超算耗時100年，量子計算僅需0.01秒，中國做得如何？丨兩會嘮科-今日必看

超算耗時100年，量子計算僅需0.01秒，中國做得如何？丨兩會嘮科

來源：西紅柿釋出時間：2023-03-03 14:41

“兩會嘮科”是由騰訊科技推出的兩會特別策劃，重點講述中國科技咭片。本期與科技雲報道聯合出品，聚焦中國量子計算研究成果和相關進展。

全球越來越多的國家加入到量子科技領域的競賽當中，爭奪下一步的技術戰略制高點。

今年兩會，全國人大代表、中國科學院量子資訊重點實驗室副主任郭國平就計劃提出量子領域人才培養題目。他建議，打造體系化、高層次量子科技人才培養平臺，完善科技人員績效考核評價機制，建立以信任為條件的頂尖科學家負責制。

過去20多年，中國在量子計算領域進行了全方位的佈局，在量子計算基礎理論、物理實現體系、軟體演算法等領域均開展研究，併成為獨一在超導和光量子方向上都達到“量子霸權”的國家。

毫無疑問，量子計算已經成為中國硬科技的一張咭片。

儘管成績顯赫，但量子計算攻堅作為一場持久戰，也還有許多題目有待突破和解決，包括技術落地難、工業配套不齊全、人才短缺等題目，需要大家理性、客觀的認知。

各國爭奪算力“核武器”

對於大多數人而言，量子計算是一個頗具科幻色彩的詞彙。

普通老百姓最接近量子計算概念的時刻，大約是國產電影《飄流地球2》中的智慧量子計算機MOSS。

要理解什麼是量子計算，以及為什麼量子計算對於各個國家如斯重要，可以從當下普遍使用的經典計算機入手。

在經典計算機中，資訊是以二進位制程式碼（0和1）的形式暢通流暢的，就是所謂的位元。

假如每個位元不用數字傳遞，而是改用一個粒子來傳遞的話，那麼就可以大幅度推進計算機的微型化，即量子計算機。

這種技術理論來源於20世紀初人類歷史上最偉大的科學革命之一——量子力學，它構成了描述基本粒子現象的理論基礎。

20世紀90年代以來，跟著人們可以對光子、原子等微觀粒子進行主動的精確操作，量子計算技術也隨之誕生。

不同於經典計算機依賴“位元”（0和1）來處理資訊，支撐量子計算的“量子位元”是微小的亞原子粒子，可以同時存在於某種比例的兩種狀態，就像一枚硬幣在半空中旋轉，遵循三進位制（0、1、2）的計算方法。

其中，0和1是確定狀態，2在量子力學中一般被稱為疊加態，是n個狀態的疊加。

在量子計算機的執行過程中，“2”的存在使得量子計算機可以在同一時間處於n種狀態中。

舉個例子，假設存在一臺有四個位元的傳統計算機，這臺計算機每一秒只能得到一個狀態，也就是0000或0101，那麼想要獲得所有狀態就需要16秒。

但是，有一臺四個量子位元的量子計算機，它可以同時計算從0000到1111的所有排列組合，這意味著量子計算機只需要1秒鐘就可以輸出16種狀態，相當於16臺傳統計算機同時執行的效率。

這種從二元處理到多元處理的奔騰，成倍地進步了計算能力。

中國科學院院長白春禮院士曾表示，使用億億次的天河二號超級計算機求解一個億億億變數的方程組，所需時間為100年。而使用一臺萬億次的量子計算機求解同一個方程組，僅需0.01秒。

跟著位元數的增加，量子計算機與經典計算機之間的機能差距呈指數級增長，量子計算的速度可以達到傳統計算瞠乎其後的高度。

中科院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉曾經說過，“如果說傳統計算機是機關槍，那麼量子計算機就像核武器。”

恰是因為量子計算極大超越了經典計算機的超平行計算能力，在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納製造等領域具有凸起上風，一旦突破量子計算技術，把握這種能力的國家和主體，便會在經濟、軍事、科研、安全等領域迅速建立全方位上風。

