中国跻身量子计算“第一梯队”，为何它是硬科技必争之地？

    “两会唠科”是由腾讯科技推出的两会特别策划，重点讲述中国科技名片。本期与科技云报道联合出品，聚焦中国量子计算研究成果和相关进展。
    
    全球越来越多的国家加入到量子科技领域的竞赛当中，争夺下一步的技术战略制高点。
    今年两会，全国人大代表、中国科学院量子信息重点实验室副主任郭国平就计划提出量子领域人才培养问题。他建议，打造体系化、高层次量子科技人才培养平台，完善科技人员绩效考核评价机制，建立以信任为前提的顶尖科学家负责制。
    过去20多年，中国在量子计算领域进行了全方位的布局，在量子计算基础理论、物理实现体系、软件算法等领域均开展研究，并成为唯一在超导和光量子方向上都达到“量子霸权”的国家。
    毫无疑问，量子计算已经成为中国硬科技的一张名片。
    尽管成绩显赫，但量子计算攻坚作为一场持久战，也还有很多问题有待突破和解决，包括技术落地难、产业配套不齐全、人才短缺等问题，需要大家理性、客观的认知。
    各国争夺算力“核武器”
    对于大多数人而言，量子计算是一个颇具科幻色彩的词汇。
    普通老百姓最接近量子计算概念的时刻，大约是国产电影《流浪地球2》中的智能量子计算机MOSS。
    要理解什么是量子计算，以及为什么量子计算对于各个国家如此重要，可以从当下普遍使用的经典计算机入手。
    在经典计算机中，信息是以二进制代码（0和1）的形式流通的，就是所谓的比特。
    如果每个比特不用数字传递，而是改用一个粒子来传递的话，那么就可以大幅度推进计算机的微型化，即量子计算机。
    这种技术理论来源于20世纪初人类历史上最伟大的科学革命之一——量子力学，它构成了描述基本粒子现象的理论基础。
    20世纪90年代以来，随着人们可以对光子、原子等微观粒子进行主动的精确操纵，量子计算技术也随之诞生。
    不同于经典计算机依靠“比特”（0和1）来处理信息，支撑量子计算的“量子比特”是微小的亚原子粒子，可以同时存在于某种比例的两种状态，就像一枚硬币在半空中旋转，遵循三进制（0、1、2）的计算方法。
    其中，0和1是确定状态，2在量子力学中一般被称为叠加态，是n个状态的叠加。
    在量子计算机的运行过程中，“2”的存在使得量子计算机可以在同一时间处于n种状态中。
    举个例子，假设存在一台有四个比特的传统计算机，这台计算机每一秒只能得到一个状态，也就是0000或0101，那么想要获得所有状态就需要16秒。
    但是，有一台四个量子比特的量子计算机，它可以同时计算从0000到1111的所有排列组合，这意味着量子计算机只需要1秒钟就可以输出16种状态，相当于16台传统计算机同时运行的效率。
    这种从二元处理到多元处理的飞跃，成倍地提高了计算能力。
    中国科学院院长白春礼院士曾表示，使用亿亿次的天河二号超级计算机求解一个亿亿亿变量的方程组，所需时间为100年。而使用一台万亿次的量子计算机求解同一个方程组，仅需0．01秒。
    随着比特数的增加，量子计算机与经典计算机之间的性能差距呈指数级增长，量子计算的速度可以达到传统计算望尘莫及的高度。
    中科院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟曾经说过，“如果说传统计算机是机关枪，那么量子计算机就像核武器。”
    正是由于量子计算极大超越了经典计算机的超并行计算能力，在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域具有突出优势，一旦突破量子计算技术，掌握这种能力的国家和主体，便会在经济、军事、科研、安全等领域迅速建立全方位优势。
    例如，美国国家反情报和安全中心（NCSC）认为，大规模的量子计算机可以任何破解加密系统，严重威胁国家信息安全。
    如此前景之下，全球主要国家都在量子信息领域加强科技政策布局，推出发展战略和研究项目规划，加大公共研发资金的支持投入力度，推动量子技术从“基础到市场”。
    2018年12月，美国启动了为期10年的《国家量子行动法案》，计划5年投资超30亿美元；
    欧盟于2018年10月正式实施“量子技术旗舰项目”，总经费超过40亿欧元；
    英国于2016年启动“国家量子技术专项”，迄今总投入已超过10亿英镑；
    2018年9月，德国政府通过“量子技术：从基础到市场”国家量子技术框架计划，在2018—2022年内投入6．5亿欧元，在新冠肺炎疫情后又追加了20亿欧元。
    相较之下，中国在量子信息领域公共投资方面处于全球领先地位。
