歐、美、中、日“量子霸權(quán)”爭(zhēng)奪，誰(shuí)更先進(jìn)，誰(shuí)更實(shí)用？

據(jù)TechCrunch的消息，亞馬遜云（AWS）在2019年12月3日宣布了其量子計(jì)算機(jī)服務(wù)Braket預(yù)覽版發(fā)布。Braket目前是由D-Wave、IonQ和Rigetti三家量子計(jì)算公司提供硬件，AWS云提供量子計(jì)算系統(tǒng)，四家公司共同合作的結(jié)果。
目前，亞馬遜并沒(méi)有在自己的數(shù)據(jù)中心安裝這些量子計(jì)算機(jī)，而是提供了一種統(tǒng)一的方式來(lái)訪問(wèn)這些量子計(jì)算機(jī)。Braket為開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、完全管理的Jupyter記錄薄環(huán)境，用于探索他們的算法。當(dāng)然，他們也會(huì)提供一些預(yù)裝的開(kāi)發(fā)工具、示例算法和教程，幫助新用戶(hù)開(kāi)始實(shí)用混合和經(jīng)典量子算法。

此外，亞馬遜還在加利福利亞理工學(xué)院附近建立了AWS量子計(jì)算中心和量子解決方案實(shí)驗(yàn)室。估計(jì)以后亞馬遜也會(huì)制造自己的量子計(jì)算機(jī)硬件，而且亞馬遜量子計(jì)算負(fù)責(zé)人 Simone Severini 也證實(shí)公司正在開(kāi)發(fā)量子硬件，但沒(méi)有透露任何細(xì)節(jié)。

其實(shí)在亞馬遜之前，微軟在11月美國(guó)佛羅里達(dá)州奧蘭多市舉辦的2019年度Ignite大會(huì)上也宣布了計(jì)劃推出Azure Quantum云計(jì)算服務(wù)，為部分客戶(hù)提供3臺(tái)量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)的接入服務(wù)。這3臺(tái)原型機(jī)分別來(lái)自工程巨頭霍尼韋爾(Honeywell)和兩家初創(chuàng)公司——美國(guó)馬里蘭大學(xué)科學(xué)家創(chuàng)立的量子計(jì)算初創(chuàng)公司IonQ，以及耶魯大學(xué)科學(xué)家創(chuàng)立的量子計(jì)算初創(chuàng)公司Quantum Circuits,Inc(QCI)。
Azure Quantum會(huì)將微軟之前發(fā)布的量子編程工具與其云服務(wù)整合在一起。編碼器可以在模擬的量子硬件上運(yùn)行量子代碼，也可以在霍尼韋爾、IonQ或QCI的真實(shí)量子硬件上運(yùn)行量子代碼。
當(dāng)時(shí)，微軟宣稱(chēng)Azure Quantum服務(wù)將會(huì)在未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)推出。當(dāng)然，與亞馬遜一樣，微軟目前也還沒(méi)有自己的量子計(jì)算硬件。
在微軟宣布推出量子計(jì)算云服務(wù)的前一周，即10月23日，谷歌在《Nature》發(fā)表了一篇名為《使用可編程超導(dǎo)處理器的量子霸權(quán)》論文，演示了其量子計(jì)算機(jī)在約三分鐘內(nèi)生成了約100萬(wàn)個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)串，而全球運(yùn)行速度最快的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一萬(wàn)年才能完成這個(gè)任務(wù)。據(jù)谷歌發(fā)布的消息，他們本次實(shí)現(xiàn)了53個(gè)“量子比特”，解開(kāi)了超級(jí)計(jì)算機(jī)再怎么進(jìn)步也很難解開(kāi)的問(wèn)題，證實(shí)了“量子霸權(quán)”。

