以量子處理器、稀釋制冷機、低溫器件、量子計算機整機、量子軟件、算法、操作系統為主的量子計算上下游生產制造鏈，主要提供量子計算機軟硬件資源；以面向用戶，根據各行業(yè)特定場景需求開發(fā)應用算法為主的量子計算生態(tài)應用鏈，針對性提供應用服務；以及圍繞量子計算教育、生態(tài)資源共享等的量子計算教育科普鏈，重點培育和培訓行業(yè)人才。各國主流量子計算聯盟合作伙伴間通過資源共享、技術交流與合作研發(fā)，在量子計算硬件、軟件、算法等領域展開研究與創(chuàng)新，推動量子計算技術的商業(yè)化應用。

　　量子計算協同創(chuàng)新應用層出，領域內原創(chuàng)成果增加。在實際生產、科學研究等領域，量子計算技術的優(yōu)勢主要集中在模擬物質、優(yōu)化問題、機器學習等方面。量子計算機可以模擬大分子、復雜材料等，可以通過優(yōu)化算法，為生產和工作中的問題提供快速有效的解決方案，可以通過提供更大的存儲和更高效的處理能力，對海量數據進行快速、準確的分析和學習。從應用研究看，國外金融、醫(yī)藥、大型裝備制造商等與量子計算公司進行深度融合，圍繞量子計算在行業(yè)的應用進行協同創(chuàng)新，取得了不少原創(chuàng)性成果。2021年，美國量子計算研發(fā)巨頭谷歌（Google）與世界最大私有制藥企業(yè)勃林格殷格翰（BI）合作研究量子計算藥物研發(fā)。2022年，美國最大港口洛杉磯港首次采用量子計算技術倍數提升港口運營效率。微軟、蘇黎世聯邦理工學院和西北太平洋國家實驗室基于量子計算模擬一個催化化學反應，實現了30倍加速和10倍成本降低。國內量子計算潛在應用客戶多數是國企，建信金科與本源量子合作開發(fā)首批量子計算金融算法，新華財經與本源量子聯合開發(fā)上線首個量子金融App，但除了金融、通訊機構外，其他行業(yè)單位展開量子計算應用合作研究較少。

　　“示范性”領域帶頭，多行業(yè)“齊頭并進”。量子計算科學研究與產業(yè)應用理應“相輔相成”，科研課題來自于各行業(yè)的真需求，選擇更有實際應用價值的課題帶入科研，從而探索出新技術的更多應用場景，也是國際量子計算技術發(fā)展的一大趨勢。金融行業(yè)是當前國內外最熱門的應用領域之一，量子計算可以用于該領域加密和解密數據，以提供更高的安全性；可用于市場的預測和優(yōu)化，協助金融機構強化決策、降低風險和增加收益；還可以應用于精準定價、交易結算和資產分配等方面。2022年，美國全國性保險業(yè)龍頭企業(yè)美國州立農業(yè)保險公司（State Farm）在其內部成立量子團隊，正式入局量子計算，探索潛在解決方案，以更好地滿足客戶需求。此外，量子計算也被證明在生物制藥、能源化工、氣象預測等行業(yè)具有潛力。在制藥行業(yè)，量子計算可以用來研究新藥的分子結構和化學反應，模擬化學分析結構，進而解決量子化學的合成和藥物輔助設計，提高新藥的產量和品質。在采礦和勘探行業(yè)，量子計算可以協助尋找礦藏和石油等寶貴資源，優(yōu)化企業(yè)的生產效率和節(jié)省成本。在物流行業(yè)，量子計算可以用來規(guī)劃最優(yōu)路徑和優(yōu)化交通網絡，從而提高物流效率并降低運輸成本。在能源領域，量子計算可用于分析和管理太陽能、氫能、風電場的流體動力學特性等，進而為能源高效利用、轉化、儲存提供更多的技術支持。在氣象行業(yè)，量子計算可以用來快速、有效地處理大量且多維度的復雜氣象數據，有助于提高天氣預報實時性和準確性?；谄洳⑿行院透咝惴▋?yōu)化能力，還可以對氣象進行有效的仿真、跟蹤和預測。在安全行業(yè)，量子計算可以用于對當前正在使用的加密系統的防守和攻擊。量子計算技術在這些應用領域“齊頭并進”，或將為科學研究提供革命性突破。

