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【QuantumComputing】美国量子计算技术发展及对策研究

发布时间:2016-12-02 10:00浏览次数:100Tags:电科防务研究

美国量子计算技术发展及对策研究

(之一)
——量子理论和量子计算技术发展即将出现新的突破

武获山
知远战略与防务研究所网络力量研究中心助理研究员


近十余年来,量子计算技术无论在理论还是应用方面都取得显著进步。研究者们普遍估计,量子计算将在不久的将来实现质的突破,并可能引发下一场科学技术革命。美国更是将量子技术视作为确保未来国家影响力而必须开拓的“新边疆”,投入大量资源进行量子物理基础理论及量子计算研究。尽管这些工作短期内并不可能取得的成果,但通过长期的全面布局和积极协调的推进,美国在相关研究和应用领域已经逐步呈现破局之势,必将在未来产生深远影响。

量子理论的产生和发展始终伴随着不断的质疑和争论,其所提示的规律与人类直觉常识存在直接冲突。量子计算理论奠基者之一,著名物理学家理查德·费曼曾表示,“如果你觉得懂量子力学,那么你就不懂量子力学”。经过一个多世纪的发展,量子理论不仅不断在实验中验证其客观性,而且展现出极其强大社会进步推动力。

(一)量子应用技术即将进入崭新发展阶段
量子理论起源于上世纪初,为解决经典物理理论无法解释微观世界现象的问题,著名科学家马克斯·普朗克在1900年首先提出了“量子”概念。在此之后,大量科学家通过不懈的努力逐步建立起量子力学理论框架。尽管科学界至今仍然认为量子理论的根本性阐释不够完善,但是在过去的一个世纪,在量子理论基础上发展起来的半导体微电子和光通信技术却成为信息时代来临的根本推动力。量子理论实际上为当代世界发展和繁荣奠定了基础。

如果说量子理论引发了一场席卷全球的技术革命,那么进入21世纪,这场革命将进入全新的发展阶段,转折发生的契机就是一种新型跨学科领域的诞生:量子力学和信息科学融合而成的量子信息科学。目前量子理论的应用还是仅仅局限于宏观世界,应用的对象依然是电流和光等经典物理量,而不能直接操纵电子、光子等微观粒子。换言之,量子理论的“外围应用技术”不断发展成熟,而直接利用量子世界不确定性的应用技术尚未真正出现。但随着特定领域的经典物理技术发展达到极限,真正触及量子理论核心的技术应用必将成为各国争相发展的重点领域。

(二)量子效应决定着“摩尔定律”必将走向终结
近年来,现代计算机芯片中集成度的增长逐步达到极限。目前投入市场的主流芯片使用的是14纳米技术,个位数纳米级别芯片也已经实验成功,即将实现工业生产和商业应用。但根据量子力学原理,传统半导体晶体管栅极线宽的极限值约为5纳米,当超出这种保持电子稳定所需结构的极限时,量子隧穿效应将不可避免地干扰电子元件的运行。尽管有研究团队宣布通过特殊材料和手段可以在实验室中将晶体管制程缩减到 1 纳米,但此类技术只能在有限范围内对强化传统芯片性能,无法阻止“摩尔定律”未来必将被打破的趋势。

当现代计算机芯片在经典物理领域内无法进一步提升结构性能时,计算技术的发展总体上存在两条路径:研究探索有别于当前计算机架构的新型结构,或者继续深入研究量子力学规律并使其直接应用于计算的技术。前一种方案将抛弃当前计算机所遵循的冯·诺依曼架构,采用诸如神经元结构重新组织芯片运行方式,但是采取的依然是当前使用的CMOS芯片;后者将改变芯片的基本结构,直接利用量子叠加态实现传统计算机功能,这种方案的前提假设是未来新型计算机依然基于数字化“逻辑门”。

