关于中美“量子霸权”之战，库叔强烈推荐这篇烧脑的文章！

因为量子，国际IT巨头一直很“躁动”。

继去年底IBM抢先发布“50比特量子计算机样机”、英特尔于今年初发布“49比特量子芯片”后，仍在研制的谷歌和微软也已迫不及待“放风卡位”，称将公布“里程碑式”重大成果。

英特尔研发的量子芯片

这是一场关乎未来的信息生产力之战。IT巨头们急于抢占的是第一制高点：量子霸权。

在量子理论诞生118年之后，“第二次量子革命”的竞争进入关键阶段。目前，以企业和科研机构为先导，世界主要科技国家均已“参战”。

量子理论发轫于1900年，当时的中国只能做远远的看客；在20世纪下半叶“第一次量子革命”催生、兴起至今的信息科技浪潮中，中国成为“后发快跑”的追赶者；在第二次量子革命的临界点、加速段、窗口期，“中国量子军团”能有怎样的表现？

库叔今天带来一篇关于“量子霸权”的烧脑文，读完各位库友一定会有全新的认知。

文 | 张文卓 中科院量子信息与量子科技创新研究院副研究员

编辑 | 李浩然

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“秒杀”一切经典计算机的量子计算机

“量子霸权”是量子计算机发展阶段的一个重要标志。说起“量子霸权”，谈到量子计算机，就要先说说“量子”。

所谓量子，是构成物质的各种物理量的最基本单元，不可分割。人们所熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子，都是量子的一种表现形态。

早在20世纪50年代到70年代间，物理学家们就通过量子力学研究电子和光子的性质以及在材料中的运动规律，陆续发明了半导体晶体管、激光器、集成电路、磁盘、光纤等技术。以此为基础，20世纪80年代以来陆续诞生了个人电脑、手机、互联网等伟大发明，实现了第三次科技革命（又称为信息革命），将人类文明彻底带入了信息时代。

传统计算机的诞生，给人类带来了更多的发展机会。然而，有些任务太复杂，运算时间简直太长，可能研究者都垂暮甚至死去了，一个研究却还没算出来，人类显然需要一种全新的高性能计算技术，应该怎么办？

上世纪80年代，诺贝尔奖获得者理查德·菲利普·费曼（Richard Phillips Feynman）等人有了一个构想，基于两个奇特的量子特性——量子叠加和量子纠缠——构建“量子计算”。

理查德·菲利普·费曼（Richard Phillips Feynman）

接下来，在1994年，贝尔实验室的专家彼得·肖尔（Peter Shor）展示了如何使用量子计算机来破解加密。

目前世界范围内，各类国防军事机构、各类政务机构、各类银行金融机构等国家重要部门，还有众多需要个人远程登陆的网站、邮箱等广泛使用的公钥加密体系，都是类似于RSA的加密结构。它的安全性是由计算复杂度来保证的。例如，按照现在最快的电脑——神威·太湖之光超级计算机，破解一个1024比特的RSA密钥(目前比较常见的长度)也需要5457560年，大概就是500万年的样子，因此一般认为RSA密钥是安全的。

但肖尔提出的量子算法从根本上改变了这种情况，理论上可以在短时间内破译RSA密钥。例如，对于1024比特的RSA密钥，大概只需要1.4×107秒，大概就是160天左右。也就是说，只用半年左右的时间就能破译目前世界上最常用的密钥系统，这就是肖尔算法的强大之处。如果公钥加密的密码被破解，所有运行在公共网络上的数据都将变得透明，必将对整个互联网的安全造成重大影响。

肖尔让世界看到了量子计算机的巨大威力！

人们也渐渐明白，量子计算机是通过对微观粒子进行精确的量子操控，突破现有经典计算机限制的新一代计算机，谁掌握了量子计算机，谁就会引领下一次信息革命，而谁先开发出量子计算机，其他国家就有可能经历一场国家安全噩梦。

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比“神威·太湖之光”还快1500亿倍！

肖尔算法提出一年后，1996年，同在贝尔实验室的格罗弗提出了格罗弗算法，量子计算的格罗弗搜索算法远超出了经典计算机的数据搜索速度（耗费的时间是经典搜索的平方根关系），很轻松地“秒杀”传统经典计算机。打个比方，如果现在传统计算机的速度是自行车，量子计算机的速度就好比飞机。

