科技云報道原創(chuàng)。
“兩會嘮科”是由騰訊科技推出的兩會特別策劃，重點講述中國科技名片。本期與科技云報道聯(lián)合出品，聚焦中國量子計算研究成果和相關進展。
全球越來越多的國家加入到量子科技領域的競賽當中，爭奪下一步的技術戰(zhàn)略制高點。
今年兩會，全國人大代表、中國科學院量子信息重點實驗室副主任郭國平就計劃提出量子領域人才培養(yǎng)問題。他建議，打造體系化、高層次量子科技人才培養(yǎng)平臺，完善科技人員績效考核評價機制，建立以信任為前提的頂尖科學家負責制。
過去20多年，中國在量子計算領域進行了全方位的布局，在量子計算基礎理論、物理實現(xiàn)體系、軟件算法等領域均開展研究，并成為唯一在超導和光量子方向上都達到“量子霸權”的國家。
毫無疑問，量子計算已經成為中國硬科技的一張名片。
盡管成績顯赫，但量子計算攻堅作為一場持久戰(zhàn)，也還有很多問題有待突破和解決，包括技術落地難、產業(yè)配套不齊全、人才短缺等問題，需要大家理性、客觀的認知。
各國爭奪算力“核武器”
對于大多數人而言，量子計算是一個頗具科幻色彩的詞匯。
普通老百姓最接近量子計算概念的時刻，大約是國產電影《流浪地球2》中的智能量子計算機MOSS。
要理解什么是量子計算，以及為什么量子計算對于各個國家如此重要，可以從當下普遍使用的經典計算機入手。
在經典計算機中，信息是以二進制代碼（0和1）的形式流通的，就是所謂的比特。
如果每個比特不用數字傳遞，而是改用一個粒子來傳遞的話，那么就可以大幅度推進計算機的微型化，即量子計算機。
這種技術理論來源于20世紀初人類歷史上最偉大的科學革命之一——量子力學，它構成了描述基本粒子現(xiàn)象的理論基礎。
20世紀90年代以來，隨著人們可以對光子、原子等微觀粒子進行主動的精確操縱，量子計算技術也隨之誕生。
不同于經典計算機依靠“比特”（0和1）來處理信息，支撐量子計算的“量子比特”是微小的亞原子粒子，可以同時存在于某種比例的兩種狀態(tài)，就像一枚硬幣在半空中旋轉，遵循三進制（0、1、2）的計算方法。
其中，0和1是確定狀態(tài)，2在量子力學中一般被稱為疊加態(tài)，是n個狀態(tài)的疊加。
在量子計算機的運行過程中，“2”的存在使得量子計算機可以在同一時間處于n種狀態(tài)中。
舉個例子，假設存在一臺有四個比特的傳統(tǒng)計算機，這臺計算機每一秒只能得到一個狀態(tài)，也就是0000或0101，那么想要獲得所有狀態(tài)就需要16秒。
但是，有一臺四個量子比特的量子計算機，它可以同時計算從0000到1111的所有排列組合，這意味著量子計算機只需要1秒鐘就可以輸出16種狀態(tài)，相當于16臺傳統(tǒng)計算機同時運行的效率。
這種從二元處理到多元處理的飛躍，成倍地提高了計算能力。
中國科學院院長白春禮院士曾表示，使用億億次的天河二號超級計算機求解一個億億億變量的方程組，所需時間為100年。而使用一臺萬億次的量子計算機求解同一個方程組，僅需0.01秒。
隨著比特數的增加，量子計算機與經典計算機之間的性能差距呈指數級增長，量子計算的速度可以達到傳統(tǒng)計算望塵莫及的高度。
中科院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉曾經說過，“如果說傳統(tǒng)計算機是機關槍，那么量子計算機就像核武器。”
正是由于量子計算極大超越了經典計算機的超并行計算能力，在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領域具有突出優(yōu)勢，一旦突破量子計算技術，掌握這種能力的國家和主體，便會在經濟、軍事、科研、安全等領域迅速建立全方位優(yōu)勢。
