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瞭望|全球“量子霸權”爭奪戰觀察
2018-02-13 10:51:36 來源: 《瞭望》新聞周刊
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  ◆ 誰先奪取“量子霸權”,誰就掌握了技術制高點、標準制定權和輿論主導權,在産業競爭中佔據有利地位

  ◆“誰先開發出量子計算機,沒有的國家,就有可能經歷一場國家安全噩夢”

  ◆ 以企業和科研機構為先導,世界主要科技國家均已“參戰”

  ◆ 與量子通信的全面領先相比,中國的量子計算雖整體處于“第一陣營”,但只有個別方向“領跑”、大多處于“跟跑”

  因為量子,國際IT巨頭近期集體“躁動”了。繼去年底IBM搶先發布“50比特量子計算機樣機”、英特爾于今年初發布“49比特量子芯片”後,仍在研制的谷歌和微軟的“新量子武器”,日前已迫不及待“放風卡位”,稱幾周內將公布“裏程碑式”重大成果。

  這是一場關乎未來的信息生産力之戰。IT巨頭們急于搶佔的是第一制高點:量子霸權。在量子理論誕生118年之後,“第二次量子革命”的競爭進入關鍵階段。目前,以企業和科研機構為先導,世界主要科技國家均已“參戰”。

  量子理論發軔于1900年,當時的中國只能做看客;在20世紀下半葉“第一次量子革命”催生、興起至今的信息科技浪潮中,中國成為“後發快跑”的追趕者;在第二次量子革命的臨界點、加速段、窗口期,“中國量子軍團”能否成為破門者、引領者、勝利者?

  新世界顛覆舊秩序的轉折點

  相比傳統計算機,量子計算機是一種原理上的顛覆式超越。

  上世紀80年代,諾貝爾獎獲得者理查德·費曼等人提出構想,基于兩個奇特的量子特性——量子疊加和量子糾纏構建“量子計算”。

  傳統計算機通過控制晶體管的高低電平,決定一個比特是“1”還是“0”,組成數據序列串行處理。

  而疊加性讓一個量子比特可以同時具備“1”和“0”兩種狀態,糾纏性可以讓多個比特共享狀態,創造出“超級疊加”的量子並行計算,計算能力隨比特數增加呈指數級增長。

  理論上講,量子計算機可以將傳統計算機數萬年才能處理的復雜問題,幾秒鐘就解決。擁有300個量子比特,就能支持比宇宙中所有粒子數量更多的並行計算。

  而量子霸權,正是新世界顛覆舊秩序的標志性轉折點。這個“靶點”2011年由美國物理學家提出,意指當量子計算機發展到50個比特時,計算能力將超越全球最快的傳統計算機,實現“稱霸”。

  誰先奪取“量子霸權”,誰就掌握了技術制高點、標準制定權和輿論主導權,在産業競爭中佔據有利地位。

  這就是IBM、英特爾等企業急于推出50和49量子比特成果,並引起國際高度關注的原因。

  “霸權”競爭日趨激烈

  宣布重大突破的IBM和英特爾,是否已經實現或逼近量子霸權?答案是並沒有。

  數量夠了,質量不夠。多位業內專家介紹,量子霸權所指的50個比特,數量是一方面,更要看量子糾纏操縱精度、相幹特性、邏輯門保真度等指標,這才是主要難點。

  “實現量子霸權至少有兩個關鍵技術:比特數和糾錯容錯能力,不能保持脆弱的量子相幹性,無法實現真正意義上的量子計算。”中科院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦介紹説,近年來量子比特數研究進展較快,但糾錯容錯能力進展緩慢。

  美國得州大學奧斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿倫森表示,量子數量遠不是唯一的關鍵因素,加拿大D-Wave公司的産品已實現了2000個量子比特,但這些量子位似乎沒有足夠長的相幹時間,以至于該産品並沒有明顯勝過傳統計算機。