贝尔实验室的格罗弗（Lov.Grover)

量子计算机为何能这么快？

传统计算机在二进制算法中只能“非此即彼”：要么是0，要么是1。但量子计算机却拥有了一种超强悍的能力——“同时存在”的能力，即“量子叠加”。

这种特性决定着它超快的计算能力，这是量子世界与经典世界的根本区别。我们就拿著名的“薛定谔猫”来举例，在经典世界里，猫要不然是活的，要不然是死的，然而一只量子的猫却可以处在“死”和“活”的叠加状态上。

如果还不明白，那我们再来画个图。

一个量子比特（可以同时处于0和1的量子状态）可以用图中的布洛赫球（在量子力学中，布洛赫球面是二能级量子力学系统纯态空间的一种几何表示方法）来表示。相比于经典比特（信息量的最小度量单位）只有0和1两个点，量子比特的取值则分布在整个球面上，即球面上任意一点都可以是某个量子比特的值。

这样我们就不难理解量子计算机为什么这么快了。

目前我们常用的经典计算机，在提取某个需要解决的问题时，需要把所有可能性列举并验证一遍，才能“找到”正确的信息，这相当于一个拥有双手的人，一个时间段只能做一件事情。

而量子并行计算能够直接计算并提取出相应信息，相当于一个“千手观音”，可以同时做2的N次方双手可以做的事情。

量子计算机与传统计算机的区别

如果未来一台64位量子计算机的单次运算速度达到目前普通计算机CPU的级别（1GHz），那么这台量子计算机的数据处理速度理论上将是目前世界上最快的“太湖之光”超级计算机（每秒9.3亿亿次）的1500亿倍。

中国自主研发的超级计算机“神威·太湖之光”

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IT产业巨头的未来都由量子计算机决定

速度决定了高度，量子计算机也有望在人类社会的大规模计算难题上大展拳脚：

一是在公共安全领域，量子计算可以瞬间处理监控数据库中60亿人次的脸部图片，并实时辨别出一个人的身份。

二是在公共交通领域，量子计算能够迅速对复杂的交通状况进行分析预判，从而调度综合交通系统，最大限度避免道路拥堵。

三是在人工智能领域，近几年量子计算机在人工智能方面的应用受到越来越多的关注，经典机器学习的算法受制于数据量和空间维度所决定的多项式时间，而量子计算机则能够更快地操控高维向量进行大数据分类，较经典计算机在机器学习速度上有显著的优势。

如今，汽车自动驾驶、自然语言处理、搜索引擎、线上广告、推荐系统等都是机器学习的热门领域，因此量子计算机决定了包括特斯拉、Google、微软、Amazon、Facebook、腾讯、阿里巴巴、百度等IT产业巨头公司在未来的发展方向和趋势。

四是在量子化学计算领域，量子计算机也有独特的优势。分子的模拟涉及求解数目众多的电子和原子的量子行为，在经典计算机上对其进行模拟非常困难，量子计算机可以大大加速模拟过程。

由此D-wave公司的CTO乔迪·洛斯（Geordie Rose）认为：“量子计算机最具颠覆性和吸引力的就是在分子维度上模拟自然，它在制药、化工还有生物科技等领域都有着广阔的应用，因此，量子计算可以撬动涵盖上述3个总价值3.1万亿美元的市场”。

在生物制药方面，一款可上市产品必然会经历一个漫长的实验各种分子结合过程，而这些实验绝大多数又以失败告终。通过量子计算机来节省大量的时间和成本，不仅有利于这些公司的商业产出，反过来也能极大地降低抗癌药等高价药的成本，最终帮助到普通病患。

这些都还只是量子计算机应用的冰山一角。不过，这些目前都还只是科学家的“理想”前景，现实中的量子计算机还远没有达到这个应用水平。

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量子计算机目前发展如何？

那现实中的量子计算机发展情况如何呢？

先来说决定量子计算机成败的两个指标：一个是量子退相干时间，另一个是可扩展性。

“退相干”指的是量子相干态（指量子力学中量子谐振子能够达到的一种特殊的量子状态）与环境作用演化到经典状态的时间。量子计算必需在量子叠加态上进行，因此量子计算机的退相干时间越长越好。

