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全球量子争霸赛白热化

李曦子

2018年07月09日09:17  来源:人民网-国际金融报

近日,美国众议院科学、太空和技术委员会披露了一项法案,拟推动“国家量子计划”项目。

量子技术是当前世界上最具颠覆性的前沿技术之一,已经成为世界主要国家进行高新技术竞争的重要领域。

目前该项法案尚待国会批准。而除了美国,此前英国、欧盟都相继推出过国家战略层面的量子计划,谷歌等大型科技巨头也先后加入百亿美元量子计算市场的角逐。

美国立法推动“国家量子计划”

量子是现代物理的重要概念,最早由德国物理学家普朗克在1900年提出。

通俗地讲,量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元,分子、原子、光子等微观粒子都是量子的表现形态。

量子通过叠加和纠缠等特性催生了量子探测、量子通信、量子计算等技术应用领域。而量子技术有望成为未来各国竞争的制高点。

对此,美国或将推出为期10年的计划,加大对量子信息科技的投资,建设科技人才通道,加强政府内部协调及政府与业界、学界间的资源共享。

法案提出,2019到2023财年授权美国国家标准与技术研究院、美国国家科学基金会和美国能源部获得12.75亿美元预算,用于开展量子信息科技研究。其中,美国国家标准与技术研究院负责制定量子技术发展所需标准,美国国家科学基金会支持人力资源建设,美国能源部将成立5个“量子信息科研中心”,加速科技成果突破。

法案还建议成立国家量子协调办公室,对接政府机构与学术界、产业界,推动相关技术的早期应用。

美国科学院院士、马里兰大学物理学家克里斯·门罗作为开发量子计算机的公司创始人之一,曾表示:“美国是唯一没有在这一领域作出重大决定的大国。”

从去年6月起,包括门罗在内的一小部分学者、公司高管和说客发布了一份白皮书,呼吁制订国家量子计划,他们在今年4月发布了一份计划蓝图。去年10月,众议院科学委员会举行了以此为主题的听证会,并计划在7月晚些时候发布一项在蓝图基础上经过广泛意见征求的法案。

支持者认为,美国需要更好的计划才能获得量子研究的潜在成果,并与全球竞争对手保持同步。

科学委员会主席拉马尔·史密斯日前在一份有关该法案的声明中表示:“我们必须确保美国不落后于推动量子计划的其他国家。”

国家量子计划建议研究中心侧重三个领域:开发用于生物医学、导航和其他应用的超精密量子传感器;防黑客量子通信;量子计算机。但具体的研究重点,可能要留给联邦政府、新的白宫量子领导小组以及外部咨询小组共同决策。

美国国家标准与技术研究院院长沃尔特科·潘说,长期以来,作为领导者的美国正面临量子领域的全球竞争。“这相当于当年的太空竞争,应该将联邦资源集中起来,如果做好了,对美国来说意义非凡”。

欧洲国家先发制人

事实上,在美国拟推出量子计划之前,欧洲国家早已开始了行动。

早在2013年,英国政府就宣布将在此后5年内投资2.7亿英镑,加速量子技术的商业化进程。2015年,英国发布了《英国量子技术路线图》。2016年,《量子技术:时代机会》报告认为,人类正处在第二次量子革命的前夜,选定了原子钟、量子成像、量子传感器和测量、量子计算和模拟以及量子通信作为五大重点研发领域。

英国政府首席科学顾问马克·沃尔帕特表示,这些领域“具有生产新产品和服务的潜力与价值”。

2016年4月,欧盟提出了量子计划,作为云计算的一部分,被列入欧盟委员会当时的10年10亿欧元计划中。德国乌尔姆和斯图加特大学综合量子科学与技术中心物理学家Tommaso Calarco 认为,量子技术计划将会不同于传统项目的封闭模式,量子计划项目将全程保持开放,这将有助于保持高水平的学术竞争,并能更灵活地资助最优秀的研究人员。他希望开放的量子项目能鼓励成员国投资,从而争取到更多的研发经费。

欧盟量子计划将包括支持更容易市场化的系统,比如量子通信网络、超灵敏的照相机、能帮助设计新材料的量子模拟器等。同时,它也将关注长期项目,比如通用量子计算机以及手机用高精度传感器等。

自欧盟量子计划推出以来,匈牙利、奥地利和德国也纷纷宣布了各自的国家量子技术计划。

目前欧盟量子计划面临的一个问题是英国脱欧。作为欧洲最强大的量子技术研究体之一,Calarco指出,英国是少数几个国家量子技术计划中有工业界公司参与研究的国家。

英国政府承诺为现有的欧盟量子项目提供资金,这至少意味着早期投资将得到保证。不过,下一轮融资应该会在退欧谈判的很久之后才会被考虑。

哈尔滨工业大学物理系量子计算讲师应涛在接受《国际金融报》记者采访时表示,“在量子世界中,事物遵循量子规律,展现出日常生活中难以看到的现象。人们在研究这些奇特现象的时候,发现这些量子规律可以应用到日常生活中,而且可以做到过往技术做不到的事情。量子科技是目前世界上最为前沿的科技方向之一,这也是各国都很重视量子领域发展的原因,其在通信、超级计算机、军事等方面也有显著优势。”

