關於中美「量子霸權」之戰，庫叔強烈推薦這篇燒腦的文章！

因為量子，國際IT巨頭一直很「躁動」。

繼去年底IBM搶先發布「50比特量子計算機樣機」、英特爾於今年初發布「49比特量子晶元」後，仍在研製的谷歌和微軟也已迫不及待「放風卡位」，稱將公布「里程碑式」重大成果。

英特爾研發的量子晶元

這是一場關乎未來的信息生產力之戰。IT巨頭們急於搶佔的是第一制高點：量子霸權。

在量子理論誕生118年之後，「第二次量子革命」的競爭進入關鍵階段。目前，以企業和科研機構為先導，世界主要科技國家均已「參戰」。

量子理論發軔於1900年，當時的中國只能做遠遠的看客；在20世紀下半葉「第一次量子革命」催生、興起至今的信息科技浪潮中，中國成為「後發快跑」的追趕者；在第二次量子革命的臨界點、加速段、窗口期，「中國量子軍團」能有怎樣的表現？

庫叔今天帶來一篇關於「量子霸權」的燒腦文，讀完各位庫友一定會有全新的認知。

文 |張文卓 中科院量子信息與量子科技創新研究院副研究員

編輯 | 李浩然

本文為瞭望智庫原創文章，如需轉載請在文前註明來源瞭望智庫（zhczyj）及作者信息，否則將嚴格追究法律責任。

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「秒殺」一切經典計算機的量子計算機

「量子霸權」是量子計算機發展階段的一個重要標誌。說起「量子霸權」，談到量子計算機，就要先說說「量子」。

所謂量子，是構成物質的各種物理量的最基本單元，不可分割。人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現形態。

早在20世紀50年代到70年代間，物理學家們就通過量子力學研究電子和光子的性質以及在材料中的運動規律，陸續發明了半導體晶體管、激光器、集成電路、磁碟、光纖等技術。以此為基礎，20世紀80年代以來陸續誕生了個人電腦、手機、互聯網等偉大發明，實現了第三次科技革命（又稱為信息革命），將人類文明徹底帶入了信息時代。

傳統計算機的誕生，給人類帶來了更多的發展機會。然而，有些任務太複雜，運算時間簡直太長，可能研究者都垂暮甚至死去了，一個研究卻還沒算出來，人類顯然需要一種全新的高性能計算技術，應該怎麼辦？

上世紀80年代，諾貝爾獎獲得者理查德·菲利普·費曼（Richard Phillips Feynman）等人有了一個構想，基於兩個奇特的量子特性——量子疊加和量子糾纏——構建「量子計算」。

理查德·菲利普·費曼（Richard Phillips Feynman）

接下來，在1994年，貝爾實驗室的專家彼得·肖爾（Peter Shor）展示了如何使用量子計算機來破解加密。

目前世界範圍內，各類國防軍事機構、各類政務機構、各類銀行金融機構等國家重要部門，還有眾多需要個人遠程登陸的網站、郵箱等廣泛使用的公鑰加密體系，都是類似於RSA的加密結構。它的安全性是由計算複雜度來保證的。例如，按照現在最快的電腦——神威·太湖之光超級計算機，破解一個1024比特的RSA密鑰(目前比較常見的長度)也需要5457560年，大概就是500萬年的樣子，因此一般認為RSA密鑰是安全的。

但肖爾提出的量子演算法從根本上改變了這種情況，理論上可以在短時間內破譯RSA密鑰。例如，對於1024比特的RSA密鑰，大概只需要1.4×107秒，大概就是160天左右。也就是說，只用半年左右的時間就能破譯目前世界上最常用的密鑰系統，這就是肖爾演算法的強大之處。如果公鑰加密的密碼被破解，所有運行在公共網路上的數據都將變得透明，必將對整個互聯網的安全造成重大影響。

肖爾讓世界看到了量子計算機的巨大威力！

人們也漸漸明白，量子計算機是通過對微觀粒子進行精確的量子操控，突破現有經典計算機限制的新一代計算機，誰掌握了量子計算機，誰就會引領下一次信息革命，而誰先開發出量子計算機，其他國家就有可能經歷一場國家安全噩夢。

