二维超导量子比特芯片示意图,每个橘色十字代表一个量子比特。
图片来源:中国科学技术大学
量子计算机将在新药研发和密码破解等各方面超越传统计算机,对产业界和国家安全战略产生巨大影响,引发各国政府高度关注,美国、中国和日本等国都开始发力。
今年6月28日,中国科学技术大学潘建伟院士团队在预印本网站arXiv发表论文称,“祖冲之号”最短能在1.2小时内完成世界最强超级计算机8年才能完成的任务;美国谷歌公司希望2029年能研制出首台商用量子计算机;日本政府5月宣布,计划与东芝、日本电气公司、富士通等约50家日本企业合作成立量子研究团体,以推动量子技术的发展。
三国逐鹿量子计算机研制领域,谁领风骚?
市场潜力足 战略意义大
量子计算机在执行某些大规模计算时,速度比最好的传统计算机快得多,能在密码破译、大数据优化、天气预报、药物分析等领域“大显身手”。
《日本经济新闻》7月6日报道,如果借助量子计算机开发出划时代的电池和药物,将让全人类受益。发展到更高水平,量子计算机有望破解网络密码,从而影响安全,而掌握量子技术的国家将在高科技领域掌握主导权。
美国波士顿咨询公司的数据显示,到2050年,量子计算机有望创造8500亿美元的利润。日本《设计新闻》网站也在7月6日的报道中指出,未来30年,量子计算机市场预计价值1万亿美元。
美国:2029年研制出商用量子计算机
正是量子计算机的潜能和“财”能,使政府、企业和科学家“竞折腰”。
谷歌公司今年5月公布了正在推进的量子计算机开发计划,目标是2029年研制出首台商用量子计算机。
其实早在2019年,谷歌就利用其53个量子比特的量子计算机“悬铃木”,在200秒内解决了最尖端超级计算机“顶点”(Summit)需要花1万年才能解决的问题,成功实现了“量子霸权”的突破性进展——“量子霸权”用来表示“在存储和通信带宽呈指数级增加后,量子计算机拥有传统超级计算机所不具有的能力”。
而令谷歌公司心心念念的是“作为通用产品的量子计算机”,他们希望借其解决现有计算机束手无策的各种难题,如帮助开发应对气候变化的新材料、抑制全球大流行病的药物等。
要解决设想中的难题,现在的量子比特数远远不够,谷歌计划将量子比特的数量增至100万个,还将解决计算时出错这一最大的难题。但增加量子比特意味着计算机的布线和控制更困难,因此需要大规模技术创新,为此谷歌已在美国加州设立了新的研发基地。
另据《科学》杂志报道,去年9月美国IBM公司称,将在2023年前建造一台包含1000个量子比特的量子计算机,同时提高容错率。
从国家层面来看,2018年,美国在以量子计算机为核心的量子信息科学领域敲定了国家战略,实施了在5年里最多投入13亿美元的美国《国家量子倡议法案》。
中国:弯道超车实现“量子霸权”
《设计新闻》网站的报道指出,制造量子比特有几种不同方法:超导、光子、离子阱和半导体(硅)中的电子自旋。
目前,谷歌和IBM一直致力于利用零电阻超导电路开发量子计算机,其核心研究目标是增加可操纵的量子比特数量,并提升操纵的精度,最终应用于实际问题。
在这方面,中国已经后来居上。据《科学》杂志报道,今年5月,潘建伟院士团队宣布成功构建了目前超导量子比特数目最多、包含62个比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”,并实现了可编程的二维量子行走,在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用。今年6月,研究团队再接再厉,成功将“祖冲之号”从62超导量子比特提升到66超导量子比特,从而最短能在1.2小时内完成世界最强超级计算机8年才能完成的任务。
除超导方式外,中国科技大学早在2020年就采用光子的方式继谷歌之后实现了“量子霸权”:成功构建了76个量子比特(光子)的量子计算原型机“九章”。据悉,当求解5000万个样本的高斯波色取样时,目前世界最快超级计算机预计耗时6亿年,而“九章”仅需200秒。
研究团队表示:“希望能够通过15年到20年的努力,研制出通用量子计算机,以解决一些广泛应用的问题,如密码分析、气象预报、药物设计等,同时进一步探索物理、化学、生物学领域的一些复杂问题。”
此外,阿里巴巴集团也将开发量子计算机。2015年该公司与中国科学院成立了量子计算实验室,2018年推出了能通过云平台使用的服务。
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