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三国逐鹿量子计算|科技创新世界潮

2021-07-20 09:13:22      点击:704    评论:0      来源:科技日报

量子计算机将在新药研发和密码破解等各方面超越传统计算机,对产业界和国家安全战略产生巨大影响,引发各国政府高度关注,美国、中国和日本等国都开始发力。

今年6月28日,中国科学技术大学潘建伟院士团队在预印本网站arXiv发表论文称,“祖冲之号”最短能在1.2小时内完成世界最强超级计算机8年才能完成的任务;美国谷歌公司希望2029年能研制出首台商用量子计算机;日本政府5月宣布,计划与东芝、日本电气公司、富士通等约50家日本企业合作成立量子研究团体,以推动量子技术的发展。

三国逐鹿量子计算机研制领域,谁领风骚?

市场潜力足 战略意义大

量子计算机在执行某些大规模计算时,速度比最好的传统计算机快得多,能在密码破译、大数据优化、天气预报、药物分析等领域“大显身手”。

《日本经济新闻》7月6日报道,如果借助量子计算机开发出划时代的电池和药物,将让全人类受益。发展到更高水平,量子计算机有望破解网络密码,从而影响安全,而掌握量子技术的国家将在高科技领域掌握主导权。

美国波士顿咨询公司的数据显示,到2050年,量子计算机有望创造8500亿美元的利润。日本《设计新闻》网站也在7月6日的报道中指出,未来30年,量子计算机市场预计价值1万亿美元。

美国:2029年研制出商用量子计算机

正是量子计算机的潜能和“财”能,使政府、企业和科学家“竞折腰”。

谷歌公司今年5月公布了正在推进的量子计算机开发计划,目标是2029年研制出首台商用量子计算机。

其实早在2019年,谷歌就利用其53个量子比特的量子计算机“悬铃木”,在200秒内解决了最尖端超级计算机“顶点”(Summit)需要花1万年才能解决的问题,成功实现了“量子霸权”的突破性进展——“量子霸权”用来表示“在存储和通信带宽呈指数级增加后,量子计算机拥有传统超级计算机所不具有的能力”。

而令谷歌公司心心念念的是“作为通用产品的量子计算机”,他们希望借其解决现有计算机束手无策的各种难题,如帮助开发应对气候变化的新材料、抑制全球大流行病的药物等。

要解决设想中的难题,现在的量子比特数远远不够,谷歌计划将量子比特的数量增至100万个,还将解决计算时出错这一最大的难题。但增加量子比特意味着计算机的布线和控制更困难,因此需要大规模技术创新,为此谷歌已在美国加州设立了新的研发基地。

另据《科学》杂志报道,去年9月美国IBM公司称,将在2023年前建造一台包含1000个量子比特的量子计算机,同时提高容错率。

从国家层面来看,2018年,美国在以量子计算机为核心的量子信息科学领域敲定了国家战略,实施了在5年里最多投入13亿美元的美国《国家量子倡议法案》。

中国:弯道超车实现“量子霸权”

《设计新闻》网站的报道指出,制造量子比特有几种不同方法:超导、光子、离子阱和半导体(硅)中的电子自旋。

目前,谷歌和IBM一直致力于利用零电阻超导电路开发量子计算机,其核心研究目标是增加可操纵的量子比特数量,并提升操纵的精度,最终应用于实际问题。

在这方面,中国已经后来居上。据《科学》杂志报道,今年5月,潘建伟院士团队宣布成功构建了目前超导量子比特数目最多、包含62个比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”,并实现了可编程的二维量子行走,在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用。今年6月,研究团队再接再厉,成功将“祖冲之号”从62超导量子比特提升到66超导量子比特,从而最短能在1.2小时内完成世界最强超级计算机8年才能完成的任务。

除超导方式外,中国科技大学早在2020年就采用光子的方式继谷歌之后实现了“量子霸权”:成功构建了76个量子比特(光子)的量子计算原型机“九章”。据悉,当求解5000万个样本的高斯波色取样时,目前世界最快超级计算机预计耗时6亿年,而“九章”仅需200秒。

研究团队表示:“希望能够通过15年到20年的努力,研制出通用量子计算机,以解决一些广泛应用的问题,如密码分析、气象预报、药物设计等,同时进一步探索物理、化学、生物学领域的一些复杂问题。”

此外,阿里巴巴集团也将开发量子计算机。2015年该公司与中国科学院成立了量子计算实验室,2018年推出了能通过云平台使用的服务。

日本:另辟蹊径加快步伐

日本也不甘示弱,加快了量子计算机研制的步伐。今年4月,日本富士通公司宣布将与理化学研究院(RIKEN)合作,在后者现有的高级超导量子计算技术研究基础上,在未来几年内打造出拥有1000量子比特的量子计算机。

另据《日本经济新闻》5月报道,以丰田、东芝和日本电气公司为代表的50家企业计划成立量子技术研究协议会,以推进量子技术的发展。

但日本量子计算机的研制路线与中美并不完全相同。谷歌等企业采用名为“量子门”的方式来开发量子计算机,这种量子计算机被称为“通用型”,因为它可以处理任何计算任务,但缺点是量子比特很难保持稳定,而且难度随量子比特数目的增加而增加。

而在日本备受期待的是被称为“量子退火”的方式。这种量子计算机的特点是能快速从庞大的选项中找出最佳答案,且比量子门方式更稳定。但应用量子退火算法的量子计算机,不再是通用型量子计算机,而是解决组合优化问题的专用机器,也被称为特化型量子计算机,包括日本电器公司在内的日本多家公司目前都在探索这一方式。

据日媒2019年7月报道,日本国立情报学研究所开发的量子退火机,拥有超过现有量子计算机的性能。NEC在2018年12月宣布了一项量子退火机研发计划,最终目标是打造出能够支撑10万个量子比特的量子退火机。

尽管研发工作开展得如火如荼,但量子计算机距离严格意义的大规模商用还有待时日。科学进步从来都是漫长的苦旅,要研制出易创建、易管理和扩展的商用量子计算机,还需各国加大投入,研究人员上下求索。

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