例如，美國國家反情報和安全中央（NCSC）以為，大規模的量子計算機可以任何破解加密系統，嚴重威脅國家資訊保安。

如斯遠景之下，全球主要國家都在量子資訊領域加強科技政策佈局，推出發展戰略和研究專案規劃，加大公共研發資金的支援投入力度，推動量子技術從“基礎到市場”。

2018年12月，美國啟動了為期10年的《國家量子步履法案》，計劃5年投資超30億美元；

歐盟於2018年10月正式實施“量子技術旗艦專案”，總經費超過40億歐元；

英國於2016年啟動“國家量子技術專項”，迄今總投入已超過10億英鎊；

2018年9月，德國政府透過“量子技術：從基礎到市場”國家量子技術框架計劃，在2018—2022年內投入6.5億歐元，在新冠肺炎疫情後又追加了20億歐元。

相較之下，中國在量子資訊領域公共投資方面處於全球領先地位。

2017年，中國投資超100億美元在合肥市建造了世界上最大的量子研究舉措措施——量子資訊科學國家實驗室；至2022年，該實驗室投資達到近150億美元。

在國家政策層面，2021年，量子資訊作為“關鍵技術”被寫入“十四五規劃”；2022年，中心經濟工作會議指出加快新能源、人工智慧、生物製造、綠色低碳、量子計算等前沿技術研發和應用推廣。

量子計算作為未來算力的“核武器”，已成為世界各國和地區力圖搶佔的戰略制高點。

中國進入“第一梯隊”

如今在量子計算發展上，全球各國已開啟了排位賽，假如從技術水平來看，畢竟哪個國家實力最強？

對於量子計算的研究，業界公認有三個指標性的發展階段：

第一階段的目標是實現量子計算優越性（又稱“量子霸權”），即量子計算機對特定題目的計算能力超越超級計算機。

研究表明，當量子計算可控制的量子位元數目超過60-70個後，就可以達到一定的量子優越性，這一目標已經有美國、中國和加拿大先後達到。

目前，國際上最高記實來自美國IBM推出的量子計算晶片，可高達433個量子位元，而中國最新推出的量子處理器擁有121個量子位元。

第二階段的目標是實現專用的量子模擬機，可以應用於組合最佳化量子化學、機器學習等特定題目，來指導材料設計、藥物開發等。

要達到這一階段，按照目前的估計還需要5到10年，是當前學術界主要的研究任務。

第三階段是在實現量子糾錯的基礎上，構建可程式設計通用量子計算機。因為技術上的難度，何時實現通用量子計算機尚未明確，學術界一般以為還需要15年至20年，甚至更長的時間。

在技術路線方面，各國科學家都在探索基於多種不同物理體系的量子計算研究，好比超導量子位元體系、光學體系、離子阱體系、超冷原子體系……

目前，中國是獨一在超導和光量子方向上都達到“量子計算優越性”的國家，而諸如離子阱、矽自旋等技術路線的研究同樣在進行中。

據業內專家透露，在超冷原子體系上，我國目前整體與歐美髮達國家處於並跑狀態，在規模化原子糾纏的製備與操作，對自旋軌道耦合、超冷分子反應等的量子模擬方面取得了系列重要成果，為解決若干經典計算機難以勝任的複雜題目奠定了基礎。

總的來看，我國對量子計算的研究與發達國家處於統一階段，已進入國際“第一梯隊”。

目前，中國已完成了所有重要量子計算體系的研究佈局，成為包括歐盟、美國在內的三個具有完整佈局的國家(地區)之一。

不僅如此，中國的量子技術專利數目也在快速增長。

據IPRdaily2022全球量子計算技術發明專利排行榜（TOP100）榜單顯示，截至2022年10月18日，入榜前100名企業主要來自18個國家和地區，美國佔比40%，中國佔比15%，日本佔比11%。

