中國量子計算機研制到了關鍵時刻

　　“量子計算機何時能夠被研發(fā)出來?”

　　十幾年前，中國科學院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦向國外同行拋出這個問題時，得到的答案是：“也許明天早上，也許要等上50年，也有可能我們這輩子永遠都看不到。”

　　而如今，這個問題的答案已經不那么不確定了。比爾·蓋茨認為，10年內量子計算機可望用于云計算;歐洲科學家起草的《量子宣言》則預計，通用型的量子計算機可能會在2035年之前建造出來。

　　“量子計算機已經從開始大家懷疑的‘能不能做出來’到了‘早晚能做出來’的階段。而且快則10年、15年就會實現。因此，量子計算機研制已經到了一個關鍵時期。”郭光燦在近期舉行的中國科學院學部“科學與技術前沿”論壇上如是說。

　　大有可為

　　全球正在掀起一場“量子技術熱”。而一個主流共識是，量子計算和量子計算機是量子信息技術領域最重要的方向。中國科學院院士、中科院國家數學與交叉科學中心主任郭雷在上述論壇的致辭中強調了量子計算機的戰(zhàn)略地位：“量子計算機的研制已經列入世界高新技術的戰(zhàn)略制高點，成為科技強國崛起的重中之重。量子計算機必將掀起一場劃時代革命，一旦人類掌握這種運算工具，人類文明將會發(fā)展到一個嶄新時代。”

　　這不是溢美之詞。郭光燦強調“不必過分夸大量子計算機‘什么都能做’”，通用量子計算機本身就是一個非常強大的新型運算工具，研制出來后人們可以看到它會有很多不同的應用——正如研發(fā)出電子計算機的時候，“當時人們也不知道它有多少用處”。

　　“目前量子計算真正有代表性的算法或應用，就是shor算法，可用于密碼破譯，也就是破解RSA的密鑰體系;第二是Grove量子搜索算法，用于大數據處理和云處理;最近討論比較多的是，用于多種物理化學和生物機制的模擬，如模擬光合作用。”中科院量子信息重點實驗室半導體量子點量子芯片研究方向帶頭人郭國平在簡述量子計算的應用時認為，未來量子計算機大有可為。

　　群雄逐鹿

　　放眼全球，美國政府、公司在量子計算機研制方面有著最為完整的布局。

　　2014年，IBM宣布耗資30億美元研發(fā)下一代芯片，主要是量子計算和神經計算。今年的5月4日，IBM發(fā)布了5個量子比特的量子計算云服務。

　　與IBM幾乎同步，2014年，谷歌宣布來自加州大學圣巴拉拉分校的知名物理學家約翰·馬提尼斯研究組加入谷歌研發(fā)量子計算處理器，并于今年9月提出“quantum supremacy”量子機研制計劃。

　　美國另一科技巨頭——微軟也不甘落后，該公司負責研發(fā)的副總裁Peter Lee聲稱，微軟在研究方面最大的投資便是量子計算。

　　上述幾家巨頭的背后，均有美國政府的影子。今年7月22日，美國總統(tǒng)科學技術辦公室發(fā)布量子信息文件稱：“預計幾十個量子比特、可供早期量子計算機科學研究的系統(tǒng)可望在5年內實現。”

　　歐洲在量子技術領域也有重大布局。在今年5月17日于荷蘭阿姆斯特丹舉辦的歐洲量子會議上，歐盟委員會發(fā)布《量子宣言》，宣布將支持一項十億歐元的量子技術旗艦計劃?！读孔有浴穼α孔佑嬎銠C的研制做出了詳細部署，他們計劃5年內發(fā)展處量子計算機新算法;5~10年“用大于100物理量子比特的、有特定用途量子計算機解決化學和材料科學難題”，并使研制出的通用量子計算機“超過傳統(tǒng)計算機的計算能力”。

　　澳大利亞近年來專注于硅基、磷摻雜的量子計算方案，并于今年年初成立了硅基半導體量子計算國家實驗室，給郭國平留下了深刻印象。“他們15年來一直集中力量做這件事情，為取道半導體方案研制量子計算機奠定了基礎”。

