2022年10月28日15:08:43 科學 1983

量子計算機(quantum computer)是一種使用量子邏輯進行通用計算的裝置。不同於電子計算機，量子計算用來存儲資料的對象是量子位元，它使用量子演算法來進行資料操作量子力學的誕生深刻地改變了人類社會:在20世紀推動了社會發展的核能、激光、半導體等高科技，都是源於量子力學。然後，自然界是否確實按照量子理論的規律運行?以愛因斯坦為代表的一方始終認定量子力學不是完備的理論，"上帝是不會玩骰子的"，而以哥本哈根學派領袖玻爾為代表的另一方則堅信量子理論的正確性。

在近百年的學術爭論中，影響最大的就是薛定諤(1935年)提出的所謂"薛定諤貓"佯謬和愛因斯坦等人(1935年)提出的EPR佯謬。薛定諤設想在一個封閉盒子裡面有個放射源，它在每一秒時間內以1/2幾率放射出一個粒子。換句話說，按照量子力學的疊加性原理，一秒鐘後體系處於無粒子態和一個粒子態的等幾率幅疊加態。一旦粒子發射出來，它將通過一個巧妙的傳動機將毒藥瓶打開，毒氣釋放後會導致盒子裡面的一隻貓立刻死亡。當然，如果無粒子的發射，這一切均不會發生，貓仍然活着。接下來要問:一秒鐘後盒子里的貓是死還是活?既然放射性粒子是處於零和1的疊加態，那麼這隻貓理應處於死貓和活貓的疊加態。這隻似死似活、半死半活的貓就是著名的"薛定諤貓"。

美國波士頓諮詢公司之前發布了一份數據顯示，預計到2050年量子計算機會有望創造出8500億美元的利潤。而日本網站也在一篇報道中指出說，未來30年量子計算機的市場價值有1萬億美元。下面介紹全球量子計算機發達國家如下：

一、中國（全世界速度最快的量子計算機）

中國成了目前世界上唯一在兩種物理體系達到“量子計算優越性”里程碑的國家。2021年10月26日，中國的量子計算機研究再次取得突破，比超級計算機快了億億億倍（“比超級計算機快億億億倍！”）！具體來講，是中國科學技術大學潘建偉院士團隊的兩台量子計算機升級了，“九章”和“祖沖之號”都變成了二號。

值得一提的是，中國科學技術大學曾經宣稱潘建偉帶領的團隊成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”，面世即是全世界速度最快的量子計算機，堪稱我國在量子計算領域中的“大國新重器”。而這台量子計算機快到什麼程度呢？用它求解高斯玻色取樣數學算法只需200秒。

許多人或許不知道數學算法高斯玻色取樣什麼樣的計算難度，假如用目前世界最快的傳統超級計算機——日本的“富岳”超算來解這一難題，耗時要用6億年，算下來9章量子計算機的速度相當於日本浮月超算的94.6萬億倍，意味着它在某個單一數學問題上的計算能力相當於全世界超算計算總能力的至少百億倍，關於它的相關論文已經發表在國際學術期刊《科學》雜誌上。

值得一提的是，中國的“九章”量子計算機是潘建偉團隊與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作構建的擁有76個光子的量子計算原型機，研製這種計算機需要攻克高品質光子源、高精度鎖相和規模化干涉三大技術難題，其挑戰難度是相當大的。在全球量子計算機領域，如今也是中美兩國的競爭，美國谷歌公司推出了53個量子比特的量子計算機“懸鈴木”，在單一數學計算上的能力，相當於當時速度最快的傳統超算頂峰的860多倍，已經實現了對傳統超級計算機的超越。

如今我國量子科學家潘建偉團隊研製的量子計算機計算能力相當於懸鈴木的100億倍，我國雖然是全球第二個完成對傳統計算機實現“量子優越性（量子計算機某方面計算能力超越傳統超算）”的國家，但是相對於美國谷歌的懸鈴木量子計算機已大幅度領先，業界人士分析認為，今後世界量子計算機研製領域將進入中美兩國競爭中發展的局面。

