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【戰(zhàn)略技術(shù)】美國量子計算技術(shù)發(fā)展及對策研究

點擊：  作者：武獲山    來源：知遠(yuǎn)戰(zhàn)略與防務(wù)研究所  發(fā)布時間:2016-11-26 11:21:54

  

 

 

近十余年來，量子計算技術(shù)無論在理論還是應(yīng)用方面都取得顯著進(jìn)步。研究者們普遍估計，量子計算將在不久的將來實現(xiàn)質(zhì)的突破，并可能引發(fā)下一場科學(xué)技術(shù)革命。美國更是將量子技術(shù)視作為確保未來國家影響力而必須開拓的“新邊疆”，投入大量資源進(jìn)行量子物理基礎(chǔ)理論及量子計算研究。盡管這些工作短期內(nèi)并不可能取得的成果，但通過長期的全面布局和積極協(xié)調(diào)的推進(jìn)，美國在相關(guān)研究和應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)逐步呈現(xiàn)破局之勢，必將在未來產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

量子理論的產(chǎn)生和發(fā)展始終伴隨著不斷的質(zhì)疑和爭論，其所提示的規(guī)律與人類直覺常識存在直接沖突。量子計算理論奠基者之一，著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼曾表示，“如果你覺得懂量子力學(xué)，那么你就不懂量子力學(xué)”。經(jīng)過一個多世紀(jì)的發(fā)展，量子理論不僅不斷在實驗中驗證其客觀性，而且展現(xiàn)出極其強(qiáng)大社會進(jìn)步推動力。

 

一、量子理論和量子計算技術(shù)發(fā)展即將出現(xiàn)新的突破

 

（一）量子應(yīng)用技術(shù)即將進(jìn)入嶄新發(fā)展階段

 

量子理論起源于上世紀(jì)初，為解決經(jīng)典物理理論無法解釋微觀世界現(xiàn)象的問題，著名科學(xué)家馬克斯·普朗克在1900年首先提出了“量子”概念。在此之后，大量科學(xué)家通過不懈的努力逐步建立起量子力學(xué)理論框架。盡管科學(xué)界至今仍然認(rèn)為量子理論的根本性闡釋不夠完善，但是在過去的一個世紀(jì)，在量子理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的半導(dǎo)體微電子和光通信技術(shù)卻成為信息時代來臨的根本推動力。量子理論實際上為當(dāng)代世界發(fā)展和繁榮奠定了基礎(chǔ)。

 

如果說量子理論引發(fā)了一場席卷全球的技術(shù)革命，那么進(jìn)入21世紀(jì)，這場革命將進(jìn)入全新的發(fā)展階段，轉(zhuǎn)折發(fā)生的契機(jī)就是一種新型跨學(xué)科領(lǐng)域的誕生：量子力學(xué)和信息科學(xué)融合而成的量子信息科學(xué)。目前量子理論的應(yīng)用還是僅僅局限于宏觀世界，應(yīng)用的對象依然是電流和光等經(jīng)典物理量，而不能直接操縱電子、光子等微觀粒子。換言之，量子理論的“外圍應(yīng)用技術(shù)”不斷發(fā)展成熟，而直接利用量子世界不確定性的應(yīng)用技術(shù)尚未真正出現(xiàn)。但隨著特定領(lǐng)域的經(jīng)典物理技術(shù)發(fā)展達(dá)到極限，真正觸及量子理論核心的技術(shù)應(yīng)用必將成為各國爭相發(fā)展的重點領(lǐng)域。

 

（二）量子效應(yīng)決定著“摩爾定律”必將走向終結(jié)

 

近年來，現(xiàn)代計算機(jī)芯片中集成度的增長逐步達(dá)到極限。目前投入市場的主流芯片使用的是14納米技術(shù)，個位數(shù)納米級別芯片也已經(jīng)實驗成功，即將實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)應(yīng)用。但根據(jù)量子力學(xué)原理，傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管柵極線寬的極限值約為5納米，當(dāng)超出這種保持電子穩(wěn)定所需結(jié)構(gòu)的極限時，量子隧穿效應(yīng)將不可避免地干擾電子元件的運(yùn)行。盡管有研究團(tuán)隊宣布通過特殊材料和手段可以在實驗室中將晶體管制程縮減到 1 納米，但此類技術(shù)只能在有限范圍內(nèi)對強(qiáng)化傳統(tǒng)芯片性能，無法阻止“摩爾定律”未來必將被打破的趨勢 。

