量子計算機真的來了嗎？

作者：工業和信息化部賽迪研究院 王闖 呂堯

2017 年 3 月，谷歌稱量子計算機 5 年內將實現商用化，而 IBM 則宣布今年將推出全球第一個商業化量子計算雲服務。近幾年，谷歌、 IBM、微軟等 IT 巨頭不斷加大對量子計算機的投入力度，並在商業層面發布了一系列成果，引發社會廣泛關注。科學界、產業界等相關各方對量子計算機研發進展仍有分歧，量子計算機何時能夠實用並走向產業化尚無定論。

量子計算機是基於量子力學中的疊加原理和量子糾纏等性質進行數據計算的計算機，在密碼學、科學模擬、大數據處理等領域具有傳統計算機無法比擬的優勢。當前，量子計算機的研究正處於從實驗室階段向工程技術階段邁進的關鍵時期，世界各國的研究機構和 IT 巨頭都不斷加大在該領域的布局，並取得一系列重大成果。雖然科學界普遍認為量子計算機距離成熟和大規模應用還有很長的路要走，但大都保持相對樂觀的態度。量子計算機作為顛覆性技術，對未來科技、產業乃至政治格局都會產生重大影響。我國在該領域仍處於追趕者的地位，應持續追蹤其研究進展和技術走向，搶佔下一代信息技術產業的先機。

量子計算機研究進展顯著

自上世紀 80 年代量子計算機概念被提出以來，科學家一直努力在理論和工程上實現它，歐美科學界和企業界不斷加大投入並取得重大進展。一是研究機構與企業投入力度不斷加大，如微軟研究院於 2012年就成立了量子體系結構與計算研究組 ；谷歌公司與美國國家航空航天局（NASA）於 2013 年聯合成立了量子人工智慧實驗室 ；IBM 於 2014 年宣布耗資 30 億美元研發基於量子計算和神經計算的下一代晶元 ；英特爾公司於 2015 年投入巨資與荷蘭代爾夫特理工大學合作研發基於硅量子點的量子計算機 ；洛克希德·馬丁於 2015 年 5月與馬里蘭大學合作研發集成量子計算平台 ；歐盟於 2016 年 4 月宣布將於 2018 年啟動總額 10 億歐元的量子技術項目 ；澳大利亞政府於 2016 年 4 月宣布在澳大利亞量子計算與通信技術中心成立量子計算實驗室，進一步集中對半導體硅基量子晶元等研究加大投入。二是各方取得一系列重大突破。如在量子晶元方面，加州大學聖塔芭芭拉分校實現了 9 量子比特的超導量子晶元，新南威爾士大學實現了 2 量子比特的硅基半導體量子晶元，牛津大學實現了 5量子比特的離子阱量子晶元 ；在量子計算機方面，谷歌於 2015 年推出聲稱比其他任何計算機快 1 億倍的量子退火機 D-Wave， IBM 於 2016 年 5 月發布了 5 超導量子比特的量子計算機，谷歌和西班牙巴斯克大學於 2016 年 6 月公布了具有 9 超導量子比特的模擬量子計算機，馬里蘭大學與美國國家標準與技術研究院於 2016 年 8 月發布 5 量子比特的可編程量子計算機。

我國在量子計算的部分領域取得了國際一流的研究成果，但由於基礎較為薄弱，與歐美等國仍存在一定差距。一是我國政府高度重視量子計算研究，並取得較大成果。我國在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020 年）》中將「量子調控研究」列為四個重大科學研究計劃之一，給予穩定的研究支持，一系列創新性研究成果相繼產生。如中國科技大學郭光燦院士在半導體量子晶元方面實現了 2 量子比特邏輯門，在比特數量、操作速度和相干時間等方面達到國際先進水平 ；潘建偉院士利用光晶格技術製備並測控了約 600 對呈現糾纏狀態的超冷原子比特，在國際上尚屬首次。二是我國量子計算機研究基礎薄弱，投入相對不足。實用化量子計算機的研製是一個系統工程，既要以量子物理為基礎進行量子計算模型的原理性創新，又要進行材料體系，結構工藝，系統構架和軟體控制等工程技術創新和積累。我國在現代工藝技術上的基礎薄弱，核心電子器件、高端通用晶元、基礎軟體、極大規模集成電路製造裝備等長期落後，也導致我國量子計算的研究大都局限於原理驗證性和演示性層面，缺乏系統深入的實驗平台和以實用化量子計算機為目標的研究隊伍。同時我國也缺乏開展相關研究的商業企業，目前僅有阿里巴巴與中科院於 2015 開展了量子計算方面的合作，這也導致我國在量子計算機商業應用方面較為落後。

雖然研究取得較大進展，但量子計算機在理論研究和物理實現均面臨諸多難題，距離可用仍有很長的路要走。一方面，在理論層面，量子計算機需要特定的量子演算法才能發揮強大的性能，但並不是所有的計算都可以用量子演算法加速，類似 Shor 演算法（用於大數質因子分解）和 Grover 演算法（用於無序資料庫搜索）等完全超越傳統演算法的仍是較少。量子計算機最初可能在部分應用領域具有強大能力，通用量子計算機仍需要進一步研究，如谷歌近期在 Nature 上的文章就鼓勵研究量子演算法 ；另一方面，在物理實現層面，科學家普遍認為，可用的量子計算機至少要具有幾十個以上的量子比特、比特邏輯門的保真度達到 99%，以及操作速度和退相干時間在合理範圍，但國際最先進的水平都未達到這一要求。與此同時，量子比特非常脆弱，外界任何微弱的環境變化都可能對其造成破壞性影響，量子計算機的核心部件通常處於比太空更加寒冷的密封極低溫環境中，防止受到其他環境因素的干擾，目前量子比特的製備方式主要集中在超導量子比特、半導體量子點、囚禁離子、鑽石空位和拓撲量子比特等。

