编译:宸熙,学术plus观察员

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随着数字化转型和颠覆性技术的到来, 人工智能 竞赛、 量子 竞赛、5G竞赛、人工智能芯片竞赛等在全球范围内层出不穷。当前正是量子计算竞赛的关键阶段,参与量子计算竞赛的国家纷纷在其5年量子计算发展规划中为多个量子项目分配数百万美元的预算,进一步加剧了全球量子计算竞争,促进了量子计算技术的快速发展。尤其在量子竞赛中处于领先地位的国家,通过彼此间的竞争极大地推动了量子计算研发能力和利用量子计算实际解决难题的能力。

美国《全球科技展望》杂志收录了2021年参与有效量子计算竞赛的主要国家,本文就此梳理总结了世界量子计算大国如德国、加拿大、美国、印度、日本等国家的最新进展,包括量子计算发展战略与经费投入等。

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本文主要内容及关键词:

  • 1.全球量子计算发展现状:美国(12个量子研究中心+科技巨头资助+国家量子倡议法案),中国(量子网络),德国(量子技术和应用联盟),加拿大(IBM量子中心+11家初创企业),印度(塔塔基础研究院),日本(第一台商用尖端量子计算机)

  • 2.量子计算机进展:超导量子计算机(谷歌悬铃木,祖冲之二号);光基超级量子计算机(九章二号)

  • 3.未来趋势:中美政府投入差距巨大,美国公司专业仍占优势,IBM计划在2022推出400个量子比特的处理器,2023年生产1000个量子比特的处理器。

  • 4.评述:量子计算国际竞争日益激烈,美国正在出台政策加大政府方面投入,美国早期主要依托科技巨头公司发展量子计算,在全球量子竞赛中占据一定优势,今后美国期望通过加强政府、科研机构、科技巨头公司间的合作,使得其能赢得全球量子计算竞赛。

内容主要整理自外文网站相关资料

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一、全球发展现状

全球量子计算发展现状

1.1 美国

美国政府已经拨款数亿美元建立12个量子研究中心,用以提高量子计算的生产力。美国能源部下属的5个量子计算中心得到了一个6.25亿美元的项目的资助,并且得到了美国IBM、英特尔、微软等多家科技巨头价值3.4亿美元的资助。这些资金主要来自于美国《国家量子倡议法案》的12亿美元。

1.2 中国

已将量子信息学列为“十三五”规划和“中国制造2025”规划的关键目标,是第一个建成量子科学卫星“墨子号”的国家,也是第一个建成量子网络的国家,该“量子网络”将北京和上海连接起来,全长4600公里,此外还致力于创建世界上第一个最大的量子实验室。目前已拥有多个相关研发项目和3000多项专利,并为中国科学院量子信息和量子物理卓越研究中心、空间尺度的量子实验、国家量子实验室以及京沪量子通信骨干链路提供了稳定的研发预算。

1.3 德国

德国致力于成为量子竞赛的顶级国家之一,通过规划量子计算路线图为德国量子计算生态系统奠定基础。德国政府已拨款24亿美元与研究机构、工业、政府机构和社区合作,并且有多所著名大学致力于量子研究,以期在量子计算领域成为欧洲领先国家。目前已有10家领先的德国公司共同创立了“量子技术和应用联盟”,将量子计算的基本原理开发成用例。最近与IBM的合作为德国在量子竞赛中赢得了一席之地。

1.4 加拿大

加拿大决心成为量子技术领先的国家,计划在7年内为国家量子战略拨款3.6亿美元用来提升量子研究的实力。加拿大在七国集团中排名第五,而在量子研究方面人均排名第一。2020年,IBM与加拿大舍布鲁克大学合作,在加拿大推出了第一个IBM量子中心。超过11家加拿大初创企业正在探索量子计算改变多种行业的机会。加拿大量子产业的任务是确保国内量子技术和创新转化为加拿大的商业成功,以增强其国家的经济前景。加拿大政府提供221万美元用以鼓励建立量子算法研究所来提升创新能力,以使其成为量子技术领域的顶尖国家之一。

1.5 印度

印度政府在2020年联邦预算中为国家量子技术和应用任务拨款11.2亿美元。印度作为一个发展中国家,正逐渐成为能与量子技术高度发展国家进行量子竞赛的一员。印度塔塔基础研究院的量子测量和控制实验室是印度唯一一个专注于量子计算的实验小组。印度的目标是在5年内建造一台50量子比特的量子计算机。印度研究人员在全球国际期刊发表了100份有关量子计算的论文。IBM还与一些印度顶级教育机构合作,提供对量子计算系统的完全访问。印度还宣布了印度科学教育与研究学院和芬兰阿尔托大学之间的量子计算合作。

1.6 日本

近日,IBM和东京大学公布了日本第一台用于商业应用的尖端量子计算机,并将参与最激烈的量子竞赛。日本政府决定在10年内投资2.76亿美元,以成为量子技术领先的国家之一。日本企业有多种量子计算研发战略,日本政府也出台不同的政策(量子飞跃旗舰计划等)以高效且有效地支持研发。日本从2025年起就致力于在将量子密码学投入到实际应用中,预算为1400万美元。

