“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(guān)進展。

全球越來越多的國家加入到量子科技領(lǐng)域的競賽當中，爭奪下一步的技術(shù)戰(zhàn)略制高點。

今年兩會，全國人大代表、中國科學(xué)院量子信息重點實驗室副主任郭國平就計劃提出量子領(lǐng)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(xué)家負責制。

過去20多年，中國在量子計算領(lǐng)域進行了全方位的布局，在量子計算基礎(chǔ)理論、物理實現(xiàn)體系、軟件算法等領(lǐng)域均開展研究，并成為唯一在超導(dǎo)和光量子方向上都達到“量子霸權(quán)”的國家。

毫無疑問，量子計算已經(jīng)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(shù)落地難、產(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(jīng)典計算機入手。

在經(jīng)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(shù)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(shù)理論來源于20世紀初人類歷史上最偉大的科學(xué)革命之一——量子力學(xué)，它構(gòu)成了描述基本粒子現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。

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(shù)也隨之誕生。

不同于經(jīng)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(zhuǎn)，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(xué)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(shè)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(xué)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(shù)的增加，量子計算機與經(jīng)典計算機之間的性能差距呈指數(shù)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(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉曾經(jīng)說過，“如果說傳統(tǒng)計算機是機關(guān)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(jīng)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(lǐng)域具有突出優(yōu)勢，一旦突破量子計算技術(shù)，掌握這種能力的國家和主體，便會在經(jīng)濟、軍事、科研、安全等領(lǐng)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(lǐng)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(shù)從“基礎(chǔ)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(shù)旗艦項目”，總經(jīng)費超過40億歐元；

英國于2016年啟動“國家量子技術(shù)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(shù)：從基礎(chǔ)到市場”國家量子技術(shù)框架計劃，在2018—2022年內(nèi)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(lǐng)域公共投資方面處于全球領(lǐng)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(shè)施——量子信息科學(xué)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(guān)鍵技術(shù)”被寫入“十四五規(guī)劃”；2022年，中央經(jīng)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(shù)研發(fā)和應(yīng)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(shù)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(quán)”），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(shù)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(jīng)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(yīng)用于組合優(yōu)化量子化學(xué)、機器學(xué)習(xí)等特定問題，來指導(dǎo)材料設(shè)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(xué)術(shù)界主要的研究任務(wù)。

第三階段是在實現(xiàn)量子糾錯的基礎(chǔ)上，構(gòu)建可編程通用量子計算機。由于技術(shù)上的難度，何時實現(xiàn)通用量子計算機尚未明確，學(xué)術(shù)界一般認為還需要15年至20年，甚至更長的時間。

在技術(shù)路線方面，各國科學(xué)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(dǎo)量子比特體系、光學(xué)體系、離子阱體系、超冷原子體系……

目前，中國是唯一在超導(dǎo)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(shù)路線的研究同樣在進行中。

據(jù)業(yè)內(nèi)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)�；�原子糾纏的制備與操縱，對自旋軌道耦合、超冷分子反應(yīng)等的量子模擬方面取得了系列重要成果，為解決若干經(jīng)典計算機難以勝任的復(fù)雜問題奠定了基礎(chǔ)。

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(nèi)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(shù)專利數(shù)量也在快速增長。

據(jù)IPRdaily2022全球量子計算技術(shù)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(shù)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(shù)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(wǎng)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(shù)量正在快速增長，但這并代表中國在量子計算技術(shù)上已經(jīng)領(lǐng)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(shù)研發(fā)上，中國還有很高的科學(xué)高峰需要攀登。

產(chǎn)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(chǔ)。

技術(shù)突破，讓量子計算不再只是一個實驗室產(chǎn)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(shù)研究中心（IQIT）主任、圖靈量子創(chuàng)始人金賢敏認為，在國內(nèi)，量子計算產(chǎn)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(jīng)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(shù)百個量子比特，就可以在一些人工智能、組合優(yōu)化的應(yīng)用上產(chǎn)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(yù)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(shù)創(chuàng)新與趨勢展望》報告測算，預(yù)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(yù)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(gòu)和科技企業(yè)，希望在量子計算產(chǎn)業(yè)化早期的階段就參與進來。

國際頭部科技互聯(lián)網(wǎng)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(nèi)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(dǎo)量子計算公司IQM宣布獲得世界基金（World Fund）領(lǐng)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(nèi)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(shè)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(nèi)也在展開融資競爭賽，近一年來，國內(nèi)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(gòu)多，還表現(xiàn)在融資輪次密。

據(jù)光子盒研究院報告數(shù)據(jù)，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(yīng)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(guān)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(shù)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(shù)收斂，且10年之內(nèi)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(guān)在即

顛覆性的技術(shù)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(nèi)量子計算產(chǎn)業(yè)為例，仍面臨著技術(shù)落地難、產(chǎn)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(shù)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(chǎn)業(yè)鏈來看，量子計算設(shè)備供應(yīng)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(nèi)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(lǐng)先的量子計算團隊已經(jīng)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(chǎn)業(yè)配套的不健全，人才短缺也掣肘量子計算的發(fā)展。

據(jù)國家統(tǒng)計局最新公布數(shù)據(jù)，全國量子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域一線人才僅百余人。

更為緊迫的是，在量子信息科技領(lǐng)域，歐美也開始加大出口管制。

在經(jīng)典計算機體系內(nèi)，計算芯片設(shè)計與制造的核心技術(shù)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(lǐng)域，全球尚未形成壟斷性巨頭公司或者較高的技術(shù)專利壁壘，當前搶占技術(shù)入口將獲得至關(guān)重要的議價權(quán)。

為此，國家提出“十四五”期間的重點任務(wù)是力爭造出真正“有用”的專用量子模擬機，即相干操縱數(shù)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(dǎo)、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(shù)。

同時，鑒于量子計算迅猛的發(fā)展態(tài)勢，也需要相關(guān)部門與研究機構(gòu)合作探索量子計算可能的應(yīng)用模式以及相關(guān)的算法研究等。

結(jié)語

量子計算是一門艱深的學(xué)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(shù)突破上仍充滿荊棘。

而量子計算從實驗室走向產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)業(yè)中“換道超車”、掌握尖端技術(shù)話語權(quán)的重要核心技術(shù)，且拭目以待。

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       原文標題 : 中國躋身量子計算“第一梯隊”，為何它是硬科技必爭之地？丨兩會嘮科