　　量子計算技術反哺教育事業(yè)發(fā)展。全球主要國家都在加大對該領域的投資。量子計算的國際競爭快速提升著量子計算的發(fā)展水平，伴隨著量子計算技術的突破和應用，相關行業(yè)人才“加速”稀缺，而關乎量子計算未來發(fā)展持續(xù)性的人才培養(yǎng)，則越來越受到關注和重視。2018年底頒布的《美國國家量子計劃法案》計劃在人才培養(yǎng)、標準制定、技術應用領域投資12億美元，美國國家科學基金會和白宮科學技術政策辦公室牽頭啟動美國量子信息K12教育。自此，各國相應開設量子人才培養(yǎng)計劃。2022年，澳大利亞量子公司Q-CTRL與英國主營量子教育公司QURECA合作建立量子計算人才培養(yǎng)通道，為任何想要入門量子計算的人提供學習機會。美國俄亥俄州立大學宣布建立量子信息科學與工程中心，為量子計算學科建設奠基。而我國量子計算技術雖起步較晚，但量子計算產業(yè)發(fā)展勢頭良好、前景廣闊，量子計算人才缺口巨大。近年來，我國建立了一批量子計算研究機構和實驗室，并擁有了一定的量子計算研究基礎。中國科學技術大學、清華大學等高校均開始開設量子信息等相關本科專業(yè)，專業(yè)課程涵蓋了量子計算的基礎和應用等。為培育量子計算與各行業(yè)綜合型人才，建立完善量子計算行業(yè)教育培訓體系，本源量子在2018年就已推出國內首批量子計算行業(yè)應用技術指導課程，包含量子金融、量子化學兩個課程體系，近年還同步開設專用領域人才教育培訓課程，譬如量子金融賽道班，以滿足金融行業(yè)領域人才協同開展量子計算應用研究需求。

　　因此，加快量子計算的技術研發(fā)、應用推廣和生態(tài)構建，不僅重要而且必要更是緊要。世界已進入大科學時代，全球科技發(fā)展的信息化特征日趨明顯，呈現出兩級分化的演進狀態(tài)。一個是智能化，一個是邊緣化。如同工業(yè)化的核心是“馬力”，智能化的核心就是“算力”，而量子計算是算力發(fā)展的新賽道。這種兩極分化不光體現在經濟發(fā)展，還體現在國家安全、社會公共管理等方方面面，如果不能智能化、量子化，可能就會被邊緣化。

　　如何構建中國量子計算生態(tài)？

　　當下，量子計算已經發(fā)展到了性能提升、生態(tài)建設、習慣培養(yǎng)、應用拓展并重的階段。量子計算歸根結底是算力的競爭，我國應加強量子計算核心軟硬件產品和技術攻關?！瓣P鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的?！绷孔佑嬎銍H競爭日益激烈，我國必須奮起直追，2022年12月，中央經濟工作會議也明確提出了要加快量子計算研發(fā)和應用推廣。

　　研制量子計算機涉及量子芯片、測控、軟件、算法和云平臺等多領域協同，我國需要加強量子計算核心軟硬件產品和技術攻關，突破量子處理器、稀釋制冷機、低溫器件等核心硬件技術，推動實現量子計算軟硬件國產替代；支持量子計算操作系統、量子計算語言、編程框架、芯片設計工具等關鍵基礎軟件的研發(fā)。

　　加強以企業(yè)為創(chuàng)新主體的量子計算應用研究，助推國內應用落地。量子計算機是一個工具，要到用戶手里去，而不是停留在論文上或匯報中。我國量子計算技術研發(fā)成本高，商業(yè)化開拓難，研發(fā)和應用之間存在“斷層”。國際上，量子計算的研制開發(fā)已步入由龍頭企業(yè)主導階段，研發(fā)、應用“雙向驅動”，應用牽引和市場導向的加速效能凸現。我國量子計算產業(yè)發(fā)展則較為滯后，和中國量子算力“攜手”開發(fā)應用的央企不到央企總數的5%。為強化企業(yè)創(chuàng)新主體地位和責任，應鼓勵大型央企率先開展量子計算應用賦能場景示范。量子計算作為國家戰(zhàn)略，關系到國家未來軍事安全和經濟發(fā)展。國家宜鼓勵引導大型央企及其他行業(yè)龍頭企業(yè)和量子計算企業(yè)在目前國際量子算力已經發(fā)揮作用的領域盡快深化合作，這些領域有金融、生物醫(yī)藥、新材料、人工智能、氣象預報、密碼破譯、智能制造等，從而促進我國量子計算技術在經濟層面的應用，發(fā)揮國內市場優(yōu)勢，以應用“反推”行業(yè)技術發(fā)展。