值得一提的是，中國在量子技術領域取得了巨大的技術突破，甚至遠遠不止量子計算機一款，而且量子通信、量子雷達、量子無人機，包括量子芯片，都成為中國在這一技術領域的最新成果，可以說西方國家至今還沒有摸透相關技術，而中國卻已經進入實用階段。另外，中國的百度公司之前發布了“乾始”的量子計算機，及全球第1個全平台量子計算軟硬件一體化方案“量羲”，百度研發了集量子硬件、軟件平台、量子應用的產業級超導量子計算機，並打造了全球首個全平台量子軟硬件一體化解決方案。這一突破，也讓百度也成為僅次於美國IBM，國內第1家實現量子產業應用的公司。

值得一提的是，在2020年，由中國著名量子科學家潘建偉帶領的團隊與牛津大學等國際科研機構的學者在相隔上千公里的兩個地面基站之間，實現了基於量子糾纏的無中繼量子保密通信。這些科學家還利用“墨子號”量子通信實驗衛星作為量子糾纏源，首次實現了全球相距上千公里的兩地分發量子密鑰。

為了搶佔量子科技的戰略高地，中國“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要，也特彆強調要加快布局量子計算、通信等前沿技術。但是，量子科技想要實現產業化的應用並不容易，業內認為其難度不亞於登月。

清華大學計算機系教授、長江學者應明生曾經指出，中國在量子計算機研製的“兩條腿”（硬件和軟件）中缺少一條——量子軟件，這將使得中國在量子計算的國際競爭中長期處於被動狀態。

美國量子產業聯盟創始人保羅·施蒂默斯在描述中國對量子計算機研發的投入時說：“他們有一顆量子衛星，其他國家沒有；他們有一個通訊網絡，其他國家沒有；他們有一個人力開發計劃，可以培養出中國新的量子工程師。”

韓媒曾經有一段話稱，此前無論是超級計算機還是量子計算機儘管核心玩家都是美歐，但中國的崛起速度令人吃驚。中國正考慮在安徽合肥建設世界最大規模的量子研究所，投入資金可能達到100億美元。以中國科學技術大學為中心，包括清華大學、浙江大學、深圳南方科技大學、上海交通大學等大學所屬研究機構，還有阿里巴巴量子計算實驗室、百度量子計算研究所等企業研究所，中國在量子研究領域正形成強大合力。中國科大潘建偉教授此前通過“墨子”號衛星，已成功實現量子通信的遠距離傳輸。這是讓美國也很震驚的科研成果，顯示了中國在量子通信領域已經領先美國。

二、美國（全球首台可編程的通用量子計算機在美國誕生）

美國是量子計算機重要強國之一。早在2009年11月15日，世界首台可編程的通用量子計算機正式在美國誕生。2019年1月10日，IBM宣布推出世界上第一台商用的集成量子計算系統：IBM Q System One。值得一提的是，IBM能操縱的量子比特量級大幅領先於其他國家，已達50量子比特能力。理論上來說，如果超過49比特，其在性能上就能超過傳統計算機。值得一提的是，美國IBM公司稱要在2023年前造一台包含1000個量子比特的量子計算機提高容錯率。從國家層面美國在2018年就敲定了量子計算機為核心的國家戰略，實施了5年最多投13億元的美國《國家量子倡議法案》

美國量子計算機之所以進展迅速，就在於其在量子計算機硬件、軟件乃至應用方面都有明確的布局和集中攻堅的力量。值得一提的是，硬件是計算機的根本，但軟件是計算科學的靈魂。量子計算機要做的話，軟件也要跟上。

重要的是，美國政企在量子計算機領域的完善布局已經上升到國家行為的層面，這或是其他國家應該借鑒的。美國谷歌公司之前曾經聲稱他們已經研發出了第1台量子計算機。值得一提的是，世界上之前運算最快的傳統計算機就是美國的summit計算機，它的運算速度能達到多快呢？據統計能夠達到每秒20億億次，這種級別的浮點，計算程度，這世界上所有國家的計算機都不能比擬的。