无论未来高性能计算系统采取哪种方案(很有可能是二者并行发展),世界各国量子计算技术的研发竞争都不可能减弱。因为尽管存在大量严峻挑战,量子计算关系着国家未来发展的基础计算能力,根本不可能依靠外力支持发展。而量子计算技术一旦形成突破,就会产生颠覆性创新效应,使掌握这种能力的国家将迅速建立起全方位优势。

(三)量子计算技术的巨大潜力与面临的关键挑战
量子计算系统强大性能来源于具备特殊属性的量子比特。经典计算机的最小数据处理单位是比特,其在工作时将所有数据排列为一个比特序列,对其进行串行处理;而量子计算机使用量子比特,基于量子叠加态和量子纠缠效应,量子计算机本质上具备并行处理能力,理论上其计算能力可随着量子比特位数的增加呈指数增长。在某些领域中,拥有50个量子比特的量子计算机性能就能超过目前世界上最先进的超级计算机“天河二号”。如果达到实际应用水平,量子计算机能够将某些经典计算机需要数万年处理复杂问题的运行时间缩短为几秒钟。

研制量子计算机的关键就在于量子比特的制备方式。量子比特高度不稳定,外界任何微弱的环境变化都可能对其造成破坏性影响。因此,量子计算机的核心部件通常处于比太空更加寒冷的密封环境中,防止受到其他粒子、电磁场、温度等因素的干扰。量子比特的制备方式存在多种方案,但无论是“超导型量子逻辑门”、“离子阱量子门”还是“半导体量子点”,目前都无法制造并长时间保持高质量的量子比特,从而以一种可控制的方式对不同类型任务进行编程。但是近年来,相关研究项目的突破已经为量子计算机奠定了坚实的软、硬件基础,通用型量子计算机即将在不远的将来成为现实。


美国量子计算技术发展及对策研究

(之二)

——美国在量子计算技术领域的战略布局和发展现状


出于国家安全利益的紧迫需求,美国高性能计算能力几乎与核能力同时开始发展,并且在全面核实验因国际政治局势发生根本性变化而不再具有可行性后,成为确保核武器安全和可靠性的重要手段。更为重要的是,美国在不断提高经典计算能力的同时,也没有忽视突破传统计算技术极限的新型计算方案的发展。目前,美国已经在量子计算领域完成战略布局,在理论研究方面推进量子信息科学(quantum information science)的学科建设,在应用技术层面以研发高性能计算系统(high-performance computing)为牵引,重点突出量子计算硬件设备发展。目前,上述两项工作都被提升到国家战略层面,正处在加速推进落实的过程中,并已经取得了若干阶段性成果。

(一)瞄准量子计算领域前沿预先布局是美国夺取和维持发展优势的基础
美国国防工业,特别是核工业,对高性能计算系统的需求始终伴随着计算机系统的发展而存在。从战略角度出发,美国政府对多种有可能突破经典计算机能力限制的技术都进行了投资。作为美国科学技术政策的主要咨询和决策机构,美国国家科学和技术委员会(National Science and Technology Council)、科学技术政策办公室(Office of Science and Technology Policy)和国家标准与技术局等机构一直以来都高度重视量子信息科学的发展,其中尤其以量子计算技术为突出重点。1982年,理查德·P·费曼(Richard P. Feynman)和保罗·贝尼奥夫(Paul Benioff)分别发表了相互支持的论文,从理论上提出驾驭量子物理属性进行计算操作的方案。在美国国家标准与技术局的支持下,戴维·瓦恩兰(Dave Wineland)领导的离子存储团队(Ion Storage Group)于1995年第一次在实验中验证了量子逻辑门的可实现性。虽然此时传统计算技术正处于快速发展的黄金时期,但关于未来技术挑战和突破的机遇却已经进入美国相关科技决策机构的考察范围。国家标准与技术局在2000年启动了一项以量子信息科学为研究重点的项目,目标包括验证基础的量子逻辑操作;在瓦恩兰成果基础上研制更加先进的量子逻辑门;研究一系列量子比特技术;支持国家安全局、国防高级研究项目局、情报高级研究项目局的工作等内容。