　　加強對我國量子計算教育的重視。2021年教育部批復中國科學技術大學新增“量子信息科學”學科，標志著我國本科院校開啟量子計算人才培養(yǎng)的新征程，但在實際推進專業(yè)建設和人才培養(yǎng)的進程中，仍有一些院校存在“淺嘗輒止”和“畏手畏腳”的現象。量子計算作為綜合性學科，包含物理、數學、計算機等一系列學科知識，其發(fā)展需要培養(yǎng)更多的人才。部分國外企業(yè)和研究機構通過通識教育和職業(yè)教育，推廣量子計算機操作系統和編程語言，但目前國內只有為數不多的量子企業(yè)或團隊在量子教育上發(fā)力。為鼓勵院校開展量子計算人才培養(yǎng)工作，推進我國搶占量子信息全球產業(yè)高地，各高校和科研機構應積極參與量子計算教育工作，搭建合作交流平臺，加強師資隊伍建設，引入國內外優(yōu)秀的量子計算專業(yè)人才和專家，不斷更新教材體系，推陳出新，以期提升我國量子計算教育的整體水平和質量。全國大中小學尤其是高校應進一步加強國產量子計算機、量子操作系統、編程語言宣傳推廣。為此，有如下建議：一是將國產量子計算機科普納入中小學科普的重要內容之中；二是在已開設量子科技相關課程的高校中引入國產量子計算機軟硬件相關課程；三是鼓勵并引導高校學生積極參與公益性學術組織舉辦的全國性量子計算各類技能大賽，以更好更快發(fā)現中國量子計算編程人才，為中國量子算力事業(yè)凝聚更多中國英才。通過這三項舉措讓更多的中國“下一代”了解和掌握量子計算基本常識，引導學生特別是高校青年學生養(yǎng)成用國產量子操作系統的習慣，逐步構建中國自主量子計算應用生態(tài)圈。

　　加快構建自主量子計算生態(tài)圈。歐美等國量子計算起步早、發(fā)展快，產業(yè)成熟度高，已逐步建立量子計算生態(tài)“鏈”。2017年，美國的國際商業(yè)機器公司（IBM）成立的產業(yè)聯盟擁有210多個成員，涉及500強公司、初創(chuàng)企業(yè)、學術機構和研究實驗室。加拿大2020年成功組建量子工業(yè)部，包含24家專門從事量子領域的加拿大硬件和軟件公司。2022年，德國漢堡啟動“量子創(chuàng)新之都”量子計算網絡聯盟。同年，澳大利亞國家級最高機構澳大利亞技術委員會宣布成立澳大利亞量子聯盟。國外聯盟發(fā)展壯大的同時也意味著越來越多的國際用戶甚至中國公民會使用幾大國際巨頭的量子計算機語言、操作系統，甚至養(yǎng)成習慣。就像習慣使用Windows系統一樣，習慣一旦養(yǎng)成，再替換國產操作系統將非常艱難。因此，在核心技術攻關基礎之上，應加大自主量子計算軟硬件產品和服務在包括“一帶一路”和金磚國家在內的國內外市場的應用推廣，培育壯大自主的量子計算軟硬件產業(yè)和生態(tài)。

　　當前，我們已經從研究探索什么是量子計算以及如何用量子特性優(yōu)化計算，逐漸過渡到量子計算產業(yè)發(fā)展壯大階段，在高度重視有序推進中國量子計算事業(yè)的同時，我們需謹防“家家點火、戶戶冒煙”，一擁而上搞量子計算。歐美大約從30年前開始布局量子計算研發(fā)，中國大約從20年前起步量子計算研發(fā)，不論是美國還是中國，在量子計算研發(fā)方面都經歷了一個長期過程。量子計算不是一代人能夠完成的事業(yè)，要從源頭上加強對量子計算的科學客觀認識，逐步在中國形成對量子計算的共識，才能從源頭上避免量子計算“熱”帶來的“盲目沖動”，最終形成一代又一代中國量子計算人接續(xù)奮斗的良好局面。

責任編輯：張薇