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中国量子计算机研制到了关键时刻

来源:科学网 作者:赵广立 2016-12-20 21:36:02
内容摘要: 十几年前,中国科学院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿向国外同行抛出这个问题时,得到的答案是:“也许明天早上,也许要等上50年,也有可能我们这辈子永远都看不到。”

“量子计算机何时能够被研发出来?”

十几年前,中国科学院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿向国外同行抛出这个问题时,得到的答案是:“也许明天早上,也许要等上50年,也有可能我们这辈子永远都看不到。”

而如今,这个问题的答案已经不那么不确定了。比尔·盖茨认为,10年内量子计算机可望用于云计算;欧洲科学家起草的《量子宣言》则预计,通用型的量子计算机可能会在2035年之前建造出来。

“量子计算机已经从开始大家怀疑的‘能不能做出来’到了‘早晚能做出来’的阶段。而且快则10年、15年就会实现。因此,量子计算机研制已经到了一个关键时期。”郭光灿在近期举行的中国科学院学部“科学与技术前沿”论坛上如是说。

大有可为

全球正在掀起一场“量子技术热”。而一个主流共识是,量子计算和量子计算机是量子信息技术领域最重要的方向。中国科学院院士、中科院国家数学与交叉科学中心主任郭雷在上述论坛的致辞中强调了量子计算机的战略地位:“量子计算机的研制已经列入世界高新技术的战略制高点,成为科技强国崛起的重中之重。量子计算机必将掀起一场划时代革命,一旦人类掌握这种运算工具,人类文明将会发展到一个崭新时代。”

这不是溢美之词。郭光灿强调“不必过分夸大量子计算机‘什么都能做’”,通用量子计算机本身就是一个非常强大的新型运算工具,研制出来后人们可以看到它会有很多不同的应用——正如研发出电子计算机的时候,“当时人们也不知道它有多少用处”。

“目前量子计算真正有代表性的算法或应用,就是shor算法,可用于密码破译,也就是破解RSA的密钥体系;第二是Grove量子搜索算法,用于大数据处理和云处理;最近讨论比较多的是,用于多种物理化学和生物机制的模拟,如模拟光合作用。”中科院量子信息重点实验室半导体量子点量子芯片研究方向带头人郭国平在简述量子计算的应用时认为,未来量子计算机大有可为。

群雄逐鹿

放眼全球,美国政府、公司在量子计算机研制方面有着最为完整的布局。

2014年,IBM宣布耗资30亿美元研发下一代芯片,主要是量子计算和神经计算。今年的5月4日,IBM发布了5个量子比特的量子计算云服务。

与IBM几乎同步,2014年,谷歌宣布来自加州大学圣巴拉拉分校的知名物理学家约翰·马提尼斯研究组加入谷歌研发量子计算处理器,并于今年9月提出“quantum supremacy”量子机研制计划。

美国另一科技巨头——微软也不甘落后,该公司负责研发的副总裁Peter Lee声称,微软在研究方面最大的投资便是量子计算。

上述几家巨头的背后,均有美国政府的影子。今年7月22日,美国总统科学技术办公室发布量子信息文件称:“预计几十个量子比特、可供早期量子计算机科学研究的系统可望在5年内实现。”

欧洲在量子技术领域也有重大布局。在今年5月17日于荷兰阿姆斯特丹举办的欧洲量子会议上,欧盟委员会发布《量子宣言》,宣布将支持一项十亿欧元的量子技术旗舰计划。《量子宣言》对量子计算机的研制做出了详细部署,他们计划5年内发展处量子计算机新算法;5~10年“用大于100物理量子比特的、有特定用途量子计算机解决化学和材料科学难题”,并使研制出的通用量子计算机“超过传统计算机的计算能力”。

澳大利亚近年来专注于硅基、磷掺杂的量子计算方案,并于今年年初成立了硅基半导体量子计算国家实验室,给郭国平留下了深刻印象。“他们15年来一直集中力量做这件事情,为取道半导体方案研制量子计算机奠定了基础”。