2008年,美国总统行政办公室国家科学和技术委员会发布了《联邦量子信息科学预想》(Federal Vision for Quantum Information Science),指出量子信息科学将对上世纪出现的革命性的量子力学和信息科学进行融合,并且充分强调量子计算效应在国家发展中的重要地位,呼吁采取协调方式推动政府机构和国家实验室的相关活动,从而在全国范围内开展重点突出的研究工作,其中涉及的单位包括美国国家标准与技术局、国家安全局、国家科学基金会、情报高级研究项目局、国防高级研究项目局、能源部、陆军研究实验室、空军研究实验室以及海军研究实验室等。值得注意的是,上述文件由在国家科学和技术委员会下专门组建的量子信息科学次级委员会撰写,该机构在此之后还制定了相关的投资战略。

上述文件的发布以及相关专项负责机构的成立标志着,美国正式开始在联邦层面统筹量子计算技术的发展工作,试图将此前分散于各联邦机构、国防部门、学术组织和私营企业中的研发力量集中起来,通过设定预想目标、协调各种组织力量、确定阶段重点研究项目等手段,充分发挥预先布局取得的积极作用,从而建立并维持美国在相关领域中的优势。

(二)政府机构持续实施的战略引导和投资是维持量子计算稳定发展的牵引力
量子计算技术研究对环境要求极为苛刻,相关研究工作需要长期稳定的经费支持。而且作为一种基础学科研究,研究成果转化为现实应用的周期非常长,高企的研究风险使个人和以赢利为目的的企业难以参与,相关政府机构几乎是此类研究实施的唯一投资方。除了科学技术政策和研究机构以外,美国国防和情报部门也是量子计算技术发展的重要支持力量。

在民事科研领域,掌握720亿美元年度预算的国家科学基金会是美国科技发展政策的主要实施机构。很明显,该基金会的投资会兼顾许多学科,但理论和应用量子物理研究项目多年来一起得到其稳定的投资。在国家科学基金会的网站上搜索“量子”关键词将出现数以百计的批准项目信息,每项都会达到数十万美元的规模。尽管所有搜索结果并非都与量子计算技术相关,但毫无疑问其中许多项目的研究成果都将直接或间接地促进量子计算领域发展。

在国防研究领域,国家安全局在量子计算研究及其他相关领域研究的投资依然保持秘密状态。虽然2014年1月,《华盛顿邮报》在报道中称国家安全局已经在开发量子计算机方面投入了7970万美元,但是并没有透露更多具体信息。尽管如此,国家安全局的合作机构却从侧面反映出其对该领域的投资力度。国家标准与技术局在2006年披露,其已经与国家安全局和马里兰大学合作创建联合量子研究院(Joint Quantum Institute)以推进量子物理研究,该机构最初的年度预算为600万美元并将逐年增长。作为从上世纪90年代起就始终关注量子计算技术问题的先驱,国家标准与技术局已经建立起坚实研究的基础,并在2010年拨款1030万美元在联合量子研究院框架下组建了高级量子科学实验室(Laboratory for Advanced Quantum Science)。

在美国政府 2015 年提出的“国家战略计算倡议”(National Strategic Computing Initiative)中,情报高级研究项目局位于政府各部门分工的中心位置。事实上,情报高级研究项目局自从 2007 年开始就已经逐渐全面展开量子计算技术研究。从相干超导量子比特项目、多量子比特相干操控项目、量子计算机科学项目到量子逻辑芯片项目,情报高级研究项目局在量子计算的物理实现方式、量子计算机学科基础建设方面积累了一定成果和经验。特别值得注意的是,情报高级研究项目局在2016年初宣布启动量子逻辑芯片项目,这种硬件产品是研制通用型量子计算机的关键,如果这项技术取得突破,理论上可以制造出量子比特可扩展的计算系统。因此,该项目主管称其为类似于“曼哈顿计划——芝加哥一号反应堆”的核心项目。