“可扩展性”指的是系统上可以增加更多的量子比特，从而才能走向实用化量子计算机。和经典计算机的简单增加比特不同，量子计算机需要把量子比特都纠缠起来，因此难度是指数的，每增加一个比特难度都要翻番。

不同物理系统做量子计算参数比较

从这两个指标出发，世界各地相关领域的科学家从不同的方向朝着同一目标努力，探索着各自的“量子世界”。将来哪条路线能实现通用量子计算机，鹿死谁手还未可知。

*离子阱方案

这是量子计算机提出最早的方案，技术上较为成熟，但可扩展性有限，限制了它向实用化量子计算机的发展。

这个方向上奥地利因斯布鲁克大学和美国科罗拉多大学世界领先。

*光量子方案

利用的是单光子做量子比特，通过复杂光路系统来计算。如果光子不被吸收和散射，它的相干性就一直能保持，因此它的退相干时间可以用现有的光学元件做到很长。它的可扩展性受到光子线宽和集成光路等技术的限制。

在这个方向上中国科学技术大学的潘建伟团队一直世界领先。（“中国量子军团”在这！）

中国科学技术大学的潘建伟团队

*核磁共振方案

它有着出色的退相干时间，但是单个分子的大小完全限制了可扩展性。

在这个方向上探索量子计算机的努力已经基本陷入停滞。

*超导电路方案

这种方案虽然退相干时间短，但是在可扩展性上一枝独秀。

IBM、Google等信息巨头们大力投资这个方向。Google投资了加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）的Martinis团队，成立了Google-UCSB联合实验室；

阿里巴巴集团投资了潘建伟院士团队，在中国科学技术大学上海研究院成立了中科院—阿里巴巴量子计算联合实验室，把超导方案作为重心来支持。（“中国量子军团”也在这！）

*金刚石方案

利用金刚石中的色心缺陷做量子比特，在退相干时间和可扩展性上受到了样品本身的限制。

这个方向上中国科学技术大学的杜江峰院士团队世界领先。（“中国量子军团”这也有!）

*超冷原子方案

与离子阱方案比较相似，可扩展性有限，目前更多的是用来做凝聚态系统的量子模拟。

这个领域世界领先的是德国马普学会量子光学所（MPQ），美国JILA实验室，哈佛-麻省理工联合冷原子中心等。

除此之外，还有其它一些物理系统，比如“拓扑量子计算”等。但它们在可扩展性方面无法超导电路相比。因此物理学家和IT巨头们大多都把未来通用量子计算机的期望主要寄托在了超导电路系统上。

显然，对量子计算机的研究是个“道阻且长”的过程，而为了更早地让量子计算机展现出它的优势，物理学家们想到了针对一些特殊的问题，可以用专用型量子计算机来解决。这些专用型量子计算机可以不需要逻辑门（操作一个小数量量子位元的量子线路 ），只靠自身系统的特点来通过模拟的方式来针对性地解决问题。

专用型量子计算机在解决一些问题上已经凸显了优势，比如加拿大的D-Wave公司研制的就是用绝热量子算法的来寻找基态（极小值）的专用型量子计算机；中国科学技术大学（中科院-阿里巴巴实验室）的光量子计算机用5个光量子模拟了玻色子采样问题，在这个问题上的它的计算速度已经超越了早期的经典计算机（比历史上第一台电子管计算机（ENIAC）和第一台晶体管计算机（TRADIC）。

谷歌购买的D-Wave量子计算机

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介绍了前面那些之后，我们该来认真地聊聊“量子霸权”了。

有人说，谁先夺取“量子霸权”，谁就掌握了技术制高点、标准制定权和舆论主导权，在产业竞争中占据有利地位。

那究竟什么是“量子霸权”？

根据前面专用型和通用型量子计算机的区分，可以将量子计算机的研制目标分为三个阶段：

第一个阶段就是“量子霸权”阶段。

专用型量子计算机针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，学术界将这一成就称之为“量子霸权”。一般实现量子霸权需要大约50个量子比特的相干操纵，这在2011年由美国物理学家提出，意指当量子计算机发展到50个比特时，计算能力将超越全球最快的传统计算机，实现“称霸”。

