中國科技2020|「九章」挑戰Google「懸鈴木」:終極電腦之爭

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2020年年終的中共中央經濟工作會議上,政府為2021年發展重點部署八大任務。這場中共高層官員的工作會議,不僅將「強化國家戰略科技力量」列為下一年經濟發展首要任務,且坦言要通過舉國體制優勢發展高科技,「盡快解決一批『卡脖子』問題」。顯然,在高科技領域的全球競爭中,中國要提高自己的話語權。

回看2020年,中國在探月工程、火星探測、衛星導航、載人深潛、量子研究、數據庫技術替代、核聚變技術國際參與以及中微子實驗和晶片製造等領域,均有亮眼表現或國家戰略部署。這些領域的科技研究,對應着怎樣的現實意義?中國的競爭優勢和現實挑戰格局如何?下一步的發展方向又在哪裏?

12月初,曾經在量子通信領域研發全球首顆量子通信衛星「墨子號」的潘建偉團隊公布了他們在量子技術的另一領域——量子計算,所取得的成果。他的團隊憑藉成功構建76個光子的量子計算原型機「九章」,讓中國成為繼美國之後全球第二個實現量子霸權(Quantum Supremacy,量子計算優越性)的國家。

中國量子計算原型機「九章」問世,此前中國在量子技術中的通信領域優勢明顯。(新華社)

量子計算機的概念始於1980年代,並在此後得到論證。以往的計算機以「0」或「1」表示信息,而量子力學的世界可以出現「既是0也是1」的特殊狀態。根據量子力學的這一物理法則,以「量子比特」(quantum bit)為計算單位,量子計算機能夠進行並行計算,批量處理龐大的信息。

據介紹,在解決特定的計算問題——這裏指求解5,000萬個高斯玻色取樣(玻色子是一類遵循特定量子力學規則的粒子)問題時,「九章」可以在200秒時間內完成全球運算速度最快的超級計算機日本「富岳」6億年才能完成的任務。

同時,它也比2019 年 9 月讓美國獲得首個「量子霸權」的Google發布53個超導比特量子計算原型機「懸鈴木」快100億倍。當時,這台計算機僅用3分20秒便完成了在超級計算機上需要一萬年的計算。

當然,世界上遠不僅僅只有中國和美國在量子計算機上研發上你追我趕,而競爭也不僅僅是在計算方法和運算效率,還包括硬件材料的準備等等。但是,中國和美國在過去的十年間快速累積量子技術的專利項目,並牢牢佔據其中的亞軍、冠軍位置,優勢是顯而易見的。

但是,即便二者存在競爭,雙方的發展路徑是有相當大的不同點的。從發展歷程來看,美國目前依然掌握着全球量子研究,包括Google、微軟等IT巨頭和初創企業紛紛涉足其中。而中國早前的努力主要集中在量子通信和加密技術研究方面,並已超過美國。

《日經》中文網引述日本科學技術振興機構研究開發戰略中心介紹,中國申請的「量子密碼」及「量子通信」專利數量遠超美國和日本。由於可以運用量子來實現無法竊聽的通信和密碼,中國似乎立足於人造衛星通信和國防建設,對量子技術十分重視。華為技術等企業申請了很多這方面的專利。

同時,中國的量子計算研究則是近年的事情,不過已經由潘建偉等國家隊後來追上,其他中國IT企業尤其是私營企業如阿里巴巴、百度等都已經進行了佈局,躍躍欲試。

Google 2019年推出的量子計算機採用超導方式,這一方式與阿里巴巴的項目相同。(Reuters)

從量子計算的研發路徑和方向上,Google「懸鈴木」採取的是通過將物質冷卻至極低温度以去掉電阻的「超導」電路來計算的方式。這種方式也被IBM採用,屬於過去量子計算機開發的主流。但潘建偉的「九章」則不同,它通過讓光子在組合有鏡子等的電路中流動來進行計算。不需要冷凍設備及真空容器等,容易處理。實際上,國際社會普遍看好後者,並認為中國可能已經佔到了先機。當然,「先機」還遠遠不是不可突破的絕對優勢。

不過,量子計算的應用仍然基本停留在理論層面,無論是「懸鈴木」還是「九章」都還是就特定問題進行的計算,無法應用到現實場景中。

即使如此,比較公認的是,其一,量子計算將是突破現代物理環境下普通計算機的人類終極計算機,它對傳統計算機運算效率的優勢將是跨次元的。

其二,鑑於人類社會環境的數字化程度越來越高,快速處理海量的數據信息將是傳統計算機無法完成的任務,而量子計算則從計算方法上降低運算量,完成傳統計算機無法完成的任務。

其三,量子計算機研發有可能在未來十年到二十年內進入應用,主要在需要大數據的人工智能領域、智能公共管理以及模擬研發過程中得到應用。

正是因為如此,中國政府2016年「十三五」國家科技創新規劃將量子相關技術定位為重要領域。「十四五」規劃建議儘管只是提到「量子信息」,但是要知道中國政府在大數據和人工智能的發展要求,很顯然是包括量子計算作為技術基礎支撐的。

根據新華社10月份的一篇報道,「中國科學技術大學、清華大學等高校近年來都在量子計算領域取得一些階段性成果。百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業也相繼出台了量子計算研究計劃。9月,百度、本源量子等企業先後發布了自己的最新量子計算雲平台,使普通用戶也能通過雲技術使用量子計算」。

與此同時,美國政府在2021年度預算案中,列入了兩年投入近10億美元、每年的研究費翻倍的計劃。而日本則在物理和化學材料之外,希望憑藉自己人才優勢掌握更多的基礎優勢。一場優勢爭奪戰正在緊鑼密鼓進行。



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