全球「量子霸權」爭奪戰觀察

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，在產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於「第一陣營」，但只有個別方向「領跑」、大多處於「跟跑」

文/《瞭望》新聞周刊記者 徐海濤

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」、英特爾於今年初發布「49比特量子晶元」後，仍在研製的谷歌和微軟的「新量子武器」，日前已迫不及待「放風卡位」，稱幾周內將公布「里程碑式」重大成果。

這是一場關乎未來的信息生產力之戰。IT巨頭們急於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」。

量子理論發軔於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，基於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」，組成數據序列串列處理。

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複雜問題，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誌性轉折點。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，在產業競爭中佔據有利地位。

這就是IBM、英特爾等企業急於推出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、相干特性、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干性，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說，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公司的產品已實現了2000個量子比特，但這些量子位似乎沒有足夠長的相干時間，以至於該產品並沒有明顯勝過傳統計算機。

「樣機」和「測試晶元」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」固態量子晶元項目首席科學家郭國平認為，英特爾發布的是測試晶元，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，很大程度上是出於商業目的，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」

儘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。

「如果說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說。

美國馬里蘭大學教授克里斯托弗·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晶元，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。」郭光燦說。

量子演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演算法，目前國際上已在因數分解和無結構資料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演算法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，演算法的演進將深刻影響量子計算「戰局」。

中國的機遇與挑戰

憑藉著潘建偉、郭光燦等領軍科學家及團隊的一系列重大突破，如今的中國已站在世界量子信息科研的舞台中央。近兩年來，中國發射了世界首顆量子通信科學實驗衛星，首次實現千公里量子糾纏，成功研發全球首台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於「第一陣營」，但只有個別方向「領跑」、大多處於「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、充滿變數的複雜局面，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。

「如果說實現通用量子計算機像一場馬拉松，現在才跑了幾公里。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。

潘建偉介紹說，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。」潘建偉說，得益於國家支持和「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，作為引領產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，決勝關鍵在於資源布局與協同。

目前國際上研製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，帶動量子軟硬體技術發展。

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產業化。

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、產業化的臨界點，中國應該統籌科研力量、深化產業協同。

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，造成重複建設。

「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。」潘建偉說。

「20年前，我曾經有些冒失地給錢學森先生寫信，希望他能像研製『兩彈一星』一樣，牽頭組織攻關量子計算機。」郭光燦回憶，錢老回信說，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儘快落地，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。」

產業化方面，目前中國有阿里巴巴、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100億元的量子產業投資基金。但無論是規模還是深度，與IBM、谷歌等組建的「量子產學研聯盟」都有較大差距。

「要打贏量子霸權爭奪戰，不能做『游擊隊』，一定要組織『集團軍』。」郭光燦說，量子計算機產業涉及硬體、軟體、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產業被動、跟隨的老路。LW

刊於《瞭望》2018年第7-8期

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