  “樣機”和“測試芯片”未獲認可。2017年度菲涅爾獎獲得者、中國科學技術大學教授陸朝陽認為,IBM發布的是“樣機”,沒有公布有價值的測試結果,並不被學界認可。只有經過嚴格的同行評議並在國際學術期刊上發表測試結果,才具權威性。

  國家“超級973”固態量子芯片項目首席科學家郭國平認為,英特爾發布的是測試芯片,測試結果還未可知。從英特爾的技術方案來看,實現量子霸權還有很長的路要走。

  “稱霸門檻”已經提高。量子霸權的指標定為50個比特,是因為當時認為模擬49量子比特是傳統計算機的極限。但去年10月,在美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的傳統計算機上,成功模擬了56比特的量子計算機。

  《瞭望》新聞周刊記者獲悉,近期中國的一個量子研究組再次刷新紀錄,可模擬超過60個比特的量子計算。這意味著,量子霸權的“門檻”已提高到60個以上,未來還可能提高。

  受訪學者們認為,幾大IT巨頭密集發布量子計算進展,很大程度上是出于商業目的,爭奪行業話語權和公眾眼球。但從側面也表明,量子計算加速發展,國際競爭日趨激烈。

  多國投入“戰局”

  盡管還未實現量子稱霸,但主流觀點認為,量子霸權時代必然會到來,這是一場誰都輸不起的競爭。

  在信息時代,量子計算技術一旦突破,掌握這種能力的國家,會在經濟、軍事、科研、安全等領域迅速建立全方位優勢。

  “如果説傳統計算機是機關槍,量子計算機就像核武器。”中科院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉説。

  美國馬裏蘭大學教授克裏斯托弗·門羅表示,“誰先開發出量子計算機,沒有的國家,就有可能經歷一場國家安全噩夢。”

  近年來,多個國家投入巨資啟動量子計算研發。

  去年10月,美國國會舉辦聽證會,討論如何確保“美國在量子技術領域的領先地位”。IBM投入30億美元研發量子計算等下一代芯片,微軟公司與多所大學共建量子實驗室。

  歐盟從2018年開始,投入10億歐元實施“量子旗艦”計劃。英國在牛津大學等高校建立量子研究中心,投入約2.5億美元培養人才。荷蘭向代爾夫特理工大學投資1.4億美元研究量子計算。

  日本計劃10年內在量子計算領域投資3.6億美元。加拿大已投入2.1億美元資助滑鐵盧大學的量子研究。澳大利亞政府、銀行等出資8300萬澳元在新南威爾士大學成立量子計算公司。

  各國攻關量子計算機的戰略已經明確,但實現路徑並不相同。目前在超導、半導體、光量子、超冷原子等多條技術路線上推進。

  “將來哪條路線能實現通用量子計算機,鹿死誰手還未可知。”郭光燦説。

  量子算法是另一個不確定因素。要發揮量子計算機性能,必須針對不同問題設計算法,目前國際上已在因數分解和無結構數據庫搜索兩個方面取得進展。

  “依靠因數分解能力,將來可以破解廣泛應用的加密算法RSA,那麼無論是信用卡、支付寶,還是正在興起的區塊鏈技術,都將被極大地動搖。”中科大副研究員、科技與戰略風雲學會會長袁嵐峰表示,算法的演進將深刻影響量子計算“戰局”。

  中國的機遇與挑戰

  憑借著潘建偉、郭光燦等領軍科學家及團隊的一係列重大突破,如今的中國已站在世界量子信息科研的舞臺中央。近兩年來,中國發射了世界首顆量子通信科學實驗衛星,首次實現千公裏量子糾纏,成功研發全球首臺超越早期經典計算機的光量子計算機。