除此之外,美军各军种单位科研机构也与私营和公共部门伙伴共同投资进行了量子信息研究项目,但涉及经费数量规模的数字并未公布。例如,IBM公司在2012年2月发表声明,宣布在量子计算设备性能开发方面取得重大进展,可能会加速实用型全功能量子计算机的研发进程。在向媒体发布的信息结尾处,IBM公司承认得到了包括陆军研究办公室(Army Research Office)在内的国防机构经费支持。

(三)私营企业在量子计算领域的差异化竞争形成整体有利的发展态势
美国政府在2016年7月发布的《国家战略计算倡议战略计划》(National Strategic Computing Initiative StrategicPlan)中,明确强调要通过“整体型政府”模式“与工业界和学术界共同建立起关于高性能计算系统的跨机构战略远景和投资战略”。这意味着,美国量子计算技术发展力量很大一部分都存在于工业和学术界,而美国私营部门,特别是大型高科技企业,往往同时在这两个领域中都具有强大影响力。作为一种涉及范围广泛的研究领域,量子计算正在以史无前例的速度从实验室进入应用系统。美国高科技公司也通过承接政府项目、联合学术研究机构、充分发挥自身研究能力等方式在该领域展开激烈竞争。各大公司在投入大量资源的同时,又注重采取体现自身优势的差异化发展方式,从而从总体上使美国私营部门量子计算能力发展形成彼此补充、各尽其能的有利局面。无论哪家企业最终在量子计算相关领域的研究竞争中取胜,美国政府都将是获利最大的最终受益者。

得益于IBM研究院在量子技术领域多年来持续的投资和研究工作,IBM公司目前成为最有可能制造出通用型量子计算机的领跑者。2015年,IBM公司宣布其与情报高级研究项目局合作的量子计算项目取得重大突破。通过把超导量子比特“囚禁”在计算机芯片晶格之中,该公司研究团队可以检测出量子比特发生比特翻转(bit-flip)和相位翻转(phase-flip)的情况,这对提高量子比特稳定性具有重要意义。在目前出现的公开资料中,这种量子电路设计是唯一可以进行规模扩展的方案。在对超导量子比特进行编码使之成为逻辑量子比特后,真正意义上的量子就能够实现。因此就在同年 12 月,情报高级研究项目局宣布继续与IBM公司合作实施“逻辑量子比特”项目(Logical Qubits),后者将在此前实验成果的基础上研制出更大规模量子比特电路,从而为最终制造出纠错型通用量子计算机奠定基础。该项目于2016年2月启动,终验时间设定为2021年。如果实验顺利进行,该项目将在芯片研制方面形成制造通用型量子计算机的关键硬件技术。

2006年,微软公司在加利福尼亚大学建立了自己的量子研究所(Station Q),虽然微软在量子计算领域研究的信息透露非常有限,但与其有合作关系的研究者表示,该公司有能力在2025年制造出全功能量子计算机。与其他机构存在显著区别,微软公司采取了被称为拓扑量子计算的研究方式,其试图同时设计软件、硬件和量子计算其他相关元素,从而避免其他量子计算硬件设计方案面临的系统不稳定的问题。微软公司甚至还发布了语言集成量子运行模拟器(Language-IntegratedQuantum Operations),这种量子软件模拟器可以使开发者在经典计算机上模拟量子计算环境。未来量子计算机不可能仅仅局限于在若干特定问题领域,而开发针对不同问题的软件是扩大量子计算功能影响的必要途径。作为当今世界使用范围最广计算机操作系统的提供商,微软在软件领域具有强大技术储备和开发经验,有可能在未来量子计算的软件生态系统中建立主导优势。

