中美日三國逐鹿量子計算,誰領風騷?


發佈日期:2021/07/21
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量子計算機將在新藥研發和密碼破解等各方面超越傳統計算機,對產業界和國家安全戰略產生巨大影響,引發各國政府高度關注,美國、中國和日本等國都開始發力。

 

三國逐鹿量子計算機研製領域,誰領風騷?

 

市場潜力足 戰略意義大

 

量子計算機在執行某些大規模計算時,速度比最好的傳統計算機快得多,能在密碼破譯、大數據優化、天氣預報、藥物分析等領域“大顯身手”。

 

《日本經濟新聞》7月6日報導,如果借助量子計算機開發出劃時代的電池和藥物,將讓全人類受益。發展到更高水准,量子計算機有望破解網絡密碼,從而影響安全,而掌握量子科技的國家將在高科技領域掌握主導權。

 

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圖源:視覺中國

 

美國波士頓諮詢公司的資料顯示,到2050年,量子計算機有望創造8500億美元的利潤。日本《設計新聞》網站也在7月6日的報導中指出,未來30年,量子計算機市場預計價值1萬億美元。

 

美國:2029年研製出商用量子計算機

 

正是量子計算機的潜能和“財”能,使政府、企業和科學家“競折腰”。

 

谷歌公司今年5月公佈了正在推進的量子計算機開發計劃,目標是2029年研製出首臺商用量子計算機。

 

其實早在2019年,谷歌就利用其53個量子比特的量子計算機“懸鈴木”,在200秒內解决了最尖端超級計算機“頂點”(Summit)需要花1萬年才能解决的問題,成功實現了“量子霸權”的突破性進展——“量子霸權”用來表示“在存儲和通信頻寬呈指數級新增後,量子計算機擁有傳統超級計算機所不具有的能力”。

 

而令谷歌公司心心念念的是“作為通用產品的量子計算機”,他們希望借其解决現有計算機束手無策的各種難題,如幫助開發應對氣候變化的新材料、抑制全球大流行病的藥物等。

 

要解决設想中的難題,現在的量子比特數遠遠不夠,谷歌計劃將量子比特的數量增至100萬個,還將解决計算時出錯這一最大的難題。但新增量子比特意味著計算機的佈線和控制更困難,因此需要大規模技術創新,為此谷歌已在美國加州設立了新的研發基地。

 

另據《科學》雜誌報導,去年9月美國IBM公司稱,將在2023年前建造一臺包含1000個量子比特的量子計算機,同時提高容錯率。

 

從國家層面來看,2018年,美國在以量子計算機為核心的量子信息科學領域敲定了國家戰略,實施了在5年裏最多投入13億美元的美國《國家量子倡議法案》。

 

中國:彎道超車實現“量子霸權”

 

《設計新聞》網站的報導指出,製造量子比特有幾種不同方法:超導、光子、離子阱和半導體(矽)中的電子自旋。

 

現時,谷歌和IBM一直致力於利用零電阻超導電路開發量子計算機,其核心研究目標是新增可操縱的量子比特數量,並提升操縱的精度,最終應用於實際問題。

 

在這方面,中國已經後來居上。據《科學》雜誌報導,今年5月,潘建偉院士團隊宣佈成功構建了現時超導量子比特數目最多、包含62個比特的可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”,並實現了可編程的二維量子行走,在量子搜索算法、通用量子計算等領域具有潜在應用。今年6月,研究團隊再接再厲,成功將“祖沖之號”從62超導量子比特提升到66超導量子比特,從而最短能在1.2小時內完成世界最强超級計算機8年才能完成的任務。

 

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 二維超導量子比特晶片示意圖,每個橘色十字代表一個量子比特。圖源:中國科學技術大學

 

除超導方式外,中國科技大學早在2020年就採用光子的方式繼谷歌之後實現了“量子霸權”:成功構建了76個量子比特(光子)的量子計算原型機“九章”。據悉,當求解5000萬個樣本的高斯波色取樣時,現時世界最快超級計算機預計耗時6億年,而“九章”僅需200秒。


研究團隊表示:“希望能夠通過15年到20年的努力,研製出通用量子計算機,以解决一些廣泛應用的問題,如密碼分析、氣象預報、藥物設計等,同時進一步探索物理、化學、生物學領域的一些複雜問題。”

 

此外,阿里巴巴集團也將開發量子計算機。2015年該公司與中國科學院成立了量子計算實驗室,2018年推出了能通過雲平臺使用的服務。

 

日本:另闢蹊徑加快步伐

 

日本也不甘示弱,加快了量子計算機研製的步伐。今年4月,日本富士通公司宣佈將與理化學研究院(RIKEN)合作,在後者現有的高級超導量子計算科技研究基礎上,在未來幾年內打造出擁有1000量子比特的量子計算機。

 

另據《日本經濟新聞》5月報導,以豐田、東芝和日本電氣公司為代表的50家企業計劃成立量子科技研究協定會,以推進量子科技的發展。

 

但日本量子計算機的研製路線與中美並不完全相同。谷歌等企業採用名為“量子門”的方式來開發量子計算機,這種量子計算機被稱為“通用型”,因為它可以處理任何計算任務,但缺點是量子比特很難保持穩定,而且難度隨量子比特數目的新增而新增。


而在日本備受期待的是被稱為“量子退火”的方式。這種量子計算機的特點是能快速從龐大的選項中找出最佳答案,且比量子門方式更穩定。但應用量子退火演算法的量子計算機,不再是通用型量子計算機,而是解决組合優化問題的專用機器,也被稱為特化型量子計算機,包括日本電器公司在內的日本多家公司現時都在探索這一方式。

 

據日媒2019年7月報導,日本國立情報學研究所開發的量子退打火機,擁有超過現有量子計算機的效能。NEC在2018年12月宣佈了一項量子退打火機研發計劃,最終目標是打造出能够支撐10萬個量子比特的量子退打火機。

 

儘管研發工作開展得如火如荼,但量子計算機距離嚴格意義的大規模商用還有待時日。科學進步從來都是漫長的苦旅,要研製出易創建、易管理和擴展的商用量子計算機,還需各國加大投入,研究人員上下求索。

 

(來源:科技日報)

 




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