 

當(dāng)現(xiàn)代計算機(jī)芯片在經(jīng)典物理領(lǐng)域內(nèi)無法進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)性能時，計算技術(shù)的發(fā)展總體上存在兩條路徑：研究探索有別于當(dāng)前計算機(jī)架構(gòu)的新型結(jié)構(gòu)，或者繼續(xù)深入研究量子力學(xué)規(guī)律并使其直接應(yīng)用于計算的技術(shù)。前一種方案將拋棄當(dāng)前計算機(jī)所遵循的馮·諾依曼架構(gòu)，采用諸如神經(jīng)元結(jié)構(gòu)重新組織芯片運(yùn)行方式，但是采取的依然是當(dāng)前使用的CMOS芯片；后者將改變芯片的基本結(jié)構(gòu)，直接利用量子疊加態(tài)實現(xiàn)傳統(tǒng)計算機(jī)功能，這種方案的前提假設(shè)是未來新型計算機(jī)依然基于數(shù)字化“邏輯門”。

 

無論未來高性能計算系統(tǒng)采取哪種方案（很有可能是二者并行發(fā)展），世界各國量子計算技術(shù)的研發(fā)競爭都不可能減弱。因為盡管存在大量嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，量子計算關(guān)系著國家未來發(fā)展的基礎(chǔ)計算能力，根本不可能依靠外力支持發(fā)展。而量子計算技術(shù)一旦形成突破，就會產(chǎn)生顛覆性創(chuàng)新效應(yīng)，使掌握這種能力的國家將迅速建立起全方位優(yōu)勢。

 

（三）量子計算技術(shù)的巨大潛力與面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

 

量子計算系統(tǒng)強(qiáng)大性能來源于具備特殊屬性的量子比特。經(jīng)典計算機(jī)的最小數(shù)據(jù)處理單位是比特，其在工作時將所有數(shù)據(jù)排列為一個比特序列，對其進(jìn)行串行處理；而量子計算機(jī)使用量子比特，基于量子疊加態(tài)和量子糾纏效應(yīng)，量子計算機(jī)本質(zhì)上具備并行處理能力，理論上其計算能力可隨著量子比特位數(shù)的增加呈指數(shù)增長。在某些領(lǐng)域中，擁有50個量子比特的量子計算機(jī)性能就能超過目前世界上最先進(jìn)的超級計算機(jī)“天河二號”。 如果達(dá)到實際應(yīng)用水平，量子計算機(jī)能夠?qū)⒛承┙?jīng)典計算機(jī)需要數(shù)萬年處理復(fù)雜問題的運(yùn)行時間縮短為幾秒鐘。

 

研制量子計算機(jī)的關(guān)鍵就在于量子比特的制備方式。量子比特高度不穩(wěn)定，外界任何微弱的環(huán)境變化都可能對其造成破壞性影響。因此，量子計算機(jī)的核心部件通常處于比太空更加寒冷的密封環(huán)境中，防止受到其他粒子、電磁場、溫度等因素的干擾。量子比特的制備方式存在多種方案，但無論是“超導(dǎo)型量子邏輯門”、“離子阱量子門”還是“半導(dǎo)體量子點”，目前都無法制造并長時間保持高質(zhì)量的量子比特，從而以一種可控制的方式對不同類型任務(wù)進(jìn)行編程。但是近年來，相關(guān)研究項目的突破已經(jīng)為量子計算機(jī)奠定了堅實的軟、硬件基礎(chǔ)，通用型量子計算機(jī)即將在不遠(yuǎn)的將來成為現(xiàn)實。

 

二、美國在量子計算技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局和發(fā)展現(xiàn)狀

 