与IBM和微软重点关注未来量子技术的战略布局不同,谷歌公司选择了更加注重量子技术现实应用的发展道路,采取类似策略的还有美国大型国防承包商洛克希德-马丁集团。这两家公司都与加拿大D-Wave系统公司建立了合作关系,分别向后者采购目前世界仅有的投入商业运行的“量子计算机”。当然,D-Wave系统公司生产的设备严格意义上只能称得上是“量子退火仿真器”,尽管测试结果显示该机器的计算执行速度能够比经典的计算机芯片快 1 亿倍,但还不能完全实现真正量子计算机的功能。谷歌公司采购这套系统的直接目的是运行并验证其人工智能算法,而和洛克希德-马丁集团则希望通过D-Wave量子计算机进行建模和模拟活动,加速先进装备的研制进程。无论在进行机器学习还是模拟先进战机飞行姿态的效果如何,利用量子退火算法(quantum annealing)解决特定领域的问题,都将对量子算法本身进行测试和优化,促进未来量子计算机能力与当前信息系统的高效融合。

除了上述企业以外,美国几乎所有信息科技领域有关的大型公司都通过各种方式参与这场技术创新领域的“淘金热”。不仅如此,随着量子技术正在逐步从实验室进入实际应用,美国金融资本、风险投资企业也开始关注相关领域的最新发展。美国甚至出现一些量子计算领域的初创公司,这些基本上都是高校、研究机构衍生公司的企业结构简单、策略灵活,当其在相关领域取得突破后往往会遭到大公司的收购,从而使其技术迅速转化可大规模应用的产品,因此也增强了美国在相关领域的活跃度和创新性。

(四)通过组织和盟友间合作促进资源和人才的高效利用
量子计算领域的竞争关键在于人才的竞争。作为涉及材料科学、应用数学、计算机科学、信息科学、量子工程和高能物理等大量前沿科技的跨学科领域,量子计算相关研究工作必须由具有竞争力的人才承担。无论政府组织、学术机构还是大型企业,在保障资费投入和政策支持的前提下,人员不足始终是制约工作顺利开展的最大问题。因此,美国量子计算研究团队普遍采取了联合的形式,从而发挥各类不同组织的优势并提高工作效率。例如,谷歌公司与美国航空航天局合作建立了量子人工智能实验室,洛克希德-马丁集团与马里兰大学共同组建了量子工程中心,而英特尔公司则宣布与位于荷兰的两家高等院校的研究机构合作开发性能更加优越的量子比特。

除了学术机构和私营企业的联合开发项目以外,美国政府也明确通过合作、招标和外包等形式,广泛吸纳欧美各国及澳大利亚等“西方文明集团”的科研机构和企业参与研发。对于一些涉密程度较高、关键系统的研究工作,美国政府组织也会谨慎地选择合作对象。美国陆军研究实验室就曾像威斯康星大学和德国萨尔兰州大学(University of the Saarland)的研究者提供了225万美元经费,用于开展超导量子比特研究。


美国量子计算技术发展及对策研究

(之三)

——量子计算技术可能产生的影响


关于量子计算技术将产生的冲击,美国官方文件给的答案是“无法预知”。在这种极其开放的措词背后存在三层解读:首先,可以确信的是量子计算技术的影响不仅会局限在科技领域,而且无疑将极大促进政治、经济、社会、军事等所有其他领域的发展,由此造成的一系列连锁反应是否会达到工业革命式的规模和程度,实在让人难以准确预测;其次,美国如果能够首先获取并在一段时间内单独保持这种能力,其所形成的优势对于保持美国的国际霸权地位所产生的巨大作用难以估量;最后,作为计算机和互联网技术的策源地,美国如果在量子计算研究竞争中落于人后,或者仅仅是不能率先实现从理论到应用技术的突破,其所产生的负面效应不但让美国决策者无法相像,可能更让其不敢相像。