“目前欧洲在量子研究中处于领先位置,美国在加大投入,但中国有后来居上的趋势。”应涛说。

科技巨头逐鹿百亿美元市场

除了国家层面的量子计划外,大型科技巨头也已开始在量子计算领域发展布局。

传统计算机只能按照时间顺序一个个地解决问题,而量子计算机可以同时解决多个问题。应涛告诉《国际金融报》记者,量子计算能够突破经典计算机所面临的计算速度和存储能力的瓶颈。而在当今信息爆炸的时代,计算速度和存储能力是非常关键的。

超高速的运行能力,使得量子计算机得以在如人工智能、分子模拟、密码学、金融建模、天气预报、粒子物理学有广阔应用前景。

据摩根士丹利报告显示,未来十年,量子计算机将改变许多产业,预估高端的量子计算市场到2025年达到百亿美元规模。量子计算目前的主要参与者包括IBM、谷歌、DWave,以及英特尔、微软、麻省理工、耶鲁、牛津、加州大学圣芭芭拉分校等。

微软、IBM、Google近年来陆续发展了相关技术,希望达到“量子霸权”的目标。

“量子霸权”,是加州理工学院物理学家 John Preskill 发明的词。通俗的解读是,超级计算机目前的计算能力相当于拥有 5 到 20 个量子位的量子计算机,但当量子芯片的量子位达到约 49 个以上时,量子计算机的能力会彻底地将超级计算机甩在身后。

2017年底,IBM宣布研发出50量子比特的量子计算原型机。

今年初,谷歌展示了最新研制的72量子比特量子处理器“狐尾松”,并称利用量子纠错对其进行了优化。

事实上要实现实现量子霸权,除了量子比特,还需要低错误率。一台很快但错误率很高的量子计算机,还不如经典的超级计算机。

根据谷歌的说法,量子计算机的最低错误率必须在1%以内,并且有接近100个量子比特的规模。目前看,在错误率上,谷歌在72位量子计算机上已经实现了这个目标,单量子比特门为0.1%,双量子比特门为0.6%。

微软则专注于拓扑量子计算,认为这一路径不易受“噪声”影响。去年,科学家宣布发现马约拉纳费米子的存在证据,微软希望它能成为一种更稳定的量子信息编码方式,计划利用这种费米子制备稳定的量子比特。

英特尔也同时进行超导量子计算和硅量子点研发,在2018年美国拉斯维加斯消费电子展(CES)上发布了具有49量子比特的超导量子测试芯片。

IBM负责量子战略和生态的副总裁罗伯特·苏托尔认为,“量子霸权”这一概念本身并不具有太大意义,怎样利用量子计算机帮助人类解决金融、物流、医药等行业实实在在的问题,才是量子计算真正的发展方向。

大规模商用还需要时间

波士顿咨询公司(BCG)预测,量子计算在接下来的25年内将经历三个阶段的发展,最终走向技术成熟。其中,第一代量子计算将被企业用于解决特定的实际业务和研发需求。

BCG还预计,2030年之后,量子计算的发展将显著加速,应用市场规模可达500多亿美元。2031年到2042年,量子计算机将在模拟、搜索和运算中执行高级功能,实现各类商业应用,对比经典计算机具有明显的优势。

应涛认为,量子技术最大的发展前景是与人工智能的结合。“人工智能是让机器自己学习解决问题,而量子计算机现在的计算能力已经超越了其他所有计算机。这两者的结合具有巨大的潜力,也是未来发展的必然趋势。虽然目前这两个技术发展得都还不成熟,但二者的结合是必然的,也会是今后发展的主流”。

但是,目前量子技术的发展也存在一些挑战。谷歌曾表示,“当我们可以实现几十乃至几百万量子比特0.1-1%的错误率时,量子计算机将开始真正高效地解决实际问题。但这可能需要十年或者更久的时间。所以在制造出大规模量子比特量子计算机之前,也许只会先实现一些小型的商用量子计算机,或者量子计算商业应用。”

应涛也表示,“量子计算机的存储能力是经典计算机的2的N次方倍。所以如何提高N的数值,即如何能够实现较大量子比特的控制是一个挑战。另外一个就是信息安全的问题。这是一个很严肃的问题,因为随着量子计算的能力越来越强,所有依赖于计算复杂度的经典加密算法原则上都会被破解。”

(责编:陈键、吕永奇)

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