    2017年，中国投资超100亿美元在合肥市建造了世界上最大的量子研究设施——量子信息科学国家实验室；至2022年，该实验室投资达到近150亿美元。
    在国家政策层面，2021年，量子信息作为“关键技术”被写入“十四五规划”；2022年，中央经济工作会议指出加快新能源、人工智能、生物制造、绿色低碳、量子计算等前沿技术研发和应用推广。
    量子计算作为未来算力的“核武器”，已成为世界各国和地区力图抢占的战略制高点。
    中国进入“第一梯队”
    如今在量子计算发展上，全球各国已开启了排位赛，如果从技术水平来看，究竟哪个国家实力最强？
    对于量子计算的研究，业界公认有三个指标性的发展阶段：
    第一阶段的目标是实现量子计算优越性（又称“量子霸权”），即量子计算机对特定问题的计算能力超越超级计算机。
    研究表明，当量子计算可控制的量子比特数量超过60－70个后，就可以达到一定的量子优越性，这一目标已经有美国、中国和加拿大先后达到。
    目前，国际上最高记录来自美国IBM推出的量子计算芯片，可高达433个量子比特，而中国最新推出的量子处理器拥有121个量子比特。
    第二阶段的目标是实现专用的量子模拟机，可以应用于组合优化量子化学、机器学习等特定问题，来指导材料设计、药物开发等。
    要达到这一阶段，按照目前的估计还需要5到10年，是当前学术界主要的研究任务。
    第三阶段是在实现量子纠错的基础上，构建可编程通用量子计算机。由于技术上的难度，何时实现通用量子计算机尚未明确，学术界一般认为还需要15年至20年，甚至更长的时间。
    在技术路线方面，各国科学家都在探索基于多种不同物理体系的量子计算研究，比如超导量子比特体系、光学体系、离子阱体系、超冷原子体系……
    目前，中国是唯一在超导和光量子方向上都达到“量子计算优越性”的国家，而诸如离子阱、硅自旋等技术路线的研究同样在进行中。
    据业内专家透露，在超冷原子体系上，我国目前整体与欧美发达国家处于并跑状态，在规模化原子纠缠的制备与操纵，对自旋轨道耦合、超冷分子反应等的量子模拟方面取得了系列重要成果，为解决若干经典计算机难以胜任的复杂问题奠定了基础。
    总的来看，我国对量子计算的研究与发达国家处于同一阶段，已进入国际“第一梯队”。
    目前，中国已完成了所有重要量子计算体系的研究布局，成为包括欧盟、美国在内的三个具有完整布局的国家（地区）之一。
    不仅如此，中国的量子技术专利数量也在快速增长。
    据IPRdaily2022全球量子计算技术发明专利排行榜（TOP100）榜单显示，截至2022年10月18日，入榜前100名企业主要来自18个国家和地区，美国占比40％，中国占比15％，日本占比11％。
    其中，美国公司IBM以1323件专利位列第一，美国公司Google和加拿公司D－Wave分别以762件专利、501件专利排名第二位和第三位。
    中国公司本源量子以234件量子计算专利数量排名中国第一、世界第六，超越了排名世界第七的英特尔公司。
    榜单还显示，从2020年到2022年，中国的量子计算技术发明专利由137件增长至804件，实现约五倍增长。
    同时，更多中国公司开始进入Top 100榜单，如：本源量子、百度网讯、浪潮、腾讯科技、华为、阿里巴巴、图灵量子等。
    尽管中国的量子计算专利数量正在快速增长，但这并代表中国在量子计算技术上已经领先美国。
    与IBM、Google这些量子计算赛道里面最强的美国团队相比，以本源量子为代表的中国团队，目前仍然处于追赶国外一流水平的地位。
    正如郭国平所说，在量子计算技术研发上，中国还有很高的科学高峰需要攀登。
    产业化临界点来临
    近年来，中美等国陆续实现量子优越性，并交付出工程化的量子计算机整机，这标志着量子计算踏入了发展的第二阶段，为实现通用量子计算奠定了基础。
    技术突破，让量子计算不再只是一个实验室产物，而是有可能解决实际问题，甚至有望颠覆一个行业，创造一个全新的行业。
    上海交大集成量子信息技术研究中心（IQIT）主任、图灵量子创始人金贤敏认为，在国内，量子计算产业化已是正当其时。
    除了国家之间科技竞争的需求外，量子计算已经到了走出实验室的临界点。
    百度量子计算研究所所长段润尧也表示，“如果我们能够突破这个临界点，后面就能够得到数百个量子比特，就可以在一些人工智能、组合优化的应用上产生效果”。
    这就不能不提，IBM在量子计算软件发展路线图中预计，到2030年量子计算可能达到上百万量子比特，这标志着量子计算机即将实现商业化。