不過(guò)在谷歌論文發(fā)出不久，量子計(jì)算的另一個(gè)核心玩家IBM就發(fā)博客說(shuō)谷歌的說(shuō)法有誤導(dǎo)性，計(jì)算方式有Bug，現(xiàn)代超算根本不需要花費(fèi)那么長(zhǎng)的時(shí)間。而且用自己的方法在超算上花了兩天半的時(shí)間就完成了谷歌之前說(shuō)需要一萬(wàn)年才能完成的相同計(jì)算任務(wù)。
其實(shí)IBM自己也有一臺(tái)53量子比特的量子計(jì)算機(jī)，而且已經(jīng)開(kāi)放給外部用戶(hù)使用。在IBM位于紐約州的新量子計(jì)算中心，目前擁有14個(gè)量子計(jì)算系統(tǒng)，其中包括新的53量子比特的系統(tǒng)、5個(gè)20量子比特的系統(tǒng)、1個(gè)14量子比特的系統(tǒng)、以及4個(gè)5量子比特的系統(tǒng)等。

歐美、中、日在量子領(lǐng)域大力投入

除了美國(guó)，中國(guó)在很早之前就開(kāi)始了量子計(jì)算機(jī)的研制，而且近年來(lái)，中國(guó)將量子通信和量子計(jì)算機(jī)定位為重大項(xiàng)目。中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)潘建偉院士認(rèn)為，目前量子計(jì)算機(jī)還處于比較初級(jí)的階段，但它的研制在快速發(fā)展中，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院與谷歌和IBM一樣都處于世界第一陣營(yíng)。他承認(rèn)，目前谷歌的量子計(jì)算機(jī)處于領(lǐng)先地位。
他預(yù)計(jì)中國(guó)在明年有望實(shí)現(xiàn)對(duì)50個(gè)量子的操縱。在超導(dǎo)量子計(jì)算研究的進(jìn)展方面，近期可以實(shí)現(xiàn)30個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏。
歐美和中國(guó)正在國(guó)家和企業(yè)層面上戰(zhàn)略投資量子技術(shù)，其中美國(guó)制定了《量子信息科學(xué)國(guó)家戰(zhàn)略概述》，自2019年起，5年里最多投入13億美元，將建設(shè)約10個(gè)研究和人才培養(yǎng)基地。歐盟啟動(dòng)了10億歐元規(guī)模的項(xiàng)目，德國(guó)、英國(guó)和荷蘭等國(guó)也敲定了自主投資計(jì)劃。
看到歐美和中國(guó)的動(dòng)作后，日本也開(kāi)始了追趕之路，據(jù)《日經(jīng)中文網(wǎng)》報(bào)道，日本力爭(zhēng)今后20年實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)實(shí)用化，且已經(jīng)將量子技術(shù)定位為與人工智能和生物技術(shù)并列的重要領(lǐng)域，計(jì)劃在今年內(nèi)會(huì)擬定首個(gè)開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略。根據(jù)進(jìn)度表，日本將以到10年后為目標(biāo)開(kāi)發(fā)出量子位達(dá)100個(gè)的量子計(jì)算機(jī)。之后將進(jìn)一步增加數(shù)量，提升計(jì)算精確度，力爭(zhēng)2039年前后實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
此外還將推進(jìn)無(wú)法竊聽(tīng)能夠安全通信的密碼技術(shù)、在無(wú)法使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的水中準(zhǔn)確獲知位置的傳感器等開(kāi)發(fā)。
戰(zhàn)略中除了5年間增加5處以上國(guó)際性研發(fā)基地外，還提出了10年間成立逾10家以量子技術(shù)為核心的創(chuàng)新企業(yè)的目標(biāo)。本年度日本量子技術(shù)相關(guān)預(yù)算約為160億日元，下年度力爭(zhēng)幾乎翻番。
大家都知道，要實(shí)現(xiàn)真正的量子計(jì)算機(jī)還需要時(shí)間?，F(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)只能跑一些固定的程序和算法，并沒(méi)有多大的實(shí)用性和商用價(jià)值。
在世界范圍內(nèi)，谷歌、IBM和中國(guó)的阿里巴巴集團(tuán)等都在積極推進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)。這是一個(gè)屬于未來(lái)的技術(shù)，那量子計(jì)算機(jī)到底可以用在哪些方面呢？它可以用來(lái)做什么？