第二个阶段是实用化量子模拟机阶段。

实现数百个量子比特相干操纵的专用型量子计算系统，应用于具有实用价值的组合优化、量子化学、机器学习等方面，指导新材料设计、药物开发等。

第三个阶段是通用可编程的量子计算机阶段。

能够相干操纵数亿量子比特，实现可容错的量子计算机，能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。

也就是说，“量子霸权”只是量子计算机研制的第一个阶段，第一个阶段就已经有如此威力了。如果完成三个阶段，意味着人类实现了量子计算机的梦想，这将是人类实现第二次信息革命，全面进入量子信息时代的标志。

量子计算技术的发展路线

目前世界上有国家或企业实现“量子霸权”吗？

并没有。

2017年11月和2018年3月，IBM和Google分别宣称实现了50个和72个量子位的原型机。然而IBM和Google都没有宣布实现“量子霸权”，也没有公开相关测试结果，这意味着在技术上离“量子霸权”还有一定的距离。这是因为量子芯片通过半导体工艺加工出来，量子位数目可以任意增加，但是仅有量子比特数目的增加是远远不够的。在技术上更加困难的是对多量子比特的相干控制能力。如果一个芯片对多量子比特的相干控制能力没有获得好的测试结果，那么这个芯片就没有科学或实用价值。

与严谨的学术论文不同，IBM和Google发布这类新闻不需要经过任何测试和同行评议，很大程度上是出于商业目的。而目前经过严格同行评议并正式在国际学术期刊公开发表的最高质量测试结果是Google的9量子位超导芯片和我国的10量子位超导芯片。

尽管还未实现“量子称霸”，但主流观点认为，“量子霸权”时代必然会到来，这是一场谁都输不起的竞争。

在信息时代，量子计算技术一旦突破，掌握这种能力的国家，会在经济、军事、科研、安全等领域迅速建立全方位优势。

近年来，多个国家投入巨资启动量子计算研发。

去年10月，美国国会举办听证会，讨论如何确保“美国在量子技术领域的领先地位”。IBM投入30亿美元研发量子计算等下一代芯片，微软公司也与多所大学共建量子实验室。

欧盟从2018年开始，投入10亿欧元实施“量子旗舰”计划。英国在牛津大学等高校建立量子研究中心，投入约2.5亿美元培养人才。荷兰向代尔夫特理工大学投资1.4亿美元研究量子计算。

日本计划10年内在量子计算领域投资3.6亿美元。加拿大已投入2.1亿美元资助滑铁卢大学的量子研究。澳大利亚、银行等出资8300万澳元在新南威尔士大学成立量子计算公司。

我国也积极投入到了这场关乎未来的科技竞赛中，并且在光量子计算方面一直都处于世界领先地位，同时大力发展超导量子计算。在超导量子计算方面，中科院量子信息和量子科技创新研究院和Google量子人工智能实验室、IBM公司以是国际上最强的三家机构。目前Google处于最领先地位，但是我国差距并不大。

不过发达国家拥有长期形成的强大半导体工业基础、人才资源储备、精密仪器设备制造能力和高效的科技成果转化链条，国际巨头企业的介入也提供了强大的研发资金保障。而我国在量子计算研究相关的公共技术积累比较少，特别是超导微纳加工工艺方面，需要积蓄一段时间才能实现超越式发展。

按照国家对量子信息科技在“十三五”期间的统筹安排和整体部署，科技创新2030“量子通信与量子计算机”重大项目的必要性和可行性都已得到充分论证。中科院量子信息与量子科技创新研究院也初步统筹了全国高校、科研院所和企业的创新要素和优势资源，为量子信息科学国家实验室的建立奠定了坚实的基础。

我国预计在2020年左右实现“量子霸权”的科学目标，追赶上美国的领先优势。

总监制：吴亮

监制：夏宇

责编：戴丽丽 李逸博

编务：黄俊峰