九章问世,我国在量子计算领域实现对美国的反超

12 月 4 日,中科大潘建伟、陆朝阳团队在《科学》上在线发表了论 文,宣布成功构建 76 个光子的量子计算原型计算机“九章”,求解数学 算法高斯玻色取样只需 200 秒,而目前世界最快的超级计算机需要用 6 亿年。

 从中国在量子信息领域的发展情况来看,我们在量子通信领域处于全 球领先的地位,在量子计算领域前期落后于美国。但是此次“九章” 的问世意味着我国已经在量子计算领域成为了除美国以外,第二个实 现量子霸权的国家,同时实现了在量子计算领域对美国的反超。

1. 充满关注和争议的量子信息

量子信息在众人眼中是一个神秘而充满争议的科技领域,一方面量子信息并没有走向日常 应用,还处于非常前沿的科技领域;另一方面,我国科研团队在量子信息部分领域走在了世界 的前沿,高层在量子信息领域给予了极大的关注度,让量子信息频频出现在众多政策规划之中。

1.1. 量子信息的高光时刻

从资本市场角度来看,量子信息在两个阶段获得了市场较高的关注,一个是2016年到2017 年我国在量子保密通信领域获得了重大突破,先后发射了全球第一颗量子科学实验卫星“墨子 号”和开通了世界上第一条量子保密通信干线——“京沪干线”;第二个是 2020 年 10 月 16 日,第十九届第二十四次中央政治局集体学习会议就是以“量子科技研究和应用前景”为议题 的,而在此之前中央政治局在 4 季度都会进行一次信息科技领域相关的议题,包括了网络强国、 大数据、人工智能、区块链等相关重要领域,也充分说明了量子信息对科技发展的重要性。

此外,潘建伟、彭承志、陈宇翔、陆朝阳、陈增兵团队还因为在多光子纠缠及干涉度量方 面的成绩获得了 2015 年度的国家自然科学奖一等奖。2016 年由科技部牵头的科技创新 2030 的 16 个项目中也包括了“量子通信与量子计算机”,目标是“研发城域、城际、自由空间量子 通信技术,研制通用量子计算原型机和实用化量子模拟机”。2020 年 10 月 29 日通过的《中共 中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》中,也将 量子信息定位为科技创新 7 个重要的发展领域之一。

全球来看,美国 2018 年在出口管制方面新加入的 14 类新兴技术限制方向中也包括了“量 子信息和传感技术”。于此同时,2018 年 12 月美国将《国家量子倡议法案》签署为法律,2020 年 2 月发布了《美国量子网络战略构想》,明确提出将开辟量子互联网,而且还设立了未来 5 年和 20 年两个目标和计划。此外,2020 年 8 月特朗普公布的 2021 年预算提案中,联邦研究 经费被再次削减,但是在人工智能和量子技术领域的预算却逆势增长了 54%和 60%。

1.2. 目前量子信息发展中面临的主要问题

量子信息作为一种前沿科学,目前仅有的落地的应用集中在量子保密通信领域。在这个应 用方向中,以中科大潘建伟为首的团队已经实现了全球领先,成为了近现代唯一一个由中国新 创造的产业,因而也面对了更多的市场质疑。

2020 年 7 月 9 日,国盾量子作为 A 股唯一一家专业从事量子通信技术的企业正式登陆科 创板。而通过审视国盾量子的基本面情况我们可以看到,公司收入在 2017 年达到峰值 2.84 亿 以后,仍然处于逐年减少的过程中。

从量子保密通信核心产品 QKD 设备的工作距离这一核心指标来看,目前量子保密通信已 经可以实现 509 公里真实环境光纤的双量子密钥分发和相位匹配量子密钥分发,而在我们京沪 干线相邻站点最大距离仅为 89km,从实验环境到工业化产品落地还有大量技术难题需要突破。

2. 此次技术突破意义何在?

2.1. 量子信息是什么?

量子信息是量子力学与信息科学的交叉学科,是借助量子力学的特性,实现经典信息科学 中实现不了的功能。在量子力学的诸多原理中,叠加、测量、纠缠三大违反宏观世界认知的奥 义对量子信息的研究起到了决定性作用。传统的信息科学使用比特作为最基本的表示单位,对应了 0 和 1 两个可能的状态;而量子信息中使用的量子比特是一个旋钮,对应无穷多个状态, 信息量大幅增加。因而面对计算量指数级增长的问题时,量子信息可以发挥出潜在的巨大优势。 但是量子信息的利用对算法要求较高,目前人类仅仅在少数特定应用上取得了突破

量子信息按照研究内容可以分为量子计算、量子通信、量子测量三个大类,其下又可以分 为量子因数分解、量子搜索、量子保密通信(又称量子密钥分发、量子密码术,QKD)、量子隐 性传态(QT)等应用领域。

2.2. 九章的问世让我国在量子计算领域实现对美国的反超

从中国在量子信息领域的发展情况来看,我们在量子通信领域处于全球领先的地位,在量 子计算领域前期落后于美国。但是此次“九章”的问世意味着我国已经在量子计算领域成为了 除美国以外,第二个实现量子霸权的国家,同时实现了在量子计算领域对美国的反超。

(1)超越早期计算机;

(2)超越个人电脑;