值得一提的是，量子計算機的研究此前以理論和軟件領域為中心，自從生成屬於基本單位的“量子位”的微細加工技術取得進展的2010年前後開始，硬件方面的研究也正式啟動。Astamuse通過調查2009～2018年這10年各國投入的研究經費發現，全球總額達到約80億美元，按國別來看，美國為10億6000萬美元，全球投入金額最高。

全球量子計算機國家中，如果按申請者的所在國觀察量子計算機相關專利的申請件數（對象期間為2001～2018年），美國達到1852件，數量最多，與排在第2位的中國（1354件）一起明顯超過其他國家。日本（590件）居第3位，加拿大（451件）居第4位，韓國（151件）居第5位。從專利申請較多的機構來看，加拿大的初創企業D-Wave Systems以298件高居首位。其次是IBM（290件）和谷歌（190件）等美國企業。

本比爾·蓋茨曾經認為，10年內量子計算機可望用於雲計算；歐洲科學家起草的《量子宣言》則預計，通用型的量子計算機可能會在2035年之前建造出來。權威科研人員給出的答案是：快則10年、15年就會實現。屆時，取代傳統PC不再是夢想。

三、日本（全球量子計算機“雙量子位門”中的最高速）

日本是全球超級計算機的重要強國。比如日本研發的超級計算機“Fugaku”在美國-歐洲500強項目的年度排行榜中，成功拿下世界最快運算速度的桂冠。值得一提的是，這已經是日本超算“Fugaku”第二次蟬聯全球第一，早在2020年6月，“Fugaku”就曾趕超過美國橡樹嶺國家實驗室開發的超級計算機Summit。據悉，Fugaku以富士山命名，能夠實現每秒執行442千萬億次計算，比美國Summit快三倍左右。

日本電信電話公司（NTT）與東京大學曾經宣布，已開發出光量子計算機的核心技術，計劃2030年製造出高性能實體機。日本正在開發的光量子計算機採用了獨立性較高的算法，在性能上有飛躍性提升。此種新型量子計算機適用於通信領域，可在常溫下運行，無需冷卻裝置，有望將運行成本降至遠低於當前主流的超導量子計算機的水平。

日本分子科學研究所的團隊曾經實現了量子計算機“雙量子位門”中的全球最高速，比谷歌公司此前的世界紀錄快1倍以上，為6.5納秒（納秒是10億分之一秒）。日本分子科學研究所的團隊曾經在科學雜誌《自然·光子學》上發表研究成果稱，大幅提升了作為性能遠高於目前計算機的“量子計算機”核心的算術元素“雙量子位門”速度。

據該研究所教授大森賢治介紹，此次實現了雙量子位門中的全球最高速。若使用此次的方法，未來有望縮短至1納秒，日本大森強調稱“這是超越迄今界限的劃時代成果”。

值得一提的是，日本NEC曾經於1999年取得在世界上首次生成利用超導元件的量子位的成果，為這個全球領域的研究進展作出貢獻。

日本早在2020年制定了“量子技術創新戰略”，為了避免落後於世界潮流，啟動了提出中長期目標的日本國家項目。將圍繞量子計算機、量子加密通信、量子傳感和量子材料這4個領域在主要研究機構設置基地，展開重點投資。日本政府將2020年度的相關預算定為約340億日元，增至2019年度的2倍，但與中美相比仍顯得遜色。

日本曾經公布了量子技術的新國家戰略原案。其中包括，在今年內完成日本“國產量子計算機”的首台建設，並在日本東北大學等日本國內4個地方建立量子技術研究支持基地。還提出了2030年量子技術使用者達到1000萬人的數字目標。在日本新的戰略《量子未來社會展望》(暫稱)中，明確指出量子技術是“將來國家間爭奪霸權的核心關鍵技術”。