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比「神威·太湖之光」還快1500億倍！

肖爾演算法提出一年後，1996年，同在貝爾實驗室的格羅弗提出了格羅弗演算法，量子計算的格羅弗搜索演算法遠超出了經典計算機的數據搜索速度（耗費的時間是經典搜索的平方根關係），很輕鬆地「秒殺」傳統經典計算機。打個比方，如果現在傳統計算機的速度是自行車，量子計算機的速度就好比飛機。

貝爾實驗室的格羅弗（Lov.Grover)

量子計算機為何能這麼快？

傳統計算機在二進位演算法中只能「非此即彼」：要麼是0，要麼是1。但量子計算機卻擁有了一種超強悍的能力——「同時存在」的能力，即「量子疊加」。

這種特性決定著它超快的計算能力，這是量子世界與經典世界的根本區別。我們就拿著名的「薛定諤貓」來舉例，在經典世界裡，貓要不然是活的，要不然是死的，然而一隻量子的貓卻可以處在「死」和「活」的疊加狀態上。

如果還不明白，那我們再來畫個圖。

一個量子比特（可以同時處於0和1的量子狀態）可以用圖中的布洛赫球（在量子力學中，布洛赫球面是二能級量子力學系統純態空間的一種幾何表示方法）來表示。相比於經典比特（信息量的最小度量單位）只有0和1兩個點，量子比特的取值則分布在整個球面上，即球面上任意一點都可以是某個量子比特的值。

這樣我們就不難理解量子計算機為什麼這麼快了。

目前我們常用的經典計算機，在提取某個需要解決的問題時，需要把所有可能性列舉並驗證一遍，才能「找到」正確的信息，這相當於一個擁有雙手的人，一個時間段只能做一件事情。

而量子並行計算能夠直接計算並提取出相應信息，相當於一個「千手觀音」，可以同時做2的N次方雙手可以做的事情。

量子計算機與傳統計算機的區別

如果未來一台64位量子計算機的單次運算速度達到目前普通計算機CPU的級別（1GHz），那麼這台量子計算機的數據處理速度理論上將是目前世界上最快的「太湖之光」超級計算機（每秒9.3億億次）的1500億倍。

中國自主研發的超級計算機「神威·太湖之光」

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IT產業巨頭的未來都由量子計算機決定

速度決定了高度，量子計算機也有望在人類社會的大規模計算難題上大展拳腳：

一是在公共安全領域，量子計算可以瞬間處理監控資料庫中60億人次的臉部圖片，並實時辨別出一個人的身份。

二是在公共交通領域，量子計算能夠迅速對複雜的交通狀況進行分析預判，從而調度綜合交通系統，最大限度避免道路擁堵。

三是在人工智慧領域，近幾年量子計算機在人工智慧方面的應用受到越來越多的關注，經典機器學習的演算法受制於數據量和空間維度所決定的多項式時間，而量子計算機則能夠更快地操控高維向量進行大數據分類，較經典計算機在機器學習速度上有顯著的優勢。

如今，汽車自動駕駛、自然語言處理、搜索引擎、線上廣告、推薦系統等都是機器學習的熱門領域，因此量子計算機決定了包括特斯拉、Google、微軟、Amazon、Facebook、騰訊、阿里巴巴、百度等IT產業巨頭公司在未來的發展方向和趨勢。

四是在量子化學計算領域，量子計算機也有獨特的優勢。分子的模擬涉及求解數目眾多的電子和原子的量子行為，在經典計算機上對其進行模擬非常困難，量子計算機可以大大加速模擬過程。

由此D-wave公司的CTO喬迪·洛斯（Geordie Rose）認為：「量子計算機最具顛覆性和吸引力的就是在分子維度上模擬自然，它在製藥、化工還有生物科技等領域都有著廣闊的應用，因此，量子計算可以撬動涵蓋上述3個總價值3.1萬億美元的市場」。

在生物製藥方面，一款可上市產品必然會經歷一個漫長的實驗各種分子結合過程，而這些實驗絕大多數又以失敗告終。通過量子計算機來節省大量的時間和成本，不僅有利於這些公司的商業產出，反過來也能極大地降低抗癌藥等高價葯的成本，最終幫助到普通病患。

這些都還只是量子計算機應用的冰山一角。不過，這些目前都還只是科學家的「理想」前景，現實中的量子計算機還遠沒有達到這個應用水平。

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量子計算機目前發展如何？

那現實中的量子計算機發展情況如何呢？

先來說決定量子計算機成敗的兩個指標：一個是量子退相干時間，另一個是可擴展性。

「退相干」指的是量子相干態（指量子力學中量子諧振子能夠達到的一種特殊的量子狀態）與環境作用演化到經典狀態的時間。量子計算必需在量子疊加態上進行，因此量子計算機的退相干時間越長越好。