(一)政治影响
计算能力是信息时代的基本生产力,不仅是国家实力的重要标志,更在国家实力竞争中发挥着关键作用。所谓计算,根本上说就是处理能力,在世界范围内信息传播速度基本一致的情况下,谁掌握更强的信息处理能力,谁就占据了信息竞争的高地,并能居高临下投射影响力。上世纪中后期,计算机和网络技术先后在美国发展壮大起来,并在向世界扩展的过程中加速了全球化进程。基于其掌握的大量核心技术,美国也在不断攫取和积累国家政治影响力,高性能计算能力甚至能够还直接影响国家重大决策。例如,通过上世纪90年代的“加速战略计算计划”,美国已经掌握了足以进行核爆炸模拟的计算能力,克林顿总统才会在联合国推动并签署《全面禁止核实验条约》,如果对于国内高性能计算能力没有信心,美国在这个问题上可能会采取不同的态度。正是深知高性能计算能力能够形成的政治影响力,美国决心在下一次技术跃升中夺取优势,从而继续巩固和加强其全球的领导力。

(二)经济影响
作为经典计算机的颠覆者,量子计算机可能会像经典计算机一样形成完整的产业链条,从而在国家经济体系中构成新的重要领域。围绕研制通用型量子计算机的中心目标,量子计算技术的发展还会带动量子导航、量子精密测量、量子通信以及相关软件技术产业的繁荣。以量子计算为核心的量子信息科学是一种基础学科,构成了解决其他复杂问题的基础能力,如果量子计算机技术得到突破,其他诸如基因测序、新材料开发、药物研制、代码检验、加密解密等需要大量计算工作才能完成的研究都会取得突破,从而为提高国家整体经济竞争力创造条件。

(三)军事影响
量子物理与计算科学第一次大规模结合的直接原因就是研制核心武器的需求。在计算技术此后的发展中,军事应用价值始终是其重要推动力之一,甚至互联网技术的诞生最初都是为了在计算弹道的大型计算机之间传输数据。毫无疑问,未来量子计算机的最大用户依然将是具有军事背景的组织或企业。除了通过建模和模拟功能确保核武器安全可靠性、加速高科技武器研发、解决新材料问题,量子计算能力与人工智能、大数据分析等技术结合,还将在战场计划、组织决策、后勤保障等方面发挥巨大作用,甚至有可能改变未来战争的形态。

(四)信息安全影响
量子计算技术发展最意想不到的后果就是对网络安全构成挑战。目前世界上大量使用的公钥加密算法几乎都会被量子计算机轻易破解。而且,量子计算对于信息安全的威胁还具有前溯性,如果现在的通信网络流量遭到窃听并被存储下来,未来潜在的对手利用量子计算能力,就能对这些通常加密的信息进行破解,从而在多年以后将威胁范围追溯到当前。2012年,《连线》杂志披露美国国家安全局正在犹他州新建一座数据中心,称其存储规模可以达到惊人的“尧字节”。据思科公司估计,全球互联网的流量在2010年到2015年将翻四倍,即便如此,每年的流量也不过1000艾字节(不到“尧字节”的1‰)。[3]换言之,如果该报道的内容属实,国家安全局完全可以互联网自诞生以来产生的所有流量全部保存下来,作为一种战略资源,供其在掌握量子计算能力后进行情报开发。因此,虽然量子计算机的出现可能还需要数十年,但这种能力本身已经具有了现实性威胁。

正如内燃机必然取代蒸汽机,第二次工业革命在产业革命的基础上接踵而至。计算能力是信息时代的动力。信息时代即将发生新的根本性变化。即将进入新的历史阶段,在历史即将发生转折的弯道上实现超车。

(一)制定以量子计算技术为核心的量子信息科学发展战略;
(二)超前展开抗量子密码研究;
(三)引入私营企业和资本进入量子计算研究领域;
(四)合理统筹资源,积极鼓励竞争;
(五)加强数学、物理、计算机等理工基础学科建设,形成合理人才队伍结构。


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