量子计算技术研究步入“关键期”
吴冰冰 2018-12-04 人民邮电报
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量子计算凸显战略意义,多国纷纷布局竞争加剧

计算能力是信息化发展的核心,随着社会经济对信息处理需求的不断提高,以半导体大规模集成电路为基础的经典计算在性能提升方面面临瓶颈。量子计算利用量子叠加和纠缠等物理特性,以微观粒子构成的量子比特为基本单元,通过量子态的受控演化实现数据的计算处理,理论上具有经典计算无法比拟的超强信息携带和并行处理能力,未来或将成为科技加速演进的“催化剂”,对物理及化学等基础科学研究、新型材料与医药研发、信息安全与国防建设、资源勘探与人工智能等众多领域产生重大影响。

近年来,全球多国加快量子信息技术研究与应用布局,竞争态势日益明显。美国近十年来以每年2亿美元的投入力度持续支持量子信息各领域研究发展;欧盟今年已启动10亿欧元规模的“量子旗舰”项目,重点支持量子计算、模拟、通信和传感四大领域;我国2016年起设立国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项,并筹建量子信息科学国家实验室;此外,英国、荷兰、澳大利亚、瑞典也纷纷出台相关政策或项目支持。在全球竞争加剧、量子计算技术产业加快发展的背景下,美国今年6月推出了《国家量子行动计划(NQI)》法案,将在原有基础上每年新增投入,进一步加快推动量子信息技术研发应用,并在今年11月将量子计算列入出口管制框架。

量子计算正处于技术攻关关键阶段,专用机未来几年可能率先突破

量子计算包含处理器、编码和软件算法等关键技术,近年来发展加速,但仍面临量子比特数量少、相干时间短、出错率高等诸多挑战,目前处于技术攻关和原理样机研制验证的早期发展阶段,超越经典计算的性能优势尚未得到充分证明。量子处理器有超导、离子阱、半导体、中性原子、光量子、金刚石色心和拓扑等不同技术路线,每种路线各有优劣势,现阶段超导和离子阱发展相对领先,但尚无任何一种路线能够完全满足实用化要求并趋向技术收敛。另外,量子系统非常脆弱,极易受材料杂质、环境温度等影响引发退相干效应,量子编码技术将多个“物理比特”构造为能够纠错的“逻辑比特”,是克服退相干难题和量子系统脆弱性的有效手段。然而现有量子编码方式的阈值高效率低,技术尚未突破,正处于向第一个“逻辑比特”迈进的关键阶段。量子软件和算法是硬件处理器充分发挥计算能力和解决实际问题的神经中枢,开发设计需紧密结合量子叠加、纠缠等物理特性,不能从经典计算中直接移植。目前量子计算算法典型包括Shor和Grover算法等,数量有限,只在部分经典计算难以解决的复杂问题上具备理论优势,并非普适于解决所有问题。

从应用范围的角度,量子计算机可分为通用量子计算机和专用量子计算机。通用机用于解决普遍问题,需要上百万甚至更多物理比特,并具备容错能力以及各类软件算法的支撑,其实用化将是长期渐进过程。专用机用于解决特定问题,只需相对少量的物理比特和特定量子算法,实现相对容易且存在市场价值。业内专家预测,未来五年左右量子专用机有可能在模拟、优化等领域率先取得突破。

量子计算领域美国全面领先,我国加速发展仍存差距

美国已形成政府、科研、产业和投资力量多方协同的良好局面,取得系列重要成果并建立领先优势。科研领域顶尖人才聚集,加州大学、马里兰大学、哈佛大学和耶鲁大学等研究机构取得大量原创性和开拓性研究成果。谷歌、IBM、英特尔和微软等科技巨头成为推动量子计算原理样机研发加速的重要力量。从技术路线来看,谷歌、IBM致力于超导体系,英特尔同时涉猎硅半导体和超导体系,微软布局全新的拓扑路线。从研究成果来看,量子比特数量由2015年的9位迅速拓展至今年3月谷歌宣布的72位,3年内提升8倍,迭代速度明显加快。从发展模式来看,科技巨头在全球范围内联合优势资源展开广泛合作,谷歌2013年联合美国国家航空航天局成立人工智能实验室,与D-Wave合作开展量子退火模拟专用机研究;2014年与美国加州大学圣塔芭芭拉分校顶尖科研团队合作,布局通用量子计算机研发攻关;2017年与创业公司Rigetti Computing合作推出开源量子计算软件平台。英特尔与荷兰QuTech研究所、德国马普量子光学中心、美国国家标准技术研究院等研究机构联合推进硅半导体量子计算。微软与荷兰QuTech研究所、丹麦玻尔研究所等合作攻关拓扑量子计算。IBM则基于量子计算云平台与金融、汽车、电子、材料等不同领域的合作伙伴探索产业应用,推动量子计算初具产业生态。

我国在量子计算基础理论、物理实现体系、软件算法等领域均有研究布局,中国科学技术研究院、中国科学技术大学、清华大学、浙江大学等研究机构近年来取得一系列具有国际先进水平的研究成果,为我国量子计算发展奠定了坚实基础。从各国高水平SCI论文总量和热点论文来看,美国位列第一,中国、德国分列第二和第三位;在被引次数方面,中国紧随美国、德国和英国之后。近期代表性研究成果,如中科大分别实现了光量子体系18比特纠缠和半导体体系3比特逻辑门等。阿里巴巴、腾讯、百度和华为开始关注和投资量子计算领域,并发布量子计算云平台;国内首家量子计算初创企业合肥本源量子于2017年成立,为研究和应用注入了新动力。我国在量子计算领域虽已取得一定成绩,但仍存在一些不容忽视的问题与挑战。第一,我国量子计算研发由研究机构主导,科技企业进入晚、参与度有限,初创企业偏少,整体发展模式仍在摸索,多方尚未形成合力。第二,量子计算机研制属于巨型系统工程,涉及众多产业基础和工程实现环节,我国在高质量材料样品、结构工艺、制冷设备和测控系统等领域落后于领先国家,存在关键环节受制于人的风险。

量子计算未来发展挑战与机遇并存,我国应加大投入聚力攻关

未来几年,量子计算技术作为全球科技热点将持续研究、加速发展,量子处理器路线方案不断明朗,量子比特数量、质量和纠错能力进一步增强,专用量子计算向实用化靠近,全球竞争态势进一步加剧。我国量子计算技术发展具有良好的研究基础和广阔的应用空间,应加大投入聚力攻关,促进优势资源形成合力,进行关键技术研发并补齐产业基础短板,抢抓“机遇窗口”期,从而赶超国际先进水平。