四、英國（全球“量子計算機之父”誕生地）

英國對量子信息技術研究高度重視，尤其在量子信息技術研究領域居於全球領先地位。英國為國家量子技術計劃，已投資2.7億英鎊建立四大研發中心，分別為量子通信研發中心、量子傳感研發中心、量子成像研發中心、量子計算研發中心；並成立由17所大學、132家公司共同組成的量子技術研究中心。而後英國政府又提議成立政府、產業、學界量子技術共同體，集中力量促進量子信息技術創新高速發展。

英國已擁有較多強大的創新型量子信息相關企業，其中代表性有空客、英國電信、ColdQuanta、CQC、Riverlane、Rahko、PhaseCraft、GTN、Quantopticon等。具體來看，CQC主要研究量子軟件、量子化學、量子網絡安全；Riverlane主要為工業和政府客戶提供諮詢服務，解決機器學習及量子化學領域的高價值問題；Rahko是世界最先進的量子機器學習公司之一；GTN主要利用量子機器學習技術改變藥物發現；Quantopticon主要研發模擬量子光子器件，用於超安全量子通信及量子計算領域。

英國還不斷加大量子信息技術人才培養力度，優化量子技術人才梯隊，例如EPSRC投資的博士培訓中心、DSTL的博士學位計劃等，以進一步建設多樣化、網絡化的人才隊伍，培養具備較強適應能力和創造力量子工程師、物理學和工程學及光子學等領域科學專家。此外，英國也在努力建立全面的量子信息技術標準和監管體系，推動量子技術創新和商業化應用發展。

據英國政府的計劃，預估到 2024 年，量子計算將為全球提供 40 億英鎊的經濟機會。未來幾十年，這一數字將上升到超過3410億英鎊。

五、德國（歐洲首台量子計算機在德國誕生）

德國的目標是成為世界上發展量子計算和實際應用最好的國家之一。值得一提的是，歐洲首台量子計算機在德國斯圖加特揭幕。這款商用量子計算機在投入使用後也將造福工業界。默克爾曾經表示，這是一項“科技奇蹟”。由此，德國作為信息技術熱門地擁有了一張“閃亮名片”。用她的話來說，德國已躋身量子領域的世界領先者行列。

據路透社消息，德國聯邦經濟部和教育與研究部表示德國將在未來四年內投入約20億歐元 (約合人民幣156億元) ，支持發展其首台量子計算機及相關技術。其中，到2025年，將花費11億歐元支持量子計算的研究與發展，經濟部將花費8.78億歐元支持發展實際應用。

德國為了趕上量子計算機開發方面的欠缺，由聯邦和州政府掏腰包花了4000萬歐元，引進了埃寧根的IBM系統，並計劃將其應用在“新材料、新藥物及人工智能等領域。不僅如此，德國的10家知名企業（如寶馬、博世、英飛凌、默克、西門子、大眾等）宣布成立新的量子技術與應用聯盟 (QUTAC) ，將致力於推動量子計算機在化學和製藥、保險和汽車等工業應用領域，為德國的“量子產業化”奠定基礎。

六、加拿大（世界上第一台能通過雲向公眾提供的具有量子優勢的計算機）

加拿大的Borealis曾經是世界上第一台能夠通過雲向公眾提供的具有量子優勢的計算機。加拿大環球郵報報道，發表在研究期刊《自然》(Nature) 上的一篇論文中，這家加拿大公司描述了其名為 Borealis 的量子計算機如何實現“量子優勢”——這個術語意味着它提供的結果超出了傳統計算機系統的實際範圍。

具體來說，北歐化工在百萬分之三十六秒內提供了一系列具有特定概率範圍的數字，這一運算需要世界上最強大的超級計算機 9000 多年才能匹配。加拿大開發的光子量子計算機 Borealis 登上 Nature，甚至引起了全球科技圈的廣泛關注。他們號稱 Borealis 只用 36 微秒就可以解決傳統超級計算機需要九千年才能解決的問題，計算速度超過目前享譽全球的超級計算機，更是挑戰了中國的九章 2.0！無疑這家公司就是成立於 2016 年的 Xanadu。它們是全球少數目前正在全力研發光子量子計算機的公司，受到 IBM、微軟、亞馬遜、英偉達等等國際企業的關注。