中国科技2020|终极计算机之争

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2020年年终的中共中央经济工作会议上,中国政府为2021年发展重点部署八大任务。这场中共高层官员的工作会议,不仅将“强化国家战略科技力量”列为下一年经济发展首要任务,且坦言要通过举国体制优势发展高科技,“尽快解决一批‘卡脖子’问题”。显然,在高科技领域的全球竞争中,中国要提高自己的话语权。回看2020年,中国在探月工程、火星探测、卫星导航、载人深潜、量子研究、数据库技术替代、核聚变技术国际参与以及中微子实验和芯片制造等领域,均有亮眼表现或国家战略部署。这些领域的科技研究,对应着怎样的现实意义?中国的竞争优势和现实挑战格局如何?下一步的发展方向又在哪里?

中国量子计算原型机“九章”问世,此前中国在量子技术中的通信领域优势明显。(新华社)

12月初,曾经在量子通信领域研发全球首颗量子通信卫星“墨子号”的潘建伟团队公布了他们在量子技术的另一领域——量子计算,所取得的成果。他的团队凭借成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”,让中国成为继美国之后全球第二个实现量子霸权(Quantum Supremacy,量子计算优越性)的国家。

量子计算机的概念始于1980年代,并在此后得到论证。以往的计算机以“0”或“1”表示信息,而量子力学的世界可以出现“既是0也是1”的特殊状态。根据量子力学的这一物理法则,以“量子比特(quantum bit)”为计算单位,量子计算机能够进行并行计算,批量处理庞大的信息。

据介绍,在解决特定的计算问题——这里指求解5,000万个高斯玻色取样(玻色子是一类遵循特定量子力学规则的粒子)问题时,“九章”可以在200秒时间内完成全球运算速度最快的超级计算机日本“富岳”6亿年才能完成的任务。

同时,它也比2019 年 9 月让美国获得首个“量子霸权”的谷歌发布53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快100亿倍。当时,这台计算机仅用3分20秒便完成了在超级计算机上需要一万年的计算。

当然,世界上远不仅仅只有中国和美国在量子计算机上研发上你追我赶,而竞争也不仅仅是在计算方法和运算效率,还包括硬件材料的准备等等。但是,中国和美国在过去的十年间快速累积量子技术的专利项目,并牢牢占据其中的亚军、冠军位置,优势是显而易见的。

但是,即便二者存在竞争,双方的发展路径是有相当大的不同点的。从发展历程来看,美国目前依然掌握着全球量子研究,包括谷歌、微软等IT巨头和初创企业纷纷涉足其中。而中国早前的努力主要集中在量子通信和加密技术研究方面(已超过美国)。

《日经》中文网引述日本科学技术振兴机构研究开发战略中心介绍,中国申请的“量子密码”及“量子通信”专利数量远超美国和日本。由于可以运用量子来实现无法窃听的通信和密码,中国似乎立足于人造卫星通信和国防建设,对量子技术十分重视。华为技术等企业申请了很多这方面的专利。

同时,中国的量子计算研究则是近年的事情,不过已经由潘建伟等国家队后来追上,其他中国IT企业尤其是私营企业如阿里巴巴、百度等都已经进行了布局,跃跃欲试。

谷歌2019年推出的量子计算机采用超导方式,这一方式与阿里巴巴的项目相同。(Reuters)

从量子计算的研发路径和方向上,Google“悬铃木”采取的是通过将物质冷却至极低温度以去掉电阻的“超导”电路来计算的方式。这种方式也被IBM采用,属于过去量子计算机开发的主流。但潘建伟的“九章”则不同,它通过让光子在组合有镜子等的电路中流动来进行计算。不需要冷冻设备及真空容器等,容易处理。实际上,国际社会普遍看好后者,并认为中国可能已经占到了先机。当然,“先机”还远远不是不可突破的绝对优势。

不过,量子计算的应用仍然基本停留在理论层面,无论是“悬铃木”还是“九章”都还是就特定问题进行的计算,无法应用到现实场景中。

即使如此,比较公认的是,其一,量子计算将是突破现代物理环境下普通计算机的人类终极计算机,它对传统计算机运算效率的优势将是跨次元的。

其二,鉴于人类社会环境的数字化程度越来越高,快速处理海量的数据信息将是传统计算机无法完成的任务,而量子计算则从计算方法上降低运算量,完成传统计算机无法完成的任务。

其三,量子计算机研发有可能在未来十年到二十年内进入应用,主要在需要大数据的人工智能领域、智能公共管理以及模拟研发过程中得到应用。

正是因为如此,中国政府2016年“十三五”国家科技创新规划将量子相关技术定位为重要领域。“十四五”规划建议尽管只是提到“量子信息”,但是要知道中国政府在大数据和人工智能的发展要求,很显然是包括量子计算作为技术基础支撑的。

根据新华社10月份的一篇报道,“中国科学技术大学、清华大学等高校近年来都在量子计算领域取得一些阶段性成果。百度、阿里巴巴、腾讯、华为等科技企业也相继出台了量子计算研究计划。9月,百度、本源量子等企业先后发布了自己的最新量子计算云平台,使普通用户也能通过云技术使用量子计算”

与此同时,美国政府在2021年度预算案中,列入了两年投入近10亿美元、每年的研究费翻倍的计划。而日本则在物理和化学材料之外,希望凭借自己人才优势掌握更多的基础优势。一场优势争夺战正在紧锣密鼓进行。

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