「可擴展性」指的是系統上可以增加更多的量子比特，從而才能走向實用化量子計算機。和經典計算機的簡單增加比特不同，量子計算機需要把量子比特都糾纏起來，因此難度是指數的，每增加一個比特難度都要翻番。

不同物理系統做量子計算參數比較

從這兩個指標出發，世界各地相關領域的科學家從不同的方向朝著同一目標努力，探索著各自的「量子世界」。將來哪條路線能實現通用量子計算機，鹿死誰手還未可知。

*離子阱方案

這是量子計算機提出最早的方案，技術上較為成熟，但可擴展性有限，限制了它向實用化量子計算機的發展。

這個方向上奧地利因斯布魯克大學和美國科羅拉多大學世界領先。

*光量子方案

利用的是單光子做量子比特，通過複雜光路系統來計算。如果光子不被吸收和散射，它的相干性就一直能保持，因此它的退相干時間可以用現有的光學元件做到很長。它的可擴展性受到光子線寬和集成光路等技術的限制。

在這個方向上中國科學技術大學的潘建偉團隊一直世界領先。（「中國量子軍團」在這！）

中國科學技術大學的潘建偉團隊

*核磁共振方案

它有著出色的退相干時間，但是單個分子的大小完全限制了可擴展性。

在這個方向上探索量子計算機的努力已經基本陷入停滯。

*超導電路方案

這種方案雖然退相干時間短，但是在可擴展性上一枝獨秀。

IBM、Google等信息巨頭們大力投資這個方向。Google投資了加州大學聖芭芭拉分校（UCSB）的Martinis團隊，成立了Google-UCSB聯合實驗室；

阿里巴巴集團投資了潘建偉院士團隊，在中國科學技術大學上海研究院成立了中科院—阿里巴巴量子計算聯合實驗室，把超導方案作為重心來支持。（「中國量子軍團」也在這！）

*金剛石方案

利用金剛石中的色心缺陷做量子比特，在退相干時間和可擴展性上受到了樣品本身的限制。

這個方向上中國科學技術大學的杜江峰院士團隊世界領先。（「中國量子軍團」這也有!）

*超冷原子方案

與離子阱方案比較相似，可擴展性有限，目前更多的是用來做凝聚態系統的量子模擬。

這個領域世界領先的是德國馬普學會量子光學所（MPQ），美國JILA實驗室，哈佛-麻省理工聯合冷原子中心等。

除此之外，還有其它一些物理系統，比如「拓撲量子計算」等。但它們在可擴展性方面無法超導電路相比。因此物理學家和IT巨頭們大多都把未來通用量子計算機的期望主要寄托在了超導電路系統上。

顯然，對量子計算機的研究是個「道阻且長」的過程，而為了更早地讓量子計算機展現出它的優勢，物理學家們想到了針對一些特殊的問題，可以用專用型量子計算機來解決。這些專用型量子計算機可以不需要邏輯門（操作一個小數量量子位元的量子線路 ），只靠自身系統的特點來通過模擬的方式來針對性地解決問題。

專用型量子計算機在解決一些問題上已經凸顯了優勢，比如加拿大的D-Wave公司研製的就是用絕熱量子演算法的來尋找基態（極小值）的專用型量子計算機；中國科學技術大學（中科院-阿里巴巴實驗室）的光量子計算機用5個光量子模擬了玻色子採樣問題，在這個問題上的它的計算速度已經超越了早期的經典計算機（比歷史上第一台電子管計算機（ENIAC）和第一台晶體管計算機（TRADIC）。

谷歌購買的D-Wave量子計算機

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「量子霸權」競爭激烈，多國投入「戰局」

介紹了前面那些之後，我們該來認真地聊聊「量子霸權」了。

有人說，誰先奪取「量子霸權」，誰就掌握了技術制高點、標準制定權和輿論主導權，在產業競爭中佔據有利地位。

那究竟什麼是「量子霸權」？

根據前面專用型和通用型量子計算機的區分，可以將量子計算機的研製目標分為三個階段：

第一個階段就是「量子霸權」階段。

專用型量子計算機針對特定問題的計算能力超越經典超級計算機，學術界將這一成就稱之為「量子霸權」。一般實現量子霸權需要大約50個量子比特的相干操縱，這在2011年由美國物理學家提出，意指當量子計算機發展到50個比特時，計算能力將超越全球最快的傳統計算機，實現「稱霸」。