    若以2030年为量子计算商用元年，基于赛迪《2021量子计算技术创新与趋势展望》报告测算，预计2030年全球量子计算市场规模将达到140．1亿美元，并以30％左右的增速平缓上涨，至2035年预计会达到489．7亿美元的量子计算市场规模。
    巨大的市场潜力，吸引了很多投资机构和科技企业，希望在量子计算产业化早期的阶段就参与进来。
    国际头部科技互联网企业如：谷歌、IBM、微软、英特尔、霍尼韦尔等均围绕量子科技展开布局。
    国内方面，阿里、腾讯、百度、华为近年来先后布局量子计算，如：阿里推出了量子模拟器“太章”；百度成立了量子计算研究所；华为推出了“昆仑”量子计算模拟一体机。
    同时，创业公司也正在跑步入场，全球不断有量子计算公司在拿到大额的融资：
    2022年，来自欧洲的超导量子计算公司IQM宣布获得世界基金（World Fund）领投的1．28亿欧元A2轮融资，在7月刷新了欧洲量子计算公司的融资记录；
    紧接着，国内的本源量子宣布正式完成近10亿元的B轮融资，登顶当年全球量子计算融资榜首。
    此外，加拿大的光量子计算公司Xanadu获得了1亿美元的融资，美国中性原子量子计算公司Atom Computing获得了6000万美元的融资，牛津量子电路公司（OQC）宣布A轮融资3800万英镑，以色列量子算法设计平台提供商Classiq宣布B轮融资3300万美元，法国量子计算公司Alice ＆ Bob也拿到了2700万欧元融资……
    而国内也在展开融资竞争赛，近一年来，国内已有9家量子计算企业获得融资，融资额在亿元以上的就有5家，包括量旋科技、图灵量子、华翊量子、未磁科技、本源量子。
    这些量子计算公司融资的特点是，不仅金额大，一线机构多，还表现在融资轮次密。
    据光子盒研究院报告数据，2021年量子科技公司完成融资共计49笔，全年融资总额近32亿美元（约202亿人民币），是2020年全年融资规模的3倍多。
    在应用层面，气象、金融、石油化工、材料、生物医药、汽车交通等众多行业已开始关注和重视到“量子计算”的巨大发展潜力，并开始与量子计算企业进行合作探索。
    不过值得注意的是，量子计算的各种技术路才刚起步，商业化前景仍然存在不确定性。
    华映资本管理合伙人章高男表示，量子计算远没有实现技术收敛，且10年之内肯定无法在普通商业环境中跟传统计算抗衡。
    量子计算攻关在即
    颠覆性的技术优势以及空前的市场想象力，引发资本押注量子计算，但也面临着诸多客观的挑战和难题。
    以国内量子计算产业为例，仍面临着技术落地难、产业配套不健全等方面的挑战。
    例如，目前量子计算在运算过程中难以提供稳定的算力；量子比特的数量虽然已达到了量子优越性，但量子纠缠的操纵精度、纠错容错能力仍旧不够等。
    从产业链来看，量子计算设备供应商主要以国际公司为主，特别是稀释制冷机和低温同轴线缆。
    在芯片制造方面，目前国内量子芯片的制造过程主要是在实验室完成，但国际上一些领先的量子计算团队已经在工厂制造量子芯片。
    在软件方面，国际上已有100多家量子软件公司，但中国的量子软件公司较少。
    此外，相比于产业配套的不健全，人才短缺也掣肘量子计算的发展。
    据国家统计局最新公布数据，全国量子产业领域一线人才仅百余人。
    更为紧迫的是，在量子信息科技领域，欧美也开始加大出口管制。
    在经典计算机体系内，计算芯片设计与制造的核心技术掌握在科技巨头公司手中，并处于垄断地位。但在量子计算领域，全球尚未形成垄断性巨头公司或者较高的技术专利壁垒，当前抢占技术入口将获得至关重要的议价权。
    为此，国家提出“十四五”期间的重点任务是力争造出真正“有用”的专用量子模拟机，即相干操纵数百个量子比特，用于解决若干超级计算机无法胜任的实用问题的量子计算机。
    对此，潘建伟表示，在量子计算方面，需要在光子、离子、超导、超冷原子金刚石色心、量子点、拓扑等物理体系中，突破量子叠加和量子纠缠的长时间保持、多粒子纠缠、超越容错阈值的高精度量子比特操纵等技术。
    同时，鉴于量子计算迅猛的发展态势，也需要相关部门与研究机构合作探索量子计算可能的应用模式以及相关的算法研究等。
    结语
    量子计算是一门艰深的学科，人类目前所做的研究不过是刚刚敲开量子科技的大门，在诸多物理体系的技术突破上仍充满荆棘。
    而量子计算从实验室走向产业化的过程，也需要一个漫长的周期。这场量子计算的全球争夺战，本质上更像一场长跑马拉松。
    在面向“十四五”乃至更长远的未来，量子计算能否成为中国在全球科技产业中“换道超车”、掌握尖端技术话语权的重要核心技术，且拭目以待。
    【科技云报道原创】
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