例如，美國國家反情報和安全中心（NCSC）認為，大規(guī)模的量子計算機可以任何破解加密系統(tǒng)，嚴重威脅國家信息安全。
如此前景之下，全球主要國家都在量子信息領域加強科技政策布局，推出發(fā)展戰(zhàn)略和研究項目規(guī)劃，加大公共研發(fā)資金的支持投入力度，推動量子技術從“基礎到市場”。
2018年12月，美國啟動了為期10年的《國家量子行動法案》，計劃5年投資超30億美元；
歐盟于2018年10月正式實施“量子技術旗艦項目”，總經費超過40億歐元；
英國于2016年啟動“國家量子技術專項”，迄今總投入已超過10億英鎊；
2018年9月，德國政府通過“量子技術：從基礎到市場”國家量子技術框架計劃，在2018—2022年內投入6.5億歐元，在新冠肺炎疫情后又追加了20億歐元。
相較之下，中國在量子信息領域公共投資方面處于全球領先地位。
2017年，中國投資超100億美元在合肥市建造了世界上最大的量子研究設施——量子信息科學國家實驗室；至2022年，該實驗室投資達到近150億美元。
在國家政策層面，2021年，量子信息作為“關鍵技術”被寫入“十四五規(guī)劃”；2022年，中央經濟工作會議指出加快新能源、人工智能、生物制造、綠色低碳、量子計算等前沿技術研發(fā)和應用推廣。
量子計算作為未來算力的“核武器”，已成為世界各國和地區(qū)力圖搶占的戰(zhàn)略制高點。
中國進入“第一梯隊”
如今在量子計算發(fā)展上，全球各國已開啟了排位賽，如果從技術水平來看，究竟哪個國家實力最強？
對于量子計算的研究，業(yè)界公認有三個指標性的發(fā)展階段：
第一階段的目標是實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性（又稱“量子霸權”），即量子計算機對特定問題的計算能力超越超級計算機。
研究表明，當量子計算可控制的量子比特數量超過60-70個后，就可以達到一定的量子優(yōu)越性，這一目標已經有美國、中國和加拿大先后達到。
目前，國際上最高記錄來自美國IBM推出的量子計算芯片，可高達433個量子比特，而中國最新推出的量子處理器擁有121個量子比特。
第二階段的目標是實現(xiàn)專用的量子模擬機，可以應用于組合優(yōu)化量子化學、機器學習等特定問題，來指導材料設計、藥物開發(fā)等。
要達到這一階段，按照目前的估計還需要5到10年，是當前學術界主要的研究任務。
第三階段是在實現(xiàn)量子糾錯的基礎上，構建可編程通用量子計算機。由于技術上的難度，何時實現(xiàn)通用量子計算機尚未明確，學術界一般認為還需要15年至20年，甚至更長的時間。
在技術路線方面，各國科學家都在探索基于多種不同物理體系的量子計算研究，比如超導量子比特體系、光學體系、離子阱體系、超冷原子體系……
目前，中國是唯一在超導和光量子方向上都達到“量子計算優(yōu)越性”的國家，而諸如離子阱、硅自旋等技術路線的研究同樣在進行中。
據業(yè)內專家透露，在超冷原子體系上，我國目前整體與歐美發(fā)達國家處于并跑狀態(tài)，在規(guī)模化原子糾纏的制備與操縱，對自旋軌道耦合、超冷分子反應等的量子模擬方面取得了系列重要成果，為解決若干經典計算機難以勝任的復雜問題奠定了基礎。
總的來看，我國對量子計算的研究與發(fā)達國家處于同一階段，已進入國際“第一梯隊”。
目前，中國已完成了所有重要量子計算體系的研究布局，成為包括歐盟、美國在內的三個具有完整布局的國家(地區(qū))之一。