(3)超越超级计算机:涉及就是量子霸权(也称“量子计算优越性”)的概念,具体来说 是指量子计算在解决特定计算困难问题时,相比于超级计算机可实现指数量级的运算处理加速, 从而体现量子计算原理性优势。业界认为,如果量子计算机能以足够低的误差有效操纵50个 左右量子比特,计算能力就能实现量子霸权。

2019 年 10 月,google 宣布首次实现“量子霸权”。Google 称其新的 53 位量子计算机悬铃 木可以在 200 秒内运行需要全球最庞大的超级计算机耗时 10000 年才能完成的测试。

根据目前最优的经典算法,“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超 级计算机“富岳”快一百万亿倍,等效地比 google 的量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。 同时,九章通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量,克服了 google 53 比 特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。此外,学术界关于 google 是否实现 了量子霸权仍然存在争议,IBM 就宣称可以通过对算法的经典模拟优化来提升超算的能力,让 google 称霸失败,而对于九章的成果业界给出了近乎一致的肯定。

2.3. 九章出现以后,量子计算机对经典计算机的替代之路仍然漫长

在九章出现以后,量子计算要实现对经典计算机的替代仍然长路漫漫。从量子计算发展的 三个阶段来看这个过程:

第一阶段,针对一些特殊问题实现量子霸权。虽然目前这一步我们已经实现,但是随着经 典算法和硬件的不断优化,量子计算与经典计算的竞争还是处于长期的动态过程。此外九章处理的“高斯玻色取样”问题和悬铃木处理的“随机线路采样”问题都是有利于证明量子霸权的 问题,目前都没有实用价值。

第二阶段,实现一种专用的量子模拟机,可以解决高温超导机制、特殊材料设计等目前计 算机无法处理的、有实用价值的问题,预计需要几百个量子比特量级来实现;

第三阶段,造出可编程的通用量子计算机,具备容错能力,以及软件、算法的支撑,可能 需要上百万甚至更多的物理比特来实现。

在未来相当长的一段时间内,量子计算机不会替代经典计算机,而是成为经典计算机的补 充。因而在发展量子计算的同时,各国仍然在努力加快 E 级超算的研发和加大对超算应用的探 索,来夺取“算力”的制高点。

3. 量子信息领域接下来的看点

3.1. 卫星发射和网络建设

我国计划到 2030 年左右率先建成全球化的广域量子保密通信网络,并在此基础上,构建 信息充分安全的“量子互联网”。基于这一规划我们看到国内正在建设以及拟建设的重大项目主 要有:

(1)国家广域量子骨干网,总长度约 3.5 万公里。2018 年 2 月发改委批复建设国家广域 量子骨干网络建设一期工程项目,总投资 7.78 亿元(包括京汉段、汉广段、沪合段三段骨干网 约 3,800 公里),建设期三年。

(2)山东“齐鲁干线”:2020 年 3 月山东省出台《关于山东省数字基础设施建设的指导意 见》,提出依托济南、淄博、潍坊和青岛等市,构建横贯东西的量子保密通信“齐鲁干线”,满 足与京津冀、长三角及海外重要城市间广域量子保密通信需求。项目已有明确的建设投资计划, 用三年分两期建设

(3)国盾量子与中国电信合作及试点安徽省“江淮量子网”:中国电信将通过与国盾量子 的合资公司逐步建成覆盖安徽省 16 个地市的量子通信江淮网和量子安全云。

(4)广东粤港澳量子通信骨干网:2020 年 11 月 5 日出台《广东省推进新型基础设施建设 三年实施方案(2020—2022 年)》,提出加快建成广佛肇量子安全通信示范网,规划建设粤港澳 量子通信骨干网,部署建设量子卫星地面站,推动与国家广域量子保密通信骨干网络无缝对接, 探索构建量子互联网。

(5)国防领域量子通信项目:国盾量子 6 月公告称“在预研及演示验证阶段,有关科研 类项目已持续为科大国盾带来订单。目前发行人正在配合相关主管部门进行型号研制前期准备 工作,型号研制完成后待列装可能带来持续性订单。”

3.2. 量子信息科学国家实验室的建设

目前,我国正在进行量子信息科学国家实验室的建设,这是继墨子号量子卫星、量子通信 “京沪干线”之后,中国在量子科学领域的又一次大手笔投入,涉及到的国家长期投入将达到千 亿元。

作为国家重点支持的重大前沿科技项目,量子信息科学国家实验室涉及合肥、上海和北京 等地,仅合肥实验室占地就将达 554 亩,是安徽省科技创新的“一号工程”。

2016 年,为贯彻落实习近平总书记视察安徽重要讲话精神,安徽省委、省政府决定依托中 科大创建量子信息科学国家实验室。按照科技部要求,由中科大潘建伟院士牵头按照与科技创 新 2030—重大项目“量子通信与量子计算机”一体化实施的思路,编制了国家实验室组建方案,提出了“一总部、两分中心加网络”的建设格局。

该项目已经获得安徽省和上海市政府各 10 亿元左右的配套启动资金,2017 年安徽省财政 还设立了总规模 100 亿元的量子科学产业发展基金。 量子信息科学国家实验室一期计划总投资 70 亿元,预计 2020 年底可竣工。项目建成后将 进一步推动国家量子科技发展。

3.3. 潘建伟将成为诺贝尔奖有力争夺者

近年来,潘建伟及其团队在量子计算和量子通信领域接连取得举世瞩目的成就,后续或将 成为中国在诺贝尔奖方面有力的争夺者。

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