其中，美國公司IBM以1323件專利位列第一，美國公司Google和加拿公司D-Wave分別以762件專利、501件專利排名第二位和第三位。

中國公司本源量子以234件量子計算專利數目排名中國第一、世界第六，超越了排名世界第七的英特爾公司。

榜單還顯示，從2020年到2022年，中國的量子計算技術發明專利由137件增長至804件，實現約五倍增長。

同時，更多中國公司開始進入Top 100榜單，如：本源量子、百度網訊、浪潮、騰訊科技、華為、阿里巴巴、圖靈量子等。

儘管中國的量子計算專利數目正在快速增長，但這並代表中國在量子計算技術上已經領先美國。

與IBM、Google這些量子計算賽道里面最強的美國團隊比擬，以本源量子為代表的中國團隊，目前仍舊處於追趕國外一流水平的地位。

正如郭國平所說，在量子計算技術研發上，中國還有很高的科學高峰需要攀登。

產業化臨界點來臨

近年來，中美等國陸續實現量子優越性，並交付出工程化的量子計算機整機，這標誌著量子計算踏入了發展的第二階段，為實現通用量子計算奠定了基礎。

技術突破，讓量子計算不再只是一個實驗室產物，而是有可能解決實際題目，甚至有望顛覆一個行業，創造一個全新的行業。

上海交大整合量子資訊科技研究中央（IQIT）主任、圖靈量子創始人金賢敏以為，在海內，量子計算產業化已是合法其時。

除了國家之間科技競爭的需求外，量子計算已經到了走出實驗室的臨界點。

百度量子計算研究所所長段潤堯也表示，“假如我們能夠突破這個臨界點，後面就能夠得到數百個量子位元，就可以在一些人工智慧、組合最佳化的應用上產生效果”。

這就不能不提，IBM在量子計算軟體發展路線圖中預計，到2030年量子計算可能達到上百萬量子位元，這標誌著量子計算機即將實現商業化。

若以2030年為量子計算商用元年，基於賽迪《2021量子計算技術創新與趨勢瞻望》呈文測算，預計2030年全球量子計算市場規模將達到140.1億美元，並以30%左右的增速平緩上漲，至2035年預計會達到489.7億美元的量子計算市場規模。

巨大的市場潛力，吸引了許多投資機構和科技企業，但願在量子計算產業化早期的階段就介入進來。

國際頭部科技網際網路企業如：谷歌、IBM、微軟、英特爾、霍尼韋爾等均圍繞量子科技展開佈局。

海內方面，阿里、騰訊、百度、華為近年來先後佈局量子計算，如：阿里推出了量子模擬器“太章”；百度成立了量子計算研究所；華為推出了“崑崙”量子計算模擬一體機。

同時，創業公司也正在跑步入場，全球不斷有量子計算公司在拿到大額的融資：

2022年，來自歐洲的超導量子計算公司IQM公佈獲得世界基金(World Fund)領投的1.28億歐元A2輪融資，在7月重新整理了歐洲量子計算公司的融資記實；

緊接著，海內的本源量子公佈正式完成近10億元的B輪融資，登頂當年全球量子計算融資榜首。

此外，加拿大的光量子計算公司Xanadu獲得了1億美元的融資，美國中性原子量子計算公司Atom Computing獲得了6000萬美元的融資，牛津量子電路公司(OQC)公佈A輪融資3800萬英鎊，以色列量子演算法設計平臺提供商Classiq公佈B輪融資3300萬美元，法國量子計算公司Alice & Bob也拿到了2700萬歐元融資……

而海內也在展開融資競爭賽，近一年來，海內已有9家量子計算企業獲得融資，融資額在億元以上的就有5家，包括量旋科技、圖靈量子、華翊量子、未磁科技、本源量子。

這些量子計算公司融資的特點是，不僅金額大，一線機構多，還表現在融資輪次密。

據光子盒研究院呈文資料，2021年量子科技公司完成融資共計49筆，全年融資總額近32億美元（約202億人民幣），是2020年全年融資規模的3倍多。

在應用層面，景象形象、金融、石油化工、材料、生物醫藥、汽車交通等眾多行業已開始關注和正視到“量子計算”的巨大發展潛力，並開始與量子計算企業進行合作探索。

不外值得注意的是，量子計算的各種技術路才剛起步，商業化遠景仍舊存在不確定性。

華映資本治理合夥人章高男表示，量子計算遠沒有實現技術收斂，且10年之內肯定無法在普通貿易環境中跟傳統計算抗衡。

量子計算攻關在即

顛覆性的技術上風以及空前的市場想象力，引發資本押注量子計算，但也面臨著諸多客觀的挑戰和困難。

以海內量子計算工業為例，仍面臨著技術落地難、工業配套不健全等方面的挑戰。

例如，目前量子計算在運算過程中難以提供不亂的算力；量子位元的數目固然已達到了量子優越性，但量子糾纏的操作精度、糾錯容錯能力仍然不夠等。

從產業鏈來看，量子計算裝置供應商主要以國際公司為主，特別是稀釋製冷機和低溫同軸線纜。

在晶片製造方面，目前海內量子晶片的製造過程主要是在實驗室完成，但國際上一些領先的量子計算團隊已經在工廠製造量子晶片。