不僅如此，中國的量子技術專利數量也在快速增長。
據IPRdaily2022全球量子計算技術發(fā)明專利排行榜（TOP100）榜單顯示，截至2022年10月18日，入榜前100名企業(yè)主要來自18個國家和地區(qū)，美國占比40%，中國占比15%，日本占比11%。
其中，美國公司IBM以1323件專利位列第一，美國公司Google和加拿公司D-Wave分別以762件專利、501件專利排名第二位和第三位。
中國公司本源量子以234件量子計算專利數量排名中國第一、世界第六，超越了排名世界第七的英特爾公司。
榜單還顯示，從2020年到2022年，中國的量子計算技術發(fā)明專利由137件增長至804件，實現(xiàn)約五倍增長。
同時，更多中國公司開始進入Top 100榜單，如：本源量子、百度網訊、浪潮、騰訊科技、華為、阿里巴巴、圖靈量子等。
盡管中國的量子計算專利數量正在快速增長，但這并代表中國在量子計算技術上已經領先美國。
與IBM、Google這些量子計算賽道里面最強的美國團隊相比，以本源量子為代表的中國團隊，目前仍然處于追趕國外一流水平的地位。
正如郭國平所說，在量子計算技術研發(fā)上，中國還有很高的科學高峰需要攀登。
產業(yè)化臨界點來臨
近年來，中美等國陸續(xù)實現(xiàn)量子優(yōu)越性，并交付出工程化的量子計算機整機，這標志著量子計算踏入了發(fā)展的第二階段，為實現(xiàn)通用量子計算奠定了基礎。
技術突破，讓量子計算不再只是一個實驗室產物，而是有可能解決實際問題，甚至有望顛覆一個行業(yè)，創(chuàng)造一個全新的行業(yè)。
上海交大集成量子信息技術研究中心（IQIT）主任、圖靈量子創(chuàng)始人金賢敏認為，在國內，量子計算產業(yè)化已是正當其時。
除了國家之間科技競爭的需求外，量子計算已經到了走出實驗室的臨界點。
百度量子計算研究所所長段潤堯也表示，“如果我們能夠突破這個臨界點，后面就能夠得到數百個量子比特，就可以在一些人工智能、組合優(yōu)化的應用上產生效果”。
這就不能不提，IBM在量子計算軟件發(fā)展路線圖中預計，到2030年量子計算可能達到上百萬量子比特，這標志著量子計算機即將實現(xiàn)商業(yè)化。
若以2030年為量子計算商用元年，基于賽迪《2021量子計算技術創(chuàng)新與趨勢展望》報告測算，預計2030年全球量子計算市場規(guī)模將達到140.1億美元，并以30%左右的增速平緩上漲，至2035年預計會達到489.7億美元的量子計算市場規(guī)模。
巨大的市場潛力，吸引了很多投資機構和科技企業(yè)，希望在量子計算產業(yè)化早期的階段就參與進來。
國際頭部科技互聯(lián)網企業(yè)如：谷歌、IBM、微軟、英特爾、霍尼韋爾等均圍繞量子科技展開布局。
國內方面，阿里、騰訊、百度、華為近年來先后布局量子計算，如：阿里推出了量子模擬器“太章”；百度成立了量子計算研究所；華為推出了“昆侖”量子計算模擬一體機。
同時，創(chuàng)業(yè)公司也正在跑步入場，全球不斷有量子計算公司在拿到大額的融資：
2022年，來自歐洲的超導量子計算公司IQM宣布獲得世界基金(World Fund)領投的1.28億歐元A2輪融資，在7月刷新了歐洲量子計算公司的融資記錄；
緊接著，國內的本源量子宣布正式完成近10億元的B輪融資，登頂當年全球量子計算融資榜首。
此外，加拿大的光量子計算公司Xanadu獲得了1億美元的融資，美國中性原子量子計算公司Atom Computing獲得了6000萬美元的融資，牛津量子電路公司(OQC)宣布A輪融資3800萬英鎊，以色列量子算法設計平臺提供商Classiq宣布B輪融資3300萬美元，法國量子計算公司Alice & Bob也拿到了2700萬歐元融資……