　　俄羅斯也在加緊研究的步伐。據《消息報》報道，俄國家研究型工藝技術大學與俄羅斯量子中心正在啟動大型量子技術中心。報道稱，該中心將進行量子通信和量子電子學研究，還計劃為量子技術領域的青年人才制定并實施教學項目。

　　差距到底有多大

　　中國不似美歐等國早早認識和研究了量子技術，在量子計算機方面的研究剛剛起步。

　　科技部2011年啟動的“十二五”導向性重大項目(超級“973”)，要求在2015年實現比特數3 的量子芯片。郭國平介紹說，目前這一目標已實現，而于今年啟動的“十三五”重點研發(fā)計劃“半導體量子芯片研究”，要求2020年前獲得品質因子1000、比特數6的量子芯片。

　　“這一目標距離可用的量子計算機還有很大的距離，但是我們必須一步一步來。”郭國平說。

　　量子比特數雖說不是衡量量子計算硬件技術的絕對指標，但在通用量子計算機成功研制出來之前，這一指標的確有區(qū)分水平高低的價值。在谷歌公司上述“quantum supremacy”計劃中，該領域科學家普遍預期其將在明年或后年的“量子計算機”上達到40~50 量子比特。

　　不過，即便達到這一水平，它距離真正的通用量子計算機仍有巨大差距。

　　在郭光燦看來，一臺可實用的標準量子計算機，除了容錯閾值和品質因數(Q值)要達到相應要求(現在還遠未達到最低要求)外，邏輯比特數需要達到約200個，而如果按照至少需要5個物理比特編碼一個邏輯比特計算的話，量子比特數至少要達到1000個。

　　而這還僅僅是看得見、容易覺察的差距。清華大學計算機系教授、長江學者應明生指出，中國在量子計算機研制的“兩條腿”(硬件和軟件)中缺少一條——量子軟件，這將使得中國在量子計算的國際競爭中長期處于被動狀態(tài)。

　　瘸腿才知路長。應明生說，美國之所以進展迅速，就在于其在量子計算機硬件、軟件乃至應用方面都有明確的布局和集中攻堅的力量。“硬件是計算機的根本，但軟件是計算科學的靈魂。量子計算機要做的話，軟件也要跟上”。

　　“我們跟美國相比確實差距太大，這個差距，第一個研究水平有差距，這個可以看得出來，第二個是研究隊伍和力量有差距。這些其實也有明顯的差距，這就是我們的現狀。”郭光燦說，美國政企在量子計算機領域的完善布局已經上升到國家行為的層面，這或是中國應該借鑒的。

　　鹿死誰手未可知

　　盡管差距巨大，但郭光燦看到，國內量子計算領域的發(fā)展“勢頭非常好”。

　　“我認為國內勢頭發(fā)展得非常好，尤其是超導路線，原來是一個量子比特也沒有，現在已經做到了5個、9個，而且是好幾家在做，原材料也從依賴國外進口轉變?yōu)橛芍锌圃何锢硭峁?，而且材料性能也在改善?rdquo;郭光燦說，盡管各國水平不一，但目前通用量子計算機還沒有哪個國家真正研制出來，“鹿死誰手還未可知，我們還有機會”。

　　要抓住這個機會，郭光燦認為，中國需要從兩方面“大練內功”。一方面，國家要加強在量子計算機研制方面的布局，將其上升到國家戰(zhàn)略層面，把方方面面的力量組織起來，支持量子計算機的研制。“比如要解決做硬件研發(fā)人才的考核問題”。

　　“另一方面，我國要做好量子計算領域年輕人才培養(yǎng)。年輕一代非常重要，我們不光要著眼于現在的研究，還要放眼未來，而人才就是未來。”郭光燦說，“就算感興趣的年輕人最后沒有從事相關的研制工作，也可以培養(yǎng)成能夠用量子計算機的人。”他表示，下一步他將考慮以一種合適的方式培養(yǎng)青年隊伍。

　　應明生在人才培養(yǎng)的問題上與郭光燦不謀而合。“量子軟件跟計算科學其他領域不太一樣，短期內難以發(fā)展起來，需要一個長期的、合作的過程。”應明生說，“量子物理和計算科學等學科應該聯(lián)合起來，培養(yǎng)一批人。就算我們沒有贏得最后的突破，在量子信息技術成為技術潮流的時候，我們也不會太被動。”