出于國家安全利益的緊迫需求，美國高性能計算能力幾乎與核能力同時開始發(fā)展，并且在全面核實驗因國際政治局勢發(fā)生根本性變化而不再具有可行性后，成為確保核武器安全和可靠性的重要手段。更為重要的是，美國在不斷提高經(jīng)典計算能力的同時，也沒有忽視突破傳統(tǒng)計算技術(shù)極限的新型計算方案的發(fā)展。目前，美國已經(jīng)在量子計算領(lǐng)域完成戰(zhàn)略布局，在理論研究方面推進(jìn)量子信息科學(xué)（quantum information science）的學(xué)科建設(shè)，在應(yīng)用技術(shù)層面以研發(fā)高性能計算系統(tǒng)（high-performancecomputing）為牽引，重點突出量子計算硬件設(shè)備發(fā)展。目前，上述兩項工作都被提升到國家戰(zhàn)略層面，正處在加速推進(jìn)落實的過程中，并已經(jīng)取得了若干階段性成果。

 

（一）瞄準(zhǔn)量子計算領(lǐng)域前沿預(yù)先布局是美國奪取和維持發(fā)展優(yōu)勢的基礎(chǔ)

 

美國國防工業(yè)，特別是核工業(yè)，對高性能計算系統(tǒng)的需求始終伴隨著計算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展而存在。從戰(zhàn)略角度出發(fā)，美國政府對多種有可能突破經(jīng)典計算機(jī)能力限制的技術(shù)都進(jìn)行了投資。作為美國科學(xué)技術(shù)政策的主要咨詢和決策機(jī)構(gòu)，美國國家科學(xué)和技術(shù)委員會（National Science and TechnologyCouncil）、科學(xué)技術(shù)政策辦公室（Office of Science and Technology Policy）和國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局等機(jī)構(gòu)一直以來都高度重視量子信息科學(xué)的發(fā)展，其中尤其以量子計算技術(shù)為突出重點。1982年，理查德·P·費(fèi)曼（Richard P.Feynman）和保羅·貝尼奧夫（PaulBenioff）分別發(fā)表了相互支持的論文，從理論上提出駕馭量子物理屬性進(jìn)行計算操作的方案。 在美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局的支持下，戴維·瓦恩蘭（Dave Wineland）領(lǐng)導(dǎo)的離子存儲團(tuán)隊（IonStorage Group）于1995年第一次在實驗中驗證了量子邏輯門的可實現(xiàn)性。雖然此時傳統(tǒng)計算技術(shù)正處于快速發(fā)展的黃金時期，但關(guān)于未來技術(shù)挑戰(zhàn)和突破的機(jī)遇卻已經(jīng)進(jìn)入美國相關(guān)科技決策機(jī)構(gòu)的考察范圍。國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局在2000年啟動了一項以量子信息科學(xué)為研究重點的項目，目標(biāo)包括驗證基礎(chǔ)的量子邏輯操作；在瓦恩蘭成果基礎(chǔ)上研制更加先進(jìn)的量子邏輯門；研究一系列量子比特技術(shù)；支持國家安全局、國防高級研究項目局、情報高級研究項目局的工作等內(nèi)容。

 

2008年，美國總統(tǒng)行政辦公室國家科學(xué)和技術(shù)委員會發(fā)布了《聯(lián)邦量子信息科學(xué)預(yù)想》（Federal Vision for QuantumInformation Science），指出量子信息科學(xué)將對上世紀(jì)出現(xiàn)的革命性的量子力學(xué)和信息科學(xué)進(jìn)行融合，并且充分強(qiáng)調(diào)量子計算效應(yīng)在國家發(fā)展中的重要地位，呼吁采取協(xié)調(diào)方式推動政府機(jī)構(gòu)和國家實驗室的相關(guān)活動，從而在全國范圍內(nèi)開展重點突出的研究工作，其中涉及的單位包括美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局、國家安全局、國家科學(xué)基金會、情報高級研究項目局、國防高級研究項目局、能源部、陸軍研究實驗室、空軍研究實驗室以及海軍研究實驗室等。值得注意的是，上述文件由在國家科學(xué)和技術(shù)委員會下專門組建的量子信息科學(xué)次級委員會撰寫，該機(jī)構(gòu)在此之后還制定了相關(guān)的投資戰(zhàn)略。

 