而國內也在展開融資競爭賽，近一年來，國內已有9家量子計算企業(yè)獲得融資，融資額在億元以上的就有5家，包括量旋科技、圖靈量子、華翊量子、未磁科技、本源量子。
這些量子計算公司融資的特點是，不僅金額大，一線機構多，還表現(xiàn)在融資輪次密。
據光子盒研究院報告數據，2021年量子科技公司完成融資共計49筆，全年融資總額近32億美元（約202億人民幣），是2020年全年融資規(guī)模的3倍多。
在應用層面，氣象、金融、石油化工、材料、生物醫(yī)藥、汽車交通等眾多行業(yè)已開始關注和重視到“量子計算”的巨大發(fā)展?jié)摿?，并開始與量子計算企業(yè)進行合作探索。
不過值得注意的是，量子計算的各種技術路才剛起步，商業(yè)化前景仍然存在不確定性。
華映資本管理合伙人章高男表示，量子計算遠沒有實現(xiàn)技術收斂，且10年之內肯定無法在普通商業(yè)環(huán)境中跟傳統(tǒng)計算抗衡。
量子計算攻關在即
顛覆性的技術優(yōu)勢以及空前的市場想象力，引發(fā)資本押注量子計算，但也面臨著諸多客觀的挑戰(zhàn)和難題。
以國內量子計算產業(yè)為例，仍面臨著技術落地難、產業(yè)配套不健全等方面的挑戰(zhàn)。
例如，目前量子計算在運算過程中難以提供穩(wěn)定的算力；量子比特的數量雖然已達到了量子優(yōu)越性，但量子糾纏的操縱精度、糾錯容錯能力仍舊不夠等。
從產業(yè)鏈來看，量子計算設備供應商主要以國際公司為主，特別是稀釋制冷機和低溫同軸線纜。
在芯片制造方面，目前國內量子芯片的制造過程主要是在實驗室完成，但國際上一些領先的量子計算團隊已經在工廠制造量子芯片。
在軟件方面，國際上已有100多家量子軟件公司，但中國的量子軟件公司較少。
此外，相比于產業(yè)配套的不健全，人才短缺也掣肘量子計算的發(fā)展。
據國家統(tǒng)計局最新公布數據，全國量子產業(yè)領域一線人才僅百余人。
更為緊迫的是，在量子信息科技領域，歐美也開始加大出口管制。
在經典計算機體系內，計算芯片設計與制造的核心技術掌握在科技巨頭公司手中，并處于壟斷地位。但在量子計算領域，全球尚未形成壟斷性巨頭公司或者較高的技術專利壁壘，當前搶占技術入口將獲得至關重要的議價權。
為此，國家提出“十四五”期間的重點任務是力爭造出真正“有用”的專用量子模擬機，即相干操縱數百個量子比特，用于解決若干超級計算機無法勝任的實用問題的量子計算機。
對此，潘建偉表示，在量子計算方面，需要在光子、離子、超導、超冷原子金剛石色心、量子點、拓撲等物理體系中，突破量子疊加和量子糾纏的長時間保持、多粒子糾纏、超越容錯閾值的高精度量子比特操縱等技術。
同時，鑒于量子計算迅猛的發(fā)展態(tài)勢，也需要相關部門與研究機構合作探索量子計算可能的應用模式以及相關的算法研究等。
結語
量子計算是一門艱深的學科，人類目前所做的研究不過是剛剛敲開量子科技的大門，在諸多物理體系的技術突破上仍充滿荊棘。
而量子計算從實驗室走向產業(yè)化的過程，也需要一個漫長的周期。這場量子計算的全球爭奪戰(zhàn)，本質上更像一場長跑馬拉松。
在面向“十四五”乃至更長遠的未來，量子計算能否成為中國在全球科技產業(yè)中“換道超車”、掌握尖端技術話語權的重要核心技術，且拭目以待。
來源：科技云報道
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