量子計(jì)算機(jī)可以用來(lái)做什么？

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)利用的是量子態(tài)的疊加等性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的飛躍。因此，在密碼破解方面量子計(jì)算機(jī)擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
比如，現(xiàn)在通訊時(shí)對(duì)密碼等信息進(jìn)行加密，即使是最新的超算，也需要很長(zhǎng)時(shí)間才能破解，因此加密被視為“安全”。但量子計(jì)算機(jī)有可能破解這種加密。
拿RSA加密算法舉例來(lái)說(shuō)，它是一種廣泛被用于保護(hù)信息安全的算法，它利用計(jì)算機(jī)都很難快速完成的因數(shù)分解來(lái)進(jìn)行加密。如果給你一個(gè)數(shù)字10，你立刻就可以告訴我它可以被分解為2和5兩個(gè)素?cái)?shù)的乘積，但是如果我給你的數(shù)字是62615533，你應(yīng)該無(wú)法通過(guò)心算告訴我它是哪些素?cái)?shù)的乘積。
這不能怪罪于你的心算能力。一旦數(shù)字足夠大，計(jì)算機(jī)也無(wú)能為力。如果給出一個(gè)4000位的數(shù)字，即使是讓現(xiàn)存的計(jì)算機(jī)運(yùn)行和宇宙年齡一樣長(zhǎng)的時(shí)間也無(wú)法將它分解成一系列素?cái)?shù)的乘積。但如果是量子計(jì)算機(jī)來(lái)處理的話(huà)就能輕易破解。
跟RSA加密算法類(lèi)似，其他的加密算法也一樣在量子計(jì)算機(jī)面前不堪一擊。倫敦加密貨幣公司Post Quantum的首席執(zhí)行官安德森·鄭（Andersen Cheng）甚至擔(dān)心，量子計(jì)算機(jī)可以在三年內(nèi)破解區(qū)塊鏈。量子計(jì)算公司IonQ的首席執(zhí)行官斯圖爾特·艾倫（Stuart Allen）也預(yù)計(jì)，量子計(jì)算可能會(huì)在十年內(nèi)成為區(qū)塊鏈的問(wèn)題。
除了在密碼學(xué)領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)在化學(xué)、生物和制藥領(lǐng)域也可以大展身手。比如，為了設(shè)計(jì)一種新藥，一個(gè)明智的選擇就是在計(jì)算機(jī)上模擬它的行為。困難在于分子是由很多粒子組成的，而這些粒子全部遵循量子力學(xué)的規(guī)律。我們知道，隨著粒子數(shù)的增長(zhǎng)，描述分子系統(tǒng)所需的信息量呈指數(shù)增長(zhǎng)，這使得計(jì)算變得異常困難。面對(duì)相對(duì)小的分子，最好的經(jīng)典計(jì)算機(jī)在模擬分子的量子動(dòng)力學(xué)性質(zhì)時(shí)也顯得無(wú)能為力，但量子計(jì)算機(jī)卻可以勝任這項(xiàng)工作。
此外，量子計(jì)算機(jī)在金融市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、提高物流效率和解決城市交通擁堵方面也有很大的優(yōu)勢(shì)。

基于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)器件的量子計(jì)算機(jī)？

上面的這些量子計(jì)算機(jī)都是超導(dǎo)量計(jì)算處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但 <電子發(fā)燒友>在高交會(huì)上見(jiàn)到了一家深圳的公司展示了一款叫做薛定諤計(jì)算機(jī)的樣機(jī)。
據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工作人員介紹，他們這款計(jì)算機(jī)采用的就是傳統(tǒng)的CPU、GPU、硬盤(pán)、內(nèi)存等器件，但使用特定的計(jì)算架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)基于本征態(tài)的多位邏輯量子比特表示模型，他們自己設(shè)計(jì)的數(shù)字量子計(jì)算算法，定制了量子數(shù)字操作系統(tǒng)和新型量子數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)模型和量子數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。該計(jì)算機(jī)就基于SDN全交換網(wǎng)絡(luò)計(jì)算體系，實(shí)現(xiàn)了邏輯量子比特位的彈性收縮，可以支持量子計(jì)算資源無(wú)線(xiàn)擴(kuò)展和計(jì)算能力彈力擴(kuò)充的分布式量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。