上述文件的發(fā)布以及相關(guān)專項負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)的成立標(biāo)志著，美國正式開始在聯(lián)邦層面統(tǒng)籌量子計算技術(shù)的發(fā)展工作，試圖將此前分散于各聯(lián)邦機(jī)構(gòu)、國防部門、學(xué)術(shù)組織和私營企業(yè)中的研發(fā)力量集中起來，通過設(shè)定預(yù)想目標(biāo)、協(xié)調(diào)各種組織力量、確定階段重點研究項目等手段，充分發(fā)揮預(yù)先布局取得的積極作用，從而建立并維持美國在相關(guān)領(lǐng)域中的優(yōu)勢。

 

（二）政府機(jī)構(gòu)持續(xù)實施的戰(zhàn)略引導(dǎo)和投資是維持量子計算穩(wěn)定發(fā)展的牽引力

 

量子計算技術(shù)研究對環(huán)境要求極為苛刻，相關(guān)研究工作需要長期穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)支持。而且作為一種基礎(chǔ)學(xué)科研究，研究成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實應(yīng)用的周期非常長，高企的研究風(fēng)險使個人和以贏利為目的的企業(yè)難以參與，相關(guān)政府機(jī)構(gòu)幾乎是此類研究實施的唯一投資方。除了科學(xué)技術(shù)政策和研究機(jī)構(gòu)以外，美國國防和情報部門也是量子計算技術(shù)發(fā)展的重要支持力量。

 

在民事科研領(lǐng)域，掌握720億美元年度預(yù)算的國家科學(xué)基金會是美國科技發(fā)展政策的主要實施機(jī)構(gòu)。很明顯，該基金會的投資會兼顧許多學(xué)科，但理論和應(yīng)用量子物理研究項目多年來一起得到其穩(wěn)定的投資。在國家科學(xué)基金會的網(wǎng)站上搜索“量子”關(guān)鍵詞將出現(xiàn)數(shù)以百計的批準(zhǔn)項目信息，每項都會達(dá)到數(shù)十萬美元的規(guī)模。盡管所有搜索結(jié)果并非都與量子計算技術(shù)相關(guān)，但毫無疑問其中許多項目的研究成果都將直接或間接地促進(jìn)量子計算領(lǐng)域發(fā)展。

 

在國防研究領(lǐng)域，國家安全局在量子計算研究及其他相關(guān)領(lǐng)域研究的投資依然保持秘密狀態(tài)。雖然2014年1月，《華盛頓郵報》在報道中稱國家安全局已經(jīng)在開發(fā)量子計算機(jī)方面投入了7970萬美元，但是并沒有透露更多具體信息。盡管如此，國家安全局的合作機(jī)構(gòu)卻從側(cè)面反映出其對該領(lǐng)域的投資力度。國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局在2006年披露，其已經(jīng)與國家安全局和馬里蘭大學(xué)合作創(chuàng)建聯(lián)合量子研究院（Joint Quantum Institute）以推進(jìn)量子物理研究，該機(jī)構(gòu)最初的年度預(yù)算為600萬美元并將逐年增長。 作為從上世紀(jì)90年代起就始終關(guān)注量子計算技術(shù)問題的先驅(qū)，國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局已經(jīng)建立起堅實研究的基礎(chǔ)，并在2010年撥款1030萬美元在聯(lián)合量子研究院框架下組建了高級量子科學(xué)實驗室（Laboratory for Advanced QuantumScience）。

 

在美國政府 2015 年提出的“國家戰(zhàn)略計算倡議”（National Strategic ComputingInitiative）中，情報高級研究項目局位于政府各部門分工的中心位置。事實上，情報高級研究項目局自從 2007 年開始就已經(jīng)逐漸全面展開量子計算技術(shù)研究。從相干超導(dǎo)量子比特項目、多量子比特相干操控項目、量子計算機(jī)科學(xué)項目到量子邏輯芯片項目，情報高級研究項目局在量子計算的物理實現(xiàn)方式、量子計算機(jī)學(xué)科基礎(chǔ)建設(shè)方面積累了一定成果和經(jīng)驗。特別值得注意的是，情報高級研究項目局在2016年初宣布啟動量子邏輯芯片項目，這種硬件產(chǎn)品是研制通用型量子計算機(jī)的關(guān)鍵，如果這項技術(shù)取得突破，理論上可以制造出量子比特可擴(kuò)展的計算系統(tǒng)。因此，該項目主管稱其為類似于“曼哈頓計劃——芝加哥一號反應(yīng)堆”的核心項目。