俄罗斯也在加紧研究的步伐。据《消息报》报道,俄国家研究型工艺技术大学与俄罗斯量子中心正在启动大型量子技术中心。报道称,该中心将进行量子通信和量子电子学研究,还计划为量子技术领域的青年人才制定并实施教学项目。

差距到底有多大

中国不似美欧等国早早认识和研究了量子技术,在量子计算机方面的研究刚刚起步。

科技部2011年启动的“十二五”导向性重大项目(超级“973”),要求在2015年实现比特数3 的量子芯片。郭国平介绍说,目前这一目标已实现,而于今年启动的“十三五”重点研发计划“半导体量子芯片研究”,要求2020年前获得品质因子1000、比特数6的量子芯片。

“这一目标距离可用的量子计算机还有很大的距离,但是我们必须一步一步来。”郭国平说。

量子比特数虽说不是衡量量子计算硬件技术的绝对指标,但在通用量子计算机成功研制出来之前,这一指标的确有区分水平高低的价值。在谷歌公司上述“quantum supremacy”计划中,该领域科学家普遍预期其将在明年或后年的“量子计算机”上达到40~50 量子比特。

不过,即便达到这一水平,它距离真正的通用量子计算机仍有巨大差距。

在郭光灿看来,一台可实用的标准量子计算机,除了容错阈值和品质因数(Q值)要达到相应要求(现在还远未达到最低要求)外,逻辑比特数需要达到约200个,而如果按照至少需要5个物理比特编码一个逻辑比特计算的话,量子比特数至少要达到1000个。

而这还仅仅是看得见、容易觉察的差距。清华大学计算机系教授、长江学者应明生指出,中国在量子计算机研制的“两条腿”(硬件和软件)中缺少一条——量子软件,这将使得中国在量子计算的国际竞争中长期处于被动状态。

瘸腿才知路长。应明生说,美国之所以进展迅速,就在于其在量子计算机硬件、软件乃至应用方面都有明确的布局和集中攻坚的力量。“硬件是计算机的根本,但软件是计算科学的灵魂。量子计算机要做的话,软件也要跟上”。

“我们跟美国相比确实差距太大,这个差距,第一个研究水平有差距,这个可以看得出来,第二个是研究队伍和力量有差距。这些其实也有明显的差距,这就是我们的现状。”郭光灿说,美国政企在量子计算机领域的完善布局已经上升到国家行为的层面,这或是中国应该借鉴的。

鹿死谁手未可知

尽管差距巨大,但郭光灿看到,国内量子计算领域的发展“势头非常好”。

“我认为国内势头发展得非常好,尤其是超导路线,原来是一个量子比特也没有,现在已经做到了5个、9个,而且是好几家在做,原材料也从依赖国外进口转变为由中科院物理所提供,而且材料性能也在改善。”郭光灿说,尽管各国水平不一,但目前通用量子计算机还没有哪个国家真正研制出来,“鹿死谁手还未可知,我们还有机会”。

要抓住这个机会,郭光灿认为,中国需要从两方面“大练内功”。一方面,国家要加强在量子计算机研制方面的布局,将其上升到国家战略层面,把方方面面的力量组织起来,支持量子计算机的研制。“比如要解决做硬件研发人才的考核问题”。

“另一方面,我国要做好量子计算领域年轻人才培养。年轻一代非常重要,我们不光要着眼于现在的研究,还要放眼未来,而人才就是未来。”郭光灿说,“就算感兴趣的年轻人最后没有从事相关的研制工作,也可以培养成能够用量子计算机的人。”他表示,下一步他将考虑以一种合适的方式培养青年队伍。

应明生在人才培养的问题上与郭光灿不谋而合。“量子软件跟计算科学其他领域不太一样,短期内难以发展起来,需要一个长期的、合作的过程。”应明生说,“量子物理和计算科学等学科应该联合起来,培养一批人。就算我们没有赢得最后的突破,在量子信息技术成为技术潮流的时候,我们也不会太被动。”

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