量子计算机像“导弹”?全球将进入‘量-超-智’三算融合时代

发布时间:2024年06月14日

不久前,中国自主超导量子计算机制造链在合肥宣布基本成链。采访团队日前对国内首家将量子计算正式推向商用领域的量子计算企业——本源量子进行探访,并专访了“本源悟空”研制团队主要负责人、中国科学院量子信息重点实验室副主任郭国平教授。

“中国的量子计算是从站着开始的”

合肥高新区有一条东西向的云飞路,量子信息这一未来产业在这里落地生花:这里汇聚了国内众多量子科技领域的头部企业,如国盾量子、本源量子、国仪量子等,世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子”号、第一条量子保密通信网络“京沪干线”,以及第一台光量子计算机都在这条量子科技产业带上诞生,因此这里又被称为“量子大道”。

刚见面,郭国平就讲了一个故事:21年前,中国的第一个量子计算研究小组在中国科技大学的一间废弃教室里成立,当时教室里只有一张桌子、一把椅子,“我们6个小组成员只能轮流坐一坐,后来唯一的一把椅子被坐塌了,我们也舍不得花钱去买,每天仅买科研必需的液氦都需要好几千,只有站着搞研究。可以说,中国的量子计算是从站着开始的。”

量子计算是一种基于量子力学原理的计算方式,它利用量子比特代替传统计算机中的二进制比特。如果说二进制比特就像是一枚静止的硬币,只能处于正面朝上或反面朝上(0或1)两种状态,那么量子比特则是一枚旋转的硬币,可以同时处于两种状态。当两个量子比特发生纠缠时,它们就像有心灵感应的双胞胎,无论相隔多远,一个量子比特的状态改变会即时影响到另一个。这使得量子计算机不仅具有加速运算的功能,而且可以将某些在电子计算机上难解的问题(如大数因子分解)变换为可解的问题。量子计算机的算力之于传统计算机,好比传统计算机的算力之于旧时的算盘。

当时,这个来自中科大的科研小组已经意识到,量子计算是下一代信息技术的关键,不仅具有解决传统计算无法应对的复杂问题的能力,还能向其他行业渗透并对所及产业展开技术赋能,拉动产业层次的升级,将对科技、经济和国家安全产生深远影响。美国早已开展对量子计算的研究,中国的量子计算研究必须立刻起步,否则未来会受到他国的量子威慑,“量子科技不仅仅是科学研究的前沿领域,更是国家未来发展的关键所在。”郭国平表示。

21年间,郭国平团队在国内实验复现了经典的量子霍尔效应,从而掌握了半导体纳米器件极低温、极弱信号测量技术,为量子芯片和量子计算的后续研制打下了重要的技术基础,又先后完成了基于半导体的单比特、两比特、三比特量子计算,实现了国内零的突破。为研发出可供用户交互使用的工程化量子计算机,郭国平与自己的老师郭光灿带领实验室博士团队,联合创立了量子计算公司——本源量子,并自主研制出量子计算的设备和技术,这些设备和技术在“本源悟空”上全部实现集成运行,使我国成为世界上第三个具备量子计算机整机交付能力的国家。

“量子计算机制造链一头连着科技创新,一头连着新质生产力。”郭国平认为,当前,科技领域也面临着百年未有之大变局,站在这样一个历史性的时刻,抓住变革的先机非常重要,谁先抓住谁就能在竞争中掌握主动权。

如何看待中外量子计算发展阶段

“随着量子计算的发展,各种各样问题的处理会更加精准。未来人人都可以获得定制化的药物、医疗、食品,人与人之间的信息交流都将在量子计算的帮助下变得更加高效,甚至一枚硬币从高空落下来,量子计算都可以给出精准的落地位置。”当问及对量子计算的未来畅想,郭国平如此说。

据他介绍,从模拟复杂的物理系统到优化大规模的组合问题,从加速药物研发到提升信息安全,量子计算构建起的新一代计算体系,有望为当前智能制造、金融分析、新材料研发、生物医疗、物联网等领域的商业格局带来革命性转变。“量子计算机,是当前国际科技赛道‘兵家必争之地’。”郭国平介绍说,目前,我国的量子信息技术发展在国际上处于第一梯队,中国第三代超导量子计算机“本源悟空”搭载72位自主超导量子芯片“悟空芯”,共198个量子比特(衡量量子计算机性能的重要指标,量子比特数越多,量子计算机的计算能力越强),是目前中国最先进的可编程、可交付超导量子计算机。从今年1月“本源悟空”上线运行至今,这台机器已吸引全球范围内124个国家和地区逾953万人次访问,成功完成超过23.1万个运算任务。