 

除此之外，美軍各軍種單位科研機(jī)構(gòu)也與私營和公共部門伙伴共同投資進(jìn)行了量子信息研究項目，但涉及經(jīng)費(fèi)數(shù)量規(guī)模的數(shù)字并未公布。例如，IBM公司在2012年2月發(fā)表聲明，宣布在量子計算設(shè)備性能開發(fā)方面取得重大進(jìn)展，可能會加速實用型全功能量子計算機(jī)的研發(fā)進(jìn)程。在向媒體發(fā)布的信息結(jié)尾處，IBM公司承認(rèn)得到了包括陸軍研究辦公室（Army Research Office）在內(nèi)的國防機(jī)構(gòu)經(jīng)費(fèi)支持。

 

（三）私營企業(yè)在量子計算領(lǐng)域的差異化競爭形成整體有利的發(fā)展態(tài)勢

 

美國政府在2016年7月發(fā)布的《國家戰(zhàn)略計算倡議戰(zhàn)略計劃》（National Strategic ComputingInitiative Strategic Plan）中，明確強(qiáng)調(diào)要通過“整體型政府”模式“與工業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同建立起關(guān)于高性能計算系統(tǒng)的跨機(jī)構(gòu)戰(zhàn)略遠(yuǎn)景和投資戰(zhàn)略”。這意味著，美國量子計算技術(shù)發(fā)展力量很大一部分都存在于工業(yè)和學(xué)術(shù)界，而美國私營部門，特別是大型高科技企業(yè)，往往同時在這兩個領(lǐng)域中都具有強(qiáng)大影響力。作為一種涉及范圍廣泛的研究領(lǐng)域，量子計算正在以史無前例的速度從實驗室進(jìn)入應(yīng)用系統(tǒng)。美國高科技公司也通過承接政府項目、聯(lián)合學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)、充分發(fā)揮自身研究能力等方式在該領(lǐng)域展開激烈競爭。各大公司在投入大量資源的同時，又注重采取體現(xiàn)自身優(yōu)勢的差異化發(fā)展方式，從而從總體上使美國私營部門量子計算能力發(fā)展形成彼此補(bǔ)充、各盡其能的有利局面。無論哪家企業(yè)最終在量子計算相關(guān)領(lǐng)域的研究競爭中取勝，美國政府都將是獲利最大的最終受益者。

 

得益于IBM研究院在量子技術(shù)領(lǐng)域多年來持續(xù)的投資和研究工作，IBM公司目前成為最有可能制造出通用型量子計算機(jī)的領(lǐng)跑者。2015年，IBM公司宣布其與情報高級研究項目局合作的量子計算項目取得重大突破。通過把超導(dǎo)量子比特“囚禁”在計算機(jī)芯片晶格之中，該公司研究團(tuán)隊可以檢測出量子比特發(fā)生比特翻轉(zhuǎn)（bit-flip）和相位翻轉(zhuǎn)（phase-flip）的情況，這對提高量子比特穩(wěn)定性具有重要意義。在目前出現(xiàn)的公開資料中，這種量子電路設(shè)計是唯一可以進(jìn)行規(guī)模擴(kuò)展的方案。在對超導(dǎo)量子比特進(jìn)行編碼使之成為邏輯量子比特后，真正意義上的量子就能夠?qū)崿F(xiàn)。因此就在同年 12 月，情報高級研究項目局宣布繼續(xù)與IBM公司合作實施“邏輯量子比特”項目（LogicalQubits），后者將在此前實驗成果的基礎(chǔ)上研制出更大規(guī)模量子比特電路，從而為最終制造出糾錯型通用量子計算機(jī)奠定基礎(chǔ)。該項目于2016年2月啟動，終驗時間設(shè)定為2021年。如果實驗順利進(jìn)行，該項目將在芯片研制方面形成制造通用型量子計算機(jī)的關(guān)鍵硬件技術(shù)。

 

