本報(bào)記者 曲忠芳 北京報(bào)道
“量子計(jì)算（Quantum Computing）是一個(gè)令人著迷的科學(xué)話題。”但目前尚不清楚“實(shí)際相關(guān)性以及實(shí)際制造真正有用的量子計(jì)算機(jī)的可能性”。“用量子計(jì)算可以解決的問題，用經(jīng)典計(jì)算可以更有效地解決。”在2023年的最后一個(gè)月，Meta首席科學(xué)家楊立昆的這段言論給量子計(jì)算發(fā)展“潑了一盆涼水”。需要指出的是，楊立昆并不是量子領(lǐng)域的專家或研究人員，但作為人工智能“深度學(xué)習(xí)三巨頭”之一，其對(duì)量子計(jì)算的觀點(diǎn)在業(yè)界依然引起了較大爭(zhēng)議。
事實(shí)上，量子計(jì)算從概念提出迄今的40多年里，圍繞它的質(zhì)疑、抨擊抑或神化、頌揚(yáng)從未休止。當(dāng)人們撥開迷霧就會(huì)發(fā)現(xiàn)，量子計(jì)算在2023年取得了多項(xiàng)突破性的成果，如谷歌7月發(fā)布論文稱其量子計(jì)算機(jī)短短6秒內(nèi)完成了相當(dāng)于最先進(jìn)計(jì)算機(jī)47年的計(jì)算量；10月，中國的“九章三號(hào)”光量子計(jì)算原型機(jī)再度刷新世界紀(jì)錄；12月，IBM推出新一代量子處理器Condor（意為“禿鷹”）和最新模塊化架構(gòu)IBM量子系統(tǒng)二號(hào)……進(jìn)入2024年，本源量子于1月6日宣布，第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”上線運(yùn)行，是我國目前“最先進(jìn)”的可編程、可交付的商業(yè)化超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。
拋開那些令人眼花繚亂的術(shù)語名詞，量子計(jì)算究竟有什么價(jià)值？量子計(jì)算乃至更廣泛的量子通信范疇，國際競(jìng)爭(zhēng)格局及產(chǎn)業(yè)布局呈現(xiàn)出什么樣的特征？量子計(jì)算還有多久“飛入尋常百姓家”？針對(duì)這些問題，近日來，《中國經(jīng)營報(bào)》記者通過文獻(xiàn)資料檢索和信息梳理、采訪行業(yè)專家等途徑，向讀者提供較為通俗易懂的初步解答。
技術(shù)路線暫無優(yōu)劣之分
量子計(jì)算是什么？簡(jiǎn)單地說，它是遵循量子力學(xué)規(guī)律發(fā)展起來的一種新型計(jì)算模式，以量子比特（也叫“量子位”）為基本處理單位，通過量子疊加、糾纏等原理實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，尤其是在某些復(fù)雜問題上提供指數(shù)級(jí)加速，被認(rèn)為是未來計(jì)算能力跨越式發(fā)展的重要方向。
中國信息通信研究院《量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報(bào)告（2023年）》顯示，量子計(jì)算硬件有多種技術(shù)路線并行發(fā)展，主要可分為兩大類，一是以超導(dǎo)、硅半導(dǎo)體為代表的人造粒子路線，二是以離子阱、光量子和中性原子為代表的天然粒子路線。近年來，各種主要技術(shù)路線的基礎(chǔ)科研和工程研發(fā)均有亮點(diǎn)成果不斷涌現(xiàn)，呈現(xiàn)開放競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，尚無某種技術(shù)路線體現(xiàn)出明顯的綜合優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用場(chǎng)景探索在化學(xué)模擬、量化金融、醫(yī)療健康、航空交通等領(lǐng)域廣泛開展。
記者注意到，在各個(gè)量子技術(shù)路線中都聚集了多家科技企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)以及初創(chuàng)公司，同時(shí)部分企業(yè)、高校也在多條技術(shù)路線上同步展開研究探索。
其中，“百年老店”IBM在量子計(jì)算硬件研發(fā)方面起步很早，從1999年開始構(gòu)建超導(dǎo)量子比特，在超導(dǎo)量子計(jì)算賽道保持著領(lǐng)先地位。在2023年IBM量子峰會(huì)上，IBM發(fā)布了擁有1121個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片Condor，這相比于其2021年推出的127量子比特芯片Eagle（鷹）、2022年的433量子比特的芯片Osprey（魚鷹），量子比特參數(shù)又大幅提升。同時(shí)，IBM還展示了其“IBM量子系統(tǒng)二號(hào)”架構(gòu)，計(jì)劃到2024年年底在美國、加拿大、日本和德國建立8個(gè)量子計(jì)算中心，以確保研究人員廣泛使用量子系統(tǒng)二號(hào)。IBM將量子計(jì)算的發(fā)展階段分成三個(gè)階段，該公司認(rèn)為目前第一階段已結(jié)束，并進(jìn)入第二階段，側(cè)重于量子硬件性能、錯(cuò)誤減少和糾正以及應(yīng)用程序性能測(cè)試。
除了IBM之外，國內(nèi)的本源量子在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域也取得了突破性成果。2023年1月，本源量子成功交付一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)給客戶，使我國成為繼加拿大、美國之后世界上第三個(gè)具備計(jì)算機(jī)整機(jī)交付能力的國家。時(shí)隔僅一年，2024年1月，本源量子宣布我國第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”正式上線運(yùn)行，它匹配了本源第三代量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)“本源天機(jī)”，在中國國內(nèi)首次真正落地了量子芯片的批量自動(dòng)化測(cè)試，量子計(jì)算機(jī)的整機(jī)運(yùn)行效率提升了數(shù)十倍。
對(duì)此，科技部國家科技專家?guī)鞂＜�、方融科技高�?jí)工程師周迪認(rèn)為，“本源悟空”的上線是中國量子計(jì)算領(lǐng)域的重要進(jìn)展，可謂是歷史性的突破，為未來商業(yè)化應(yīng)用奠定了基矗
