世界性颠覆!量子计算机在中国诞生,对我国有五层重大战略意义

阅读 132406 0 占豪 2017-05-04 10:40

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(一)国家影响力

信息是当今世界最为重要的战略资源,计算机技术是现代信息技术的核心,信息处理能力是信息时代的基本生产力,是国家的核心竞争力,体现国家综合实力的重要标志。二战结束以来,美国一直占据超级计算机研发的尖端,最初主要用于计算导弹弹道以及核武器模拟计算等军事活动当中,后来逐步应用到科研、产品研发、金融等各个领域。随后,计算机和互联网技术在美国迅速发展壮大,并在世界范围内扩展和加速全球化进程,美国在此过程中积累了其强大的国际影响力。量子计算科技革命给了我国一个从经典信息技术时代的跟踪者、模仿者转变为未来信息技术的引领者的、不可错过的伟大机遇。量子计算技术是一种颠覆性技术,关系到一个国家未来发展的基础计算能力,一旦形成突破,会使掌握这种能力的国家迅速建立起全方位战略优势,引领量子信息时代的国际发展。


(二)经济影响力

量子计算机能克服现代计算机发展所遇到的能耗和量子效应问题,从而摆脱半导体行业面临的摩尔定律失效的困境,同时突破经典极限,利用量子加速、并行特性解决经典计算机难以处理的相关问题。作为现代计算机的颠覆者,未来量子计算机会像经典计算机一样形成庞大的技术产业链,在国民经济生活中产生重大影响。其突破必将为信息和材料等科学技术的发展开辟广阔的空间,成为后摩尔时代和后化石能源时代人类生活的技术依托。量子计算机的研制必将带动包括材料,信息,技术,能源等一大批产业的飞跃式发展。量子计算机强大的并行计算和模拟能力,将为密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案,从而为提高国家整体经济竞争力创造条件。


(三)科技影响力

过去50年以来,半导体及信息行业的技术发展经历过数次突破,从处理器的运算速度到存储器容量,再到网络带宽,每一次突破之后都能带来巨大的社会进步。目前,海量数据处理已成为急需攻克的壁垒。当前计算机处理海量数据的能力非常薄弱,传统计算机已经远远无法满足信息量爆炸式增长的需求,迫切需要从原理上突破超大信息容量和超快运算速度的瓶颈,而量子计算机正好能有效满足这一需求。量子计算机在科学研究领域具有广泛应用前景。学术界认为,在量子计算机达到大规模应用的比特数之前,将首先用于对量子体系的模拟。量子计算机利用其特殊的量子力学原理,将为强关联等物理学提供完美的检验平台。同时量子计算对于生物制药、机器学习、人工智能领域将产生深远影响,并对提高国家科技影响力起到积极作用。


(四)军事影响力

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。在计算技术的发展历程中,军事应用价值始终是其重要推动力之一。量子计算机的强大功能应用到国防建设时,其强大的运算、搜索、处理能力,将为未来武器研发提供计算、模拟平台,缩短研发周期,提高武器研发效率。还将在未来战场上破译加密密文,为及时高效准确的情报和战况分析提供技术支撑,提升作战能力,同时在战场计划、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,掌握其核心技术能够极大地增强国防综合实力。


(五)国家信息安全

量子计算机最受关注的重要应用之一是破译现代密码体系。理论研究表明,目前使用的RSA公开密钥体系在量子计算机面前将不堪一击。构建于基于经典保密系统之上的安全体系将变得无秘可言。此外,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。量子计算机的研制已经成为国际社会关注的焦点,其对国家安全体系的重大意义不言而喻。

量子计算机纵然有无比强大的颠覆性功能,然而通用量子计算机的研制过程是相当复杂的。研制量子计算机的关键在于量子比特的制备。量子比特非常脆弱,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极低温环境中,防止受到其他环境因素的干扰。量子比特的制备方式存在多种方案,经过近二十年的发展,国际主流研究集中到了超导量子比特、半导体量子点、囚禁离子、钻石空位和拓扑量子比特等。

由于量子计算对于国家安全及经济发展的巨大影响,世界各国政府持续高强度资助量子计算机的研制。毫无疑问,美国在量子计算机研制上是国际最领先的,并且有着完整的布局。虽然量子计算研究的进展低于十年前的预期,但还是让人们看到了突破可集成化量子计算机技术瓶颈的希望。特别当量子比特的保真度突破了容错量子计算的阈值,使得一些基本量子算法得到演示。这些巨大的成就吸引了一些国际商业机构和政府部门的极大关注。


量子计算机研制已经进入一个十分关键的时刻,国际上超大计算机、信息企业都投入巨大人力、物力来研制量子计算机。主要包括:2012年微软研究院(美国)成立了量子体系结构与计算研究组,主要的目标是实现量子计算机软件体系结构, 包括量子程序设计语言及编译系统。2013年谷歌公司与美国国家航空航天局(NASA)联合成立了量子人工智能实验室,研究如何将量子计算机应用于大数据分析与机器学习。2014年9月2日谷歌宣布美国UCSB大学的 Martinis教授研究组加入谷歌公司研发量子计算机处理器。2014年 IBM宣布耗资30亿美元研发下一代芯片(五年计划),主要是量子计算与神经计算。2015年世界最大的芯片制造商Intel公司宣布投入巨资与荷兰代尔夫特理工大学合作研发基于硅量子点的量子计算机,并于近日开发出了将量子计算机需要的超纯硅附着在传统微电子工业标准晶圆上的技术,以期抢占半导体量子计算机研制的制高点。2015年5月,全球最大的国防工业企业洛克希德.马丁(Lockheed Martin)与马里兰大学合作研发集成量子计算平台。2016年5月4日IBM公司发布了5个量子比特的量子计算云服务。2016年8月4日马里兰大学与美国国家标准与技术研究院(NIST)发布5个量子比特的可编程量子计算机。美、日、欧等发达国家在前期已经投入大量研发资金之后,2016年4月欧盟又宣布于2018年启动总额10亿欧元的量子技术项目,促进包括通用量子计算机等在内的多项量子技术的发展。同月,澳大利亚政府宣布在澳大利亚量子计算与通信技术中心成立量子计算实验室,进一步集中对半导体硅基量子芯片等研究加大投入,以期抢占半导体量子计算的制高点。

我国政府也很重视量子信息技术的发展,在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中将“量子调控研究”列为四个重大科学研究计划之一,给予量子信息技术稳定的研究支持,做出了一系列创新性研究成果,在某些方面已经处于国际领先地位,特别是基于量子物理的新型量子保密通信技术已逐步迈向实用化产业化。


量子计算机的研制需要物理、材料、信息和计算机科学等多学科的紧密协调和结合,从而实现从大规模器件的制备向微电子工程方面迈进。通用量子计算机的研制还有很长的路需要走,量子计算机的研制将伴随着经典计算的发展一起前进,相信随着量子比特的保真度达到容错量子计算的阈值,量子计算机的研究已经从实验室阶段向工程技术化阶段迈进,越来越多的研究单位和大型公司企业将进入,从而加速可实用化通用量子计算机研制的进程。从先进的发展模式而言,各大公司与研究机构合作研制量子计算机是集科研机构、公司、政府部门等于一体的研发模式,这可能是未来推进量子计算机研制的一种有效模式。

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