2006年，微軟公司在加利福尼亞大學(xué)建立了自己的量子研究所（StationQ）， 雖然微軟在量子計算領(lǐng)域研究的信息透露非常有限，但與其有合作關(guān)系的研究者表示，該公司有能力在2025年制造出全功能量子計算機(jī)。 與其他機(jī)構(gòu)存在顯著區(qū)別，微軟公司采取了被稱為拓?fù)淞孔佑嬎愕难芯糠绞剑湓噲D同時設(shè)計軟件、硬件和量子計算其他相關(guān)元素，從而避免其他量子計算硬件設(shè)計方案面臨的系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。微軟公司甚至還發(fā)布了語言集成量子運(yùn)行模擬器（Language-IntegratedQuantum Operations），這種量子軟件模擬器可以使開發(fā)者在經(jīng)典計算機(jī)上模擬量子計算環(huán)境。 未來量子計算機(jī)不可能僅僅局限于在若干特定問題領(lǐng)域，而開發(fā)針對不同問題的軟件是擴(kuò)大量子計算功能影響的必要途徑。作為當(dāng)今世界使用范圍最廣計算機(jī)操作系統(tǒng)的提供商，微軟在軟件領(lǐng)域具有強(qiáng)大技術(shù)儲備和開發(fā)經(jīng)驗，有可能在未來量子計算的軟件生態(tài)系統(tǒng)中建立主導(dǎo)優(yōu)勢。

 

與IBM和微軟重點關(guān)注未來量子技術(shù)的戰(zhàn)略布局不同，谷歌公司選擇了更加注重量子技術(shù)現(xiàn)實應(yīng)用的發(fā)展道路，采取類似策略的還有美國大型國防承包商洛克希德-馬丁集團(tuán)。這兩家公司都與加拿大D-Wave系統(tǒng)公司建立了合作關(guān)系，分別向后者采購目前世界僅有的投入商業(yè)運(yùn)行的“量子計算機(jī)”。當(dāng)然，D-Wave系統(tǒng)公司生產(chǎn)的設(shè)備嚴(yán)格意義上只能稱得上是“量子退火仿真器”，盡管測試結(jié)果顯示該機(jī)器的計算執(zhí)行速度能夠比經(jīng)典的計算機(jī)芯片快 1 億倍，但還不能完全實現(xiàn)真正量子計算機(jī)的功能。 谷歌公司采購這套系統(tǒng)的直接目的是運(yùn)行并驗證其人工智能算法，而和洛克希德-馬丁集團(tuán)則希望通過D-Wave量子計算機(jī)進(jìn)行建模和模擬活動，加速先進(jìn)裝備的研制進(jìn)程。無論在進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)還是模擬先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)飛行姿態(tài)的效果如何，利用量子退火算法（quantumannealing）解決特定領(lǐng)域的問題，都將對量子算法本身進(jìn)行測試和優(yōu)化，促進(jìn)未來量子計算機(jī)能力與當(dāng)前信息系統(tǒng)的高效融合。

 

除了上述企業(yè)以外，美國幾乎所有信息科技領(lǐng)域有關(guān)的大型公司都通過各種方式參與這場技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的“淘金熱”。不僅如此，隨著量子技術(shù)正在逐步從實驗室進(jìn)入實際應(yīng)用，美國金融資本、風(fēng)險投資企業(yè)也開始關(guān)注相關(guān)領(lǐng)域的最新發(fā)展。美國甚至出現(xiàn)一些量子計算領(lǐng)域的初創(chuàng)公司，這些基本上都是高校、研究機(jī)構(gòu)衍生公司的企業(yè)結(jié)構(gòu)簡單、策略靈活，當(dāng)其在相關(guān)領(lǐng)域取得突破后往往會遭到大公司的收購，從而使其技術(shù)迅速轉(zhuǎn)化可大規(guī)模應(yīng)用的產(chǎn)品，因此也增強(qiáng)了美國在相關(guān)領(lǐng)域的活躍度和創(chuàng)新性。

 

（四）通過組織和盟友間合作促進(jìn)資源和人才的高效利用

 