量子芯片生产线。陈涛摄

郭国平表示,如果将人类的一生与我国量子信息技术发展的周期进行类比,当前量子计算机技术正处于七八岁左右的幼年阶段。我国从2020年第一代夸父6比特超导量子芯片KF C6-130研制成功,到2024年第三代72比特夸父KF C72-300,仅仅用了4年的时间。

去年2月,澳大利亚战略政策研究所发布报告称,在量子计算、量子加密、量子通信和量子传感等量子技术的四大领域中,美国只在量子计算这一领域领先中国,但中国近期的成果表明美国的优势正在缩小。

谈及中外差距,郭国平强调,要理性地看待中国量子计算的发展。从量子计算机的整体发展生态来看,美国的量子计算机发展生态优于我国。一方面,量子信息包括量子计算、量子通信和量子精密测量,所有关键性、原理性的概念,都不是中国首先提出的。而量子计算中的测控系统等依然会用到传统的芯片元器件,在基础相对薄弱的情况下,会影响到量子计算本身的研发。另一方面,量子计算的发展可以分为科研、工程化与产业化三个阶段,尽管中美在量子计算科研成果上的差距逐渐缩小,但中国的量子计算还停留在科研阶段时,美国的量子计算已先一步走出实验室,走向工程化。IBM、微软、谷歌等海外科技巨头先后发布量子计算路线图,带动量子计算产业发展。当中国进入工程化阶段后,美国又进入了产业化阶段,形成研发、应用“双向驱动”。从行业生态看,美国以IBM为首的量子计算龙头企业牵头建立了国际主流量子计算产业联盟,美国、日本、韩国、德国、澳大利亚等230多家来自各行各业的企业参与其中,合纵连横,形成了一个将中国排除在外的量子计算生态圈。

量子计算未来有哪些发展新趋势

在当前的国际背景之下,布局自主量子计算机产业链发展已成为我国当前的重大需求之一。当地时间5月6日,美国国务卿布林肯在发表“科技与美国外交政策的转型”演讲时,将量子技术列为关乎美国国家竞争力和国家安全最重要的六大通用“基础”技术之一,并强调美国正在为量子计算的未来做准备。

演讲发表3天后,美国商务部就以所谓“威胁国家安全”为由,将37家中国实体列入贸易限制清单。

“量子科技产业绝对不是一家一姓的事情,也不是某一个小团队的事情,中国量子计算机的研发从一开始就要有构建生态体系的意识,需要多种不同学科、不同产业方向的融合协作。”郭国平强调。

量子计算走出实验室是一个用户和市场双向驱动的过程。在具体运用领域,如金融、气象、药物研发、能源、大数据、密码破译等,通过量子计算,都能实现加速作用,基本上所有需要大规模算力的场景,都是量子计算具体的应用场景。“量子计算也同样需要这些场景加速技术的进步。目前中国量子技术的迭代进步受制于有限的应用场景,我们也正通过与超算中心合作拓展场景。”郭国平表示。

截至目前,“本源悟空”已受邀成功接入3个超算中心。此前,本源量子联合上海超级计算中心、国家超级计算郑州中心和中国移动云能力中心共同组建上线量超融合先进计算平台,并成功接入“本源悟空”量子计算机。今年4月,“本源悟空”正式入驻国家超算互联网平台。

中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”。陈涛摄

当前世界各国都在加速量子计算机与超级计算机的协同工作(称为“量超融合”)。“量子计算机和超级计算机就像是航母特混舰队中的航空母舰和巡洋舰,超级计算机可以处理量子计算机不擅长的工作,量子计算机可以用于加速处理复杂计算任务,两者协同会产生更强战力。”他说。

郭国平说:“未来5年,全球将进入‘量-超-智’三算融合时代。量子计算、超级计算和智能计算协同完成运算任务就是‘量-超-智融合’,如果把普通计算机比喻成一把‘步枪’,那么带有人工智能的智能算力就是一门‘火炮’,而量子计算机就像是一枚‘导弹’。三者协同将是未来算力的终极形态,我们正在朝着这个方向努力。”