而在光量子領(lǐng)域，2023年10月，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建了255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”，再度刷新了光量子信息的技術(shù)水平和量子計(jì)算優(yōu)越性的世界紀(jì)錄。求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題時(shí)，“九章三號(hào)”比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一億億倍。此外，在2023年5月，玻色量子首次對(duì)外發(fā)布了100個(gè)計(jì)算量子比特的相干光量子計(jì)算機(jī)“天工量子大腦”，在玻色量子創(chuàng)始人、CEO文凱看來，這是量子計(jì)算走出實(shí)驗(yàn)室，向?qū)嵱没孔佑?jì)算應(yīng)用邁出的關(guān)鍵一步。
科技大廠押注還是觀望？
經(jīng)記者觀察梳理，目前在量子計(jì)算領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)力的力量大致分為三類：一類是IBM、谷歌、微軟、英特爾等大型科技企業(yè)，另一類是高校及研究機(jī)構(gòu)，比如美國哈佛大學(xué)、牛津大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、北京量子信息科學(xué)研究院等，還有一類則是初創(chuàng)型企業(yè)，典型代表如美國Rigetti、中國本源量子及玻色量子等。其中值得注意的是科技大廠在是否押注量子計(jì)算領(lǐng)域有著不同的表現(xiàn)。
與IBM較早押注以及微軟、谷歌、亞馬遜等加速布局有所不同，Meta并沒有在量子計(jì)算領(lǐng)域下大賭注。如前所述，楊立昆對(duì)于制造真正有用的量子計(jì)算機(jī)的可能性打出了一個(gè)問號(hào)。據(jù)美國媒體CNBC報(bào)道，Meta高級(jí)研究員邁克斯科羅普弗表示，幾乎每隔幾年就會(huì)評(píng)估一次量子計(jì)算，他相信有用的量子機(jī)器“可能會(huì)在某個(gè)時(shí)候出現(xiàn)，但它的時(shí)間跨度過長(zhǎng)，以至于與Meta正在做的事情無關(guān)”。與此形成鮮明對(duì)比的是，Meta在十年前建立了人工智能實(shí)驗(yàn)室。“很明顯這項(xiàng)技術(shù)將在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。”邁克斯科羅普弗說。
不過，在周迪看來，量子計(jì)算離落地及商業(yè)化應(yīng)用仍然有較長(zhǎng)的路要走，量子計(jì)算技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性需要進(jìn)一步提高和自我正名，應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)模式同樣也需要進(jìn)一步探索開發(fā)。這是部分科技大廠謹(jǐn)慎投入的主要原因。IBM量子路線圖將“戰(zhàn)線”拉長(zhǎng)至十年之后，也從側(cè)面反映了量子計(jì)算商業(yè)化落地為時(shí)尚早。
《量子信息技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究報(bào)告（2023年）》指出，根據(jù)國際數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)Gartner在2023年7月發(fā)布的技術(shù)成熟度曲線，數(shù)年前量子計(jì)算技術(shù)向著“過高期望”頂點(diǎn)逐漸靠近，現(xiàn)階段已跨越了“過高期望”頂點(diǎn)，但整體距離“生產(chǎn)力高原”仍需超過十年的時(shí)間。NISQ 樣機(jī)時(shí)代能否實(shí)現(xiàn)“殺手級(jí)”應(yīng)用突破，是量子計(jì)算行業(yè)發(fā)展的分水嶺，如果未來數(shù)年內(nèi)一直無法實(shí)現(xiàn)應(yīng)用落地突破，則量子計(jì)算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展恐將面臨“幻滅之谷”的低潮期。
從事超導(dǎo)量子計(jì)算研究的南方科技大學(xué)物理系副教授陳遠(yuǎn)珍向記者指出，量子信息領(lǐng)域還有很多重要問題沒有搞清楚，未來的量子信息技術(shù)形態(tài)是什么樣的，依舊是很值得探討的問題。在他看來，量子信息的基礎(chǔ)是量子力學(xué)，而量子力學(xué)是到目前為止人類科學(xué)最成功和最基礎(chǔ)的理論之一，也是對(duì)我們的思想觀念最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)成就之一，可以合理地推測(cè)，在其基礎(chǔ)上發(fā)展出來的量子信息技術(shù)，應(yīng)該也是具有相當(dāng)革命性的技術(shù)。從事量子計(jì)算研發(fā)及政策制定的人員，都應(yīng)對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展保持清晰的大局觀：量子計(jì)算前途光明，但發(fā)展道路必定曲折。
盡管產(chǎn)業(yè)端的布局動(dòng)作不一，但量子計(jì)算的發(fā)展和應(yīng)用具有重大戰(zhàn)略意義和科學(xué)價(jià)值，包括中國、美國、加拿大、澳大利亞、新加坡等全球主要國家和地區(qū)在前沿科技和未來產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的政策布局和投資推動(dòng)的重點(diǎn)方向。2023年12月召開的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議，將“以科技創(chuàng)新引領(lǐng)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)”作為2024年九項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)的第一項(xiàng)，其中提到“開辟量子、生命科學(xué)等未來產(chǎn)業(yè)新賽道”。與此同時(shí)，歐盟高性能計(jì)算聯(lián)合組織宣布在歐盟境內(nèi)選擇6個(gè)地點(diǎn)來托管第一批歐洲量子計(jì)算機(jī)，2025年有望交付第一臺(tái)具有量子加速功能的計(jì)算機(jī)。