量子計算領(lǐng)域的競爭關(guān)鍵在于人才的競爭。作為涉及材料科學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、量子工程和高能物理等大量前沿科技的跨學(xué)科領(lǐng)域， 量子計算相關(guān)研究工作必須由具有競爭力的人才承擔(dān)。無論政府組織、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)還是大型企業(yè)，在保障資費(fèi)投入和政策支持的前提下，人員不足始終是制約工作順利開展的最大問題。因此，美國量子計算研究團(tuán)隊普遍采取了聯(lián)合的形式，從而發(fā)揮各類不同組織的優(yōu)勢并提高工作效率。例如，谷歌公司與美國航空航天局合作建立了量子人工智能實驗室，洛克希德-馬丁集團(tuán)與馬里蘭大學(xué)共同組建了量子工程中心， 而英特爾公司則宣布與位于荷蘭的兩家高等院校的研究機(jī)構(gòu)合作開發(fā)性能更加優(yōu)越的量子比特。

 

除了學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和私營企業(yè)的聯(lián)合開發(fā)項目以外，美國政府也明確通過合作、招標(biāo)和外包等形式，廣泛吸納歐美各國及澳大利亞等“西方文明集團(tuán)”的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)參與研發(fā)。對于一些涉密程度較高、關(guān)鍵系統(tǒng)的研究工作，美國政府組織也會謹(jǐn)慎地選擇合作對象。美國陸軍研究實驗室就曾像威斯康星大學(xué)和德國薩爾蘭州大學(xué)（Universityof the Saarland）的研究者提供了225萬美元經(jīng)費(fèi)，用于開展超導(dǎo)量子比特研究。

 

 

三、量子計算技術(shù)可能產(chǎn)生的影響

 

關(guān)于量子計算技術(shù)將產(chǎn)生的沖擊，美國官方文件給的答案是“無法預(yù)知”。 在這種極其開放的措詞背后存在三層解讀：首先，可以確信的是量子計算技術(shù)的影響不僅會局限在科技領(lǐng)域，而且無疑將極大促進(jìn)政治、經(jīng)濟(jì)、社會、軍事等所有其他領(lǐng)域的發(fā)展，由此造成的一系列連鎖反應(yīng)是否會達(dá)到工業(yè)革命式的規(guī)模和程度，實在讓人難以準(zhǔn)確預(yù)測；其次，美國如果能夠首先獲取并在一段時間內(nèi)單獨保持這種能力，其所形成的優(yōu)勢對于保持美國的國際霸權(quán)地位所產(chǎn)生的巨大作用難以估量；最后，作為計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的策源地，美國如果在量子計算研究競爭中落于人后，或者僅僅是不能率先實現(xiàn)從理論到應(yīng)用技術(shù)的突破，其所產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)不但讓美國決策者無法相像，可能更讓其不敢相像。

 

（一）政治影響

 

計算能力是信息時代的基本生產(chǎn)力，不僅是國家實力的重要標(biāo)志，更在國家實力競爭中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。所謂計算，根本上說就是處理能力，在世界范圍內(nèi)信息傳播速度基本一致的情況下，誰掌握更強(qiáng)的信息處理能力，誰就占據(jù)了信息競爭的高地，并能居高臨下投射影響力。上世紀(jì)中后期，計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)先后在美國發(fā)展壯大起來，并在向世界擴(kuò)展的過程中加速了全球化進(jìn)程。基于其掌握的大量核心技術(shù)，美國也在不斷攫取和積累國家政治影響力，高性能計算能力甚至能夠還直接影響國家重大決策。例如，通過上世紀(jì)90年代的“加速戰(zhàn)略計算計劃”，美國已經(jīng)掌握了足以進(jìn)行核爆炸模擬的計算能力，克林頓總統(tǒng)才會在聯(lián)合國推動并簽署《全面禁止核實驗條約》，如果對于國內(nèi)高性能計算能力沒有信心，美國在這個問題上可能會采取不同的態(tài)度。正是深知高性能計算能力能夠形成的政治影響力，美國決心在下一次技術(shù)躍升中奪取優(yōu)勢，從而繼續(xù)鞏固和加強(qiáng)其全球的領(lǐng)導(dǎo)力。

 

（二）經(jīng)濟(jì)影響

 