二、量子计算机

2.1 传统超级计算机

美国军方的传统超级计算机主要用来对装备设计、图像处理和信号处理进行复杂的仿真,用以模拟生成预期结果以及发现关键环节,并通过分析海量数据摸清仿真对象的内在联系。但是由于传统超级计算机最小计算位也要在1和0间的切换上花费时间,所以采用传统超级计算机执行任务属于时间和资源密集型,而量子计算机可以通过创造量子位绕开传统计算机这一物理限制,从而可以极大提升计算速度。

2.2 超导量子计算机

超导量子计算机可以通过生成1和0值的叠加绕过物理限制。从本质上说,标准计算比特位必须是1或0。但是物质的物理性质在极低的温度下会发生重大变化,超导量子计算机利用这些变化来创造量子位(量子比特),而且它不受传统计算机所面临的处理障碍的限制。量子位可以同时为1或0。这有望极大地加快计算速度,能够使今后无法破解的问题(比如解密当前无法破解的代码)得以解决,将人工智能和机器学习推向新的高度,设计出全新的材料、化学品和药物。

全球的科学和军事强国正在投资数十亿美元,竞相将这一预想变成现实。中国近年来得了几项显著的进步。2020年,中国科学技术大学进行了首次天基量子通信,即利用“墨子号”卫星在相距1000多英里的两个地面站之间建立了一条超安全的数据链路。

2019年9月,谷歌称其53量子比特的“悬铃木”量子处理器在3.3分钟内完成了传统超级计算机需要至少2.5天才能完成的任务。2021年10月,中国宣布打破了解决“随机线路取样”这一复杂问题的记录,“祖冲之二号”量子处理器比三年前谷歌的“悬铃木”速度快了100万倍,该成果已于2021年10月25日发表于《物理评论快报》和《科学通报》国际权威学术期刊。

2.3 光基超级量子计算机

2021年10月,中国团队发布报告称其光基“九章二号”量子处理器可以在1毫秒内完成传统计算机需要30万亿年才能完成的任务。这一突破标志着量子处理器的最快速度,其量子位是基于光而不是超导的。超导计算机运行所需的量子态是脆弱的、不稳定的,容易造成大量错误。

然而,光基超级计算机也有其缺点,即该类量子计算机由于其脆弱的状态很难增加光子的数量。光基超级量子计算机和超导量子计算机中哪种方法更有前景,还有待进一步观察研究。

三、发展趋势

美国未来量子计算发展现状与趋势

3.1 中美量子计算发展对比

中国量子计算的成就主要源于政府的重视,量子计算领域的投资逐年稳定递增。美国政府在2018年根据一项新的国家战略为量子计算研究仅投资了12亿美元。2021年,美国参议院通过了一项法案,在美国国家科学基金会设立一个技术与创新理事会,并追加290亿美元用于2022年至2026年的量子计算和人工智能研究,但这项法案还需要与上个月众议院通过的一项类似法案进行协调。

尽管美国公司在量子计算这一特定领域拥有更多专利,但就目前而言,中国的研究人员、公司和机构在量子技术方面拥有的专利要比美国多。

3.2 美国未来量子计算发展趋势

美国距离实现真正的量子计算还需要几年的时间。目前大多数量子计算机能够在大约50个量子位的情况下协同工作,而要实现量子计算在解码方面的全部潜能,就需要数千个量子位。但量子计算在这方面正取得进展。据报道,IBM在2021年11月生产出了127个量子比特的超导量子计算机,并打算在2022年推出400个量子比特的处理器,然后计划在2023年生产1000个量子比特的处理器。

由于量子计算在许多领域的巨大战略潜力,这种竞争在不久的将来将会变得更加激烈。美国是否能跟上量子计算竞赛的步伐还有待观察。

四、评述

发展量子计算的战略潜力促使德国、加拿大、美国、印度、日本等世界量子计算大国,纷纷制定本国的量子计算发展战略,不断增加在量子计算领域的投入,以期在量子计算竞赛中赢得一席之地。

美国在量子领域具有一定优势,虽然在美国政府量子计算方面的投入较低,但是美国的IBM、谷歌、微软、亚马逊、英特尔等大型科技公司在量子计算广阔前景的驱动下,通过多方融资大力发展量子计算,使得美国在量子计算方面发展仍然非常迅猛。

随着美国政府日益提高对量子计算的重视程度,不断加大政府投资,尤其是2021年美国众议院通过《国家量子倡议法案》,为美国量子计算提供了12亿美元的资金投入,同时积极与大型量子计算公司和机构合作,由美国能源部和美国国家科学基金会先后建立了5个国家QIS研究中心、3个量子飞跃挑战研究所和1个量子经济发展联盟。美国政府对量子计算的投入以及加深与科研机构、科技公司的深度合作,为美国量子计算发展提供了巨大助力,能够使其在全球量子计算竞赛保持领先甚至有望赢得量子计算竞赛。美国在量子计算方面的一系列动作也昭示了其渴望赢得量子计算竞赛的勃勃雄心。

https://www.defenseone.com/ideas/2022/04/china-may-have-just-taken-lead-quantum-computing-race/365707/

https://www.globaltechoutlook.com/quantum-computing-top-countries-participating-in-quantum-race/

https://physicsworld.com/a/google-reports-quantum-supremacy-in-draft-paper/

https://www.cas.cn/cm/202110/t20211027_4811306.shtml