第二個階段是實用化量子模擬機階段。

實現數百個量子比特相干操縱的專用型量子計算系統，應用於具有實用價值的組合優化、量子化學、機器學習等方面，指導新材料設計、藥物開發等。

第三個階段是通用可編程的量子計算機階段。

能夠相干操縱數億量子比特，實現可容錯的量子計算機，能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智慧等方面發揮巨大作用。

也就是說，「量子霸權」只是量子計算機研製的第一個階段，第一個階段就已經有如此威力了。如果完成三個階段，意味著人類實現了量子計算機的夢想，這將是人類實現第二次信息革命，全面進入量子信息時代的標誌。

量子計算技術的發展路線

目前世界上有國家或企業實現「量子霸權」嗎？

並沒有。

2017年11月和2018年3月，IBM和Google分別宣稱實現了50個和72個量子位的原型機。然而IBM和Google都沒有宣布實現「量子霸權」，也沒有公開相關測試結果，這意味著在技術上離「量子霸權」還有一定的距離。這是因為量子晶元通過半導體工藝加工出來，量子位數目可以任意增加，但是僅有量子比特數目的增加是遠遠不夠的。在技術上更加困難的是對多量子比特的相干控制能力。如果一個晶元對多量子比特的相干控制能力沒有獲得好的測試結果，那麼這個晶元就沒有科學或實用價值。

與嚴謹的學術論文不同，IBM和Google發布這類新聞不需要經過任何測試和同行評議，很大程度上是出於商業目的。而目前經過嚴格同行評議並正式在國際學術期刊公開發表的最高質量測試結果是Google的9量子位超導晶元和我國的10量子位超導晶元。

儘管還未實現「量子稱霸」，但主流觀點認為，「量子霸權」時代必然會到來，這是一場誰都輸不起的競爭。

在信息時代，量子計算技術一旦突破，掌握這種能力的國家，會在經濟、軍事、科研、安全等領域迅速建立全方位優勢。

近年來，多個國家投入巨資啟動量子計算研發。

去年10月，美國國會舉辦聽證會，討論如何確保「美國在量子技術領域的領先地位」。IBM投入30億美元研發量子計算等下一代晶元，微軟公司也與多所大學共建量子實驗室。

歐盟從2018年開始，投入10億歐元實施「量子旗艦」計劃。英國在牛津大學等高校建立量子研究中心，投入約2.5億美元培養人才。荷蘭向代爾夫特理工大學投資1.4億美元研究量子計算。

日本計劃10年內在量子計算領域投資3.6億美元。加拿大已投入2.1億美元資助滑鐵盧大學的量子研究。澳大利亞政府、銀行等出資8300萬澳元在新南威爾士大學成立量子計算公司。

我國也積極投入到了這場關乎未來的科技競賽中，並且在光量子計算方面一直都處於世界領先地位，同時大力發展超導量子計算。在超導量子計算方面，中科院量子信息和量子科技創新研究院和Google量子人工智慧實驗室、IBM公司以是國際上最強的三家機構。目前Google處於最領先地位，但是我國差距並不大。

不過發達國家擁有長期形成的強大半導體工業基礎、人才資源儲備、精密儀器設備製造能力和高效的科技成果轉化鏈條，國際巨頭企業的介入也提供了強大的研發資金保障。而我國在量子計算研究相關的公共技術積累比較少，特別是超導微納加工工藝方面，需要積蓄一段時間才能實現超越式發展。

按照國家對量子信息科技在「十三五」期間的統籌安排和整體部署，科技創新2030「量子通信與量子計算機」重大項目的必要性和可行性都已得到充分論證。中科院量子信息與量子科技創新研究院也初步統籌了全國高校、科研院所和企業的創新要素和優勢資源，為量子信息科學國家實驗室的建立奠定了堅實的基礎。

我國預計在2020年左右實現「量子霸權」的科學目標，追趕上美國的領先優勢。

總監製：吳亮

監製：夏宇

責編：戴麗麗 李逸博

編務：黃俊峰

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