作為經(jīng)典計算機(jī)的顛覆者，量子計算機(jī)可能會像經(jīng)典計算機(jī)一樣形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈條，從而在國家經(jīng)濟(jì)體系中構(gòu)成新的重要領(lǐng)域。圍繞研制通用型量子計算機(jī)的中心目標(biāo)，量子計算技術(shù)的發(fā)展還會帶動量子導(dǎo)航、量子精密測量、量子通信以及相關(guān)軟件技術(shù)產(chǎn)業(yè)的繁榮。以量子計算為核心的量子信息科學(xué)是一種基礎(chǔ)學(xué)科，構(gòu)成了解決其他復(fù)雜問題的基礎(chǔ)能力，如果量子計算機(jī)技術(shù)得到突破，其他諸如基因測序、新材料開發(fā)、藥物研制、代碼檢驗、加密解密等需要大量計算工作才能完成的研究都會取得突破，從而為提高國家整體經(jīng)濟(jì)競爭力創(chuàng)造條件。

 

（三）軍事影響

 

量子物理與計算科學(xué)第一次大規(guī)模結(jié)合的直接原因就是研制核心武器的需求。在計算技術(shù)此后的發(fā)展中，軍事應(yīng)用價值始終是其重要推動力之一，甚至互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的誕生最初都是為了在計算彈道的大型計算機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)。毫無疑問，未來量子計算機(jī)的最大用戶依然將是具有軍事背景的組織或企業(yè)。除了通過建模和模擬功能確保核武器安全可靠性、加速高科技武器研發(fā)、解決新材料問題，量子計算能力與人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)結(jié)合，還將在戰(zhàn)場計劃、組織決策、后勤保障等方面發(fā)揮巨大作用，甚至有可能改變未來戰(zhàn)爭的形態(tài)。

 

（四）信息安全影響

 

量子計算技術(shù)發(fā)展最意想不到的后果就是對網(wǎng)絡(luò)安全構(gòu)成挑戰(zhàn)。目前世界上大量使用的公鑰加密算法幾乎都會被量子計算機(jī)輕易破解。而且，量子計算對于信息安全的威脅還具有前溯性，如果現(xiàn)在的通信網(wǎng)絡(luò)流量遭到竊聽并被存儲下來，未來潛在的對手利用量子計算能力，就能對這些通常加密的信息進(jìn)行破解，從而在多年以后將威脅范圍追溯到當(dāng)前。2012年，《連線》雜志披露美國國家安全局正在猶他州新建一座數(shù)據(jù)中心，稱其存儲規(guī)模可以達(dá)到驚人的“堯字節(jié)”。據(jù)思科公司估計，全球互聯(lián)網(wǎng)的流量在2010年到2015年將翻四倍，即便如此，每年的流量也不過1000艾字節(jié)（不到“堯字節(jié)”的1‰）。 換言之，如果該報道的內(nèi)容屬實，國家安全局完全可以互聯(lián)網(wǎng)自誕生以來產(chǎn)生的所有流量全部保存下來，作為一種戰(zhàn)略資源，供其在掌握量子計算能力后進(jìn)行情報開發(fā)。因此，雖然量子計算機(jī)的出現(xiàn)可能還需要數(shù)十年，但這種能力本身已經(jīng)具有了現(xiàn)實性威脅。

 

正如內(nèi)燃機(jī)必然取代蒸汽機(jī)，第二次工業(yè)革命在產(chǎn)業(yè)革命的基礎(chǔ)上接踵而至。計算能力是信息時代的動力。信息時代即將發(fā)生新的根本性變化。即將進(jìn)入新的歷史階段，在歷史即將發(fā)生轉(zhuǎn)折的彎道上實現(xiàn)超車。

 

（一）制定以量子計算技術(shù)為核心的量子信息科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略；

（二）超前展開抗量子密碼研究；

（三）引入私營企業(yè)和資本進(jìn)入量子計算研究領(lǐng)域；

（四）合理統(tǒng)籌資源，積極鼓勵競爭；

（五）加強(qiáng)數(shù)學(xué)、物理、計算機(jī)等理工基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)，形成合理人才隊伍結(jié)構(gòu)。

 

（作者：武獲山，知遠(yuǎn)戰(zhàn)略與防務(wù)研究所網(wǎng)絡(luò)力量研究中心助理研究員）