量子計算技術研究步入“關鍵期”
量子計算凸顯戰略意義，多國紛紛佈局競爭加劇
計算能力是資訊化發展的核心，隨著社會經濟對資訊處理需求的不斷提高，以半導體大規模積體電路為基礎的經典計算在效能提升方面面臨瓶頸。量子計算利用量子疊加和糾纏等物理特性，以微觀粒子構成的量子位元為基本單元，通過量子態的受控演化實現資料的計算處理，理論上具有經典計算無法比擬的超強資訊攜帶和並行處理能力，未來或將成為科技加速演進的“催化劑”，對物理及化學等基礎科學研究、新型材料與醫藥研發、資訊保安與國防建設、資源勘探與人工智慧等眾多領域產生重大影響。
近年來，全球多國加快量子資訊科技研究與應用佈局，競爭態勢日益明顯。美國近十年來以每年2億美元的投入力度持續支援量子資訊各領域研究發展；歐盟今年已啟動10億歐元規模的“量子旗艦”專案，重點支援量子計算、模擬、通訊和感測四大領域；我國2016年起設立國家重點研發計劃“量子調控與量子資訊”重點專項，並籌建量子資訊科學國家實驗室；此外，英國、荷蘭、澳大利亞、瑞典也紛紛出臺相關政策或專案支援。在全球競爭加劇、量子計算技術產業加快發展的背景下，美國今年6月推出了《國家量子行動計劃（NQI）》法案，將在原有基礎上每年新增投入，進一步加快推動量子資訊科技研發應用，並在今年11月將量子計算列入出口管制框架。
量子計算正處於技術攻關關鍵階段，專用機未來幾年可能率先突破
量子計算包含處理器、編碼和軟體演算法等關鍵技術，近年來發展加速，但仍面臨量子位元數量少、相干時間短、出錯率高等諸多挑戰，目前處於技術攻關和原理樣機研製驗證的早期發展階段，超越經典計算的效能優勢尚未得到充分證明。量子處理器有超導、離子阱、半導體、中性原子、光量子、金剛石色心和拓撲等不同技術路線，每種路線各有優劣勢，現階段超導和離子阱發展相對領先，但尚無任何一種路線能夠完全滿足實用化要求並趨向技術收斂。另外，量子系統非常脆弱，極易受材料雜質、環境溫度等影響引發退相干效應，量子編碼技術將多個“物理位元”構造為能夠糾錯的“邏輯位元”，是克服退相干難題和量子系統脆弱性的有效手段。然而現有量子編碼方式的閾值高效率低，技術尚未突破，正處於向第一個“邏輯位元”邁進的關鍵階段。量子軟體和演算法是硬體處理器充分發揮計算能力和解決實際問題的神經中樞，開發設計需緊密結合量子疊加、糾纏等物理特性，不能從經典計算中直接移植。目前量子計算演算法典型包括Shor和Grover演算法等，數量有限，只在部分經典計算難以解決的複雜問題上具備理論優勢，並非普適於解決所有問題。
從應用範圍的角度，量子計算機可分為通用量子計算機和專用量子計算機。通用機用於解決普遍問題，需要上百萬甚至更多物理位元，並具備容錯能力以及各類軟體演算法的支撐，其實用化將是長期漸進過程。專用機用於解決特定問題，只需相對少量的物理位元和特定量子演算法，實現相對容易且存在市場價值。業內專家預測，未來五年左右量子專用機有可能在模擬、優化等領域率先取得突破。
量子計算領域美國全面領先，我國加速發展仍存差距
美國已形成政府、科研、產業和投資力量多方協同的良好局面，取得系列重要成果並建立領先優勢。科研領域頂尖人才聚集，加州大學、馬里蘭大學、哈佛大學和耶魯大學等研究機構取得大量原創性和開拓性研究成果。谷歌、IBM、英特爾和微軟等科技巨頭成為推動量子計算原理樣機研發加速的重要力量。從技術路線來看，谷歌、IBM致力於超導體系，英特爾同時涉獵矽半導體和超導體系，微軟佈局全新的拓撲路線。從研究成果來看，量子位元數量由2015年的9位迅速拓展至今年3月谷歌宣佈的72位，3年內提升8倍，迭代速度明顯加快。從發展模式來看，科技巨頭在全球範圍內聯合優勢資源展開廣泛合作，谷歌2013年聯合美國國家航空航天局成立人工智慧實驗室，與D-Wave合作開展量子退火模擬專用機研究；2014年與美國加州大學聖塔芭芭拉分校頂尖科研團隊合作，佈局通用量子計算機研發攻關；2017年與創業公司Rigetti Computing合作推出開源量子計算軟體平臺。英特爾與荷蘭QuTech研究所、德國馬普量子光學中心、美國國家標準技術研究院等研究機構聯合推進矽半導體量子計算。微軟與荷蘭QuTech研究所、丹麥玻爾研究所等合作攻關拓撲量子計算。IBM則基於量子計算雲平臺與金融、汽車、電子、材料等不同領域的合作伙伴探索產業應用，推動量子計算初具產業生態。
我國在量子計算基礎理論、物理實現體系、軟體演算法等領域均有研究佈局，中國科學技術研究院、中國科學技術大學、清華大學、浙江大學等研究機構近年來取得一系列具有國際先進水平的研究成果，為我國量子計算髮展奠定了堅實基礎。從各國高水平SCI論文總量和熱點論文來看，美國位列第一，中國、德國分列第二和第三位；在被引次數方面，中國緊隨美國、德國和英國之後。近期代表性研究成果，如中科大分別實現了光量子體系18位元糾纏和半導體體系3位元邏輯閘等。阿里巴巴、騰訊、百度和華為開始關注和投資量子計算領域，併發布量子計算雲平臺；國內首家量子計算初創企業合肥本源量子於2017年成立，為研究和應用注入了新動力。我國在量子計算領域雖已取得一定成績，但仍存在一些不容忽視的問題與挑戰。第一，我國量子計算研發由研究機構主導，科技企業進入晚、參與度有限，初創企業偏少，整體發展模式仍在摸索，多方尚未形成合力。第二，量子計算機研製屬於巨型系統工程，涉及眾多產業基礎和工程實現環節，我國在高質量材料樣品、結構工藝、製冷裝置和測控系統等領域落後於領先國家，存在關鍵環節受制於人的風險。
量子計算未來發展挑戰與機遇並存，我國應加大投入聚力攻關
未來幾年，量子計算技術作為全球科技熱點將持續研究、加速發展，量子處理器路線方案不斷明朗，量子位元數量、質量和糾錯能力進一步增強，專用量子計算向實用化靠近，全球競爭態勢進一步加劇。我國量子計算技術發展具有良好的研究基礎和廣闊的應用空間，應加大投入聚力攻關，促進優勢資源形成合力，進行關鍵技術研發並補齊產業基礎短板，搶抓“機遇視窗”期，從而趕超國際先進水平。
（記者 吳冰冰）
責任編輯：李蘭鬆