量子計算機可能產生的影響

量子計算技術是一種顛覆性技術，關係到一個國家未來發展的基礎計算能力，能夠使掌握這種能力的國家迅速建立起全方位戰略優勢，引領量子信息時代的國際發展。一方面，規模化通用量子計算機的誕生將極大地滿足現代信息的需求，對經濟政治格局產生影響。量子計算機技術是與工業革命中的蒸汽機和信息時代的計算機相提並論的顛覆性技術，其不僅能克服現代半導體工藝因為尺寸減小而引起的熱耗效應，還能利用量子效應實現功能強大的並行計算。通用量子計算機的實現，將極大地提高計算速度和信息處理能力，在海量信息處理、重大科學問題研究等方面產生巨大影響，進而對國際格局產生影響。另一方面，通用量子計算機難以在短期內研製成功，按照科學界估計還需要30 年到 50 年。量子計算機的現有成果僅顯示量子計算機在某些領域遠勝傳統計算機，但在其他領域仍未得到驗證，是否能夠各方面性能都遠超傳統計算機仍不確定。同時如前面所述，量子計算機在物理實現方面仍存在諸多困難。

量子計算機將突破現代計算機的限制，打破現有 IT 產業格局，構建新的產業體系。一方面，將圍繞量子計算機為核心形成新的產業體系。作為現代計算機的顛覆者，未來量子計算機會像經典計算機一樣形成龐大的技術產業鏈，為信息和材料等科學技術的發展開闢廣闊的空間，帶動包括材料、信息、技術、能源等一大批產業的飛躍式發展。量子計算機強大的並行計算和模擬能力，也將為密碼分析、氣象預報、石油勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供了解決方案，進而形成新的產業體系。另一方面，為 IT 產業各參與方提供了「彎道超車」的機會。現代計算機興起過程中，歐美國家抓住了機會，成為技術和產業的主導者，並長期牢牢把握著產業發展的主導權，但在量子計算時代，這一體系將發生變化，如果我國抓住機會，將在未來幾十年乃至上百年的時間裡掌握產業發展的主導權，從根本上實現信息領域核心技術的「彎道超車」。

基於現有研發情況，量子計算機將首先在密碼、人工智慧等專用領域出現，併產生顛覆性影響。一方面，科學界估計專用量子計算機將在十年內走向實用。量子計算機需要特定的量子演算法才能發揮強大的性能，目前已經有 Shor 演算法和 Grover演算法等效果比較明顯的量子演算法，一旦在硬體實現方面有所突破，很快就可以實現專用量子計算機。如谷歌量子人工智慧實驗室推出的 D-wave 設備主要支持量子退火演算法，主要想利用該演算法在人工智慧方面的優勢。另一方面，專用量子計算機將在部分領域產生顛覆性影響，非對稱密碼體系首當其衝，這將對網路安全產生重大影響。非對稱密碼基於大數的因子分解這一數學難題，但量子計算機可以實現任意大整數的快速分解，破解 1024 位密鑰的非對稱加密只需要幾秒鐘。滑鐵盧大學量子計算研究所共同創立人米歇爾·莫斯卡在2016 年 9 月的一份報告中警告道 ：由於量子計算的出現，我們今天所用的公鑰密碼工具，有 1/7 的可能性到 2026 年就會崩潰， 2031 年這一可能性將會驟然躍升至 50%。

對策建議

持續跟蹤和支持量子計算機研究

一是持續跟蹤量子計算機的研究，量子計算是下一代計算體系的重要方向之一，是我們從根本上解決核心技術受制於人問題的一種終極解決路徑，如果能夠搶佔先機則能在下一代計算體系發展之初佔據先發優勢。二是推動建立量子計算機協同研發機制，實現物理、材料、信息和計算機科學等多學科的緊密協調和結合，從而實現從大規模器件的製備向微電子工程方面邁進。三是建立科學的未來技術方向評估體系，對量子計算機等前瞻性發展方向進行定期評估，從而防止量子計算研究過度投入。量子計算的未來仍未明晰，也不是下一代計算體系的唯一方向，不宜作孤注一擲式投入。

一是推動建立政產學研聯合的研發體系，鼓勵各大公司與研究機構合作研製量子計算機，形成集科研機構、公司、政府部門等於一體的研發模式。二是推動量子計算機商業化應用，鼓勵大型商業公司參與量子演算法、量子晶元等研究工作，並與大數據、雲計算等現有應用結合，實現應用驅動型研究。三是鼓勵集成電路行業參與量子計算機研發，為量子計算時代的到來打下基礎，做好轉型預案。

一是加大抗量子密碼研究，針對專用量子計算機的研發進展，組織密碼研究相關機構開展研究工作，針對量子計算難以求解的問題設計和改造密碼演算法，形成抗量子計算密碼的方案 ；二是組織電子認證服務業等依賴非對稱密碼演算法的行業制定應急預案，研究修訂電子簽名法及相關政策法規，引導電子認證服務行業轉型升級，引入新型抗量子密碼演算法及其他認證技術，確保相關行業正常過渡到量子計算時代。

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