  據英國政府的統計報告顯示,中國量子科研論文發表量排名全球第一、專利應用排名第二。在“第二次量子革命”的起步階段,中國異軍突起,躍入國際“第一陣營”。

  但與量子通信的全面領先相比,中國的量子計算雖整體處于“第一陣營”,但只有個別方向“領跑”、大多處于“跟跑”。

  據了解,在量子計算多條技術路線上,中國在光量子方向領先,在半導體、超冷原子方向稍落後,在超導方向明顯落後。如IBM、英特爾公布實現50個、49個超導量子比特,中國已公布的最高為10個。

  多位學者認為,面對群雄並起、充滿變數的復雜局面,中國的挑戰與機遇並存,應保持戰略定力與科技自信,發揮制度優勢。

  “如果説實現通用量子計算機像一場馬拉松,現在才跑了幾公裏。你前面領先,我後面有機會。”郭國平等人認為,關鍵的技術競爭還在後面。

  潘建偉介紹説,他十幾年前回國啟動量子通信研究的時候,不斷有人質疑:“這個東西這麼難,中國能做成嗎?”“發達國家還沒做,中國先做有風險嗎?”

  “這是一種‘科技不自信’,不太相信我們能做一些超越的事。”潘建偉説,得益于國家支持和“集中力量辦大事”的體制優勢,中國量子通信走到了世界最前列,他對量子計算同樣充滿信心。

  決勝未來,中國需組建“集團軍”

  在中國《“十三五”國家科技創新規劃》中,作為引領産業變革的顛覆性技術,量子計算機已被列入科技創新2030重大項目。

  業界普遍認為,未來5到10年是量子計算研究的窗口期和爆發期,決勝關鍵在于資源布局與協同。

  目前國際上研制量子計算機主要有兩種組織模式,一種是“公司驅動、市場導向”,一種是“科研驅動、目標導向”。

  第一種模式的代表有IBM、谷歌、英特爾等,公司與耶魯大學、加州大學等科研機構合作,以市場需求為導向推動成果商業化,帶動量子軟硬件技術發展。

  第二種模式包括中國等國家,以科研機構為主導,瞄準通用量子計算機的科研目標,對外尋求與企業合作推進産業化。

  受訪學者認為,這兩種模式各有利弊,但在量子計算機研究進入實用化、産業化的臨界點,中國應該統籌科研力量、深化産業協同。

  近期國內出現“量子熱”,多個地方布局量子研究,“招兵買馬”建實驗室。學者們認為,重視量子科研是好事,但如果大家都上馬,客觀上會分散資金和力量,造成重復建設。

  “量子科研做到現在,已經不是一個學者或一個團隊層面的競爭,而是成了國家綜合實力的競爭。”潘建偉説。

  “20年前,我曾經有些冒失地給錢學森先生寫信,希望他能像研制‘兩彈一星’一樣,牽頭組織攻關量子計算機。”郭光燦回憶,錢老回信説,他已經坐在輪椅上不能出來工作,但很支持這個想法。

  郭光燦建議,中國籌劃建設的量子信息國家實驗室應盡快落地,發揮體制優勢,協調各方力量全國“一盤棋”,“大家協同創新,在各自環節上做到最好,而不是每個團隊單打獨鬥。”

  産業化方面,目前中國有阿裏巴巴、中船重工等公司與中科大量子科研團隊開始合作,安徽省政府設立了100億元的量子産業投資基金。但無論是規模還是深度,與IBM、谷歌等組建的“量子産學研聯盟”都有較大差距。

  “要打贏量子霸權爭奪戰,不能做‘遊擊隊’,一定要組織‘集團軍’。”郭光燦説,量子計算機産業涉及硬件、軟件、標準、工程技術、用戶習慣等方方面面,需要政府支持、科研機構、企業合作乃至社會大眾的關注。只有凝聚優勢力量,創新運行機制,中國才能主導“戰局”,避免重走傳統計算機産業被動、跟隨的老路。(記者 徐海濤 刊于《瞭望》2018年第7-8期)

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【糾錯】 責任編輯: 陳俊松
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