郭国平|量子计算政策发展与应用研究综述

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发布时间: 06-0504:20人民智库官方帐号

20世纪初,科学家利用、控制宏观量子行为,开启了“第一次量子革命”,以半导体、激光、超导等为代表的重要信息技术相继问世,促使材料、医学、化工等领域取得跨越式进展,人类社会生产力水平进入新层次。21世纪以来,操控量子行为已进入微观物理体系,结合计算机科学原理,实现信息获取、处理和传输的量子信息技术开启了“第二次量子革命”的大门。

中国科学技术大学微电子学院副院长郭国平认为,量子计算技术及其应用的极高战略价值已得到权威机构和行业专家的认可:结合人工智能、大数据分析、区块链等高新技术,量子计算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。

量子计算的跨领域应用案例:

1.量子计算+国家安全

量子计算机对国家安全,既可成为造成严重威胁的“矛”,亦可转变为重构加密体系的“盾”。以国防军事为代表,美国国家安全领域的专用量子计算技术布局早,发展迅速,主要体现在巨额研发资金支持及创新产学研协同机制上;美国国防机构亦广泛开展与专业技术研究部门的深层次协同合作;另外,美国著名军工企业已培养专业量子计算应用研发团队。

2.量子计算+金融工程

随着手机银行、各类支付平台、理财、网贷等数字化金融服务普及,基于安全可靠性的差异化金融服务对计算能力提出了更高要求。量子计算在此领域的多项业务中,已表现出非凡的商用潜能。具体涵盖资产和风险管理、高频交易、欺诈检测等方面。

3.量子计算+化学

量子计算因其天然模拟原子、分子演进的特性,与化学基础自然融合。首先,量子计算可用于农业领域中的氨肥制造工艺改进;其次,量子计算目前也已用于电动汽车高性能电池的研发工作,特别是电化学材料模拟;最后,量子计算的分子模拟功能还可以应用在制药行业。

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01 量子计算的基本原理与商用价值

当今大众普遍使用的经典计算基本单位为比特,比特以二进制的数字电子方式进行运算,而二进制总是处于0或1的确定状态。量子计算则完全不同,其基本计算单位为量子比特,具有独特的叠加性,包含0和1同时存在的叠加态。因此,相同数量的n个比特与n个量子比特,相比于前者的n级算力,后者可实现算力2n级指数提升。

当前,用于制备和操控量子比特从而实现量子计算的国际主流技术路线,即物理体系,共有5种,分别为:半导体、超导、离子阱、拓扑、光量子。5种量子物理体系为不同国家的各类量子计算企业所采用,难分高下,但研究各物理体系的共同目标均为不断提高可操控量子比特数量,并在解决各类计算问题中保持稳定高效。

虽然量子计算技术仍处于基础研发阶段,已问世的量子退火机与含噪声中型量子计算机也专用于解决特定问题,但从研制容错通用量子计算机的核心目标延展,量子芯片、量子控制系统与操作系统、量子算法、量子云平台、量子应用等全栈开发产品已逐步发展成熟,并形成完整体系。国际权威咨询机构对全球量子计算市场规模的预测也呈现较乐观并看好其未来潜力的态势。

可以对量子计算商用发展阶段作出如下简要预计:2021~2030年,量子计算商用化起步,量子计算机面向特定用户销售;2030年后,量子计算进入全面商用化时期,结合大数据、机器学习、人工智能等高科技,在各类数据处理及分子研究相关应用领域产生实际价值。

02 各国量子计算支持政策

虽然量子计算仍在突破重要技术关卡,全面商用化也尚待时日,但全球科技领先强国及组织早已将量子计算列入科技进步重点清单,其产业化布局业已展开,可追溯至21世纪初。其中,代表国家为美国。

2002年,美国《量子信息科学与技术规划》叩响了量子技术科学大门。2016年9月,美国联邦政府对量子信息科学的年度研发投入额就已高达2亿美元左右。2018年12月,美国《国家量子计划法案》颁布,该计划为期10年,其中2019年至2023年,投入经费将从2亿美元一路飙升至12.75亿美元,并由国家量子协调办公室统筹全国研发力量,形成产学研协同创新机制。

美国政府对量子计算技术的巨额投入也促使其科技巨头公司在量子计算业务板块持续推进应用深度。目前,谷歌代表了全球量子计算技术最前沿水平,IBM与微软则通过构建、拓展量子计算产业联盟,将量子计算商用程度提升至新高度,其联盟成员目前已覆盖来自电子、金融、保险、生物制药、建工、化工、医疗、航空零件、军工等行业的百余个公司。

2016年3月,在大西洋另一侧,《量子宣言(草案)》作为欧盟800亿欧元科技创新研发计划“地平线2020”的组成部分,被欧盟委员会成员呼吁尽早实施,以建立欧洲量子产业,增强欧洲量子研究科学实力与跨领域应用能力,树立欧洲全球量子技术领导者地位。

2018年11月,宣言中的“量子技术旗舰计划”正式启动,为期10年,总额10亿欧元。该计划同时与建议预算达941亿欧元的“地平线欧洲计划”及92亿欧元的科研资助计划——“数字欧洲计划”相互协调补充。可见,“量子技术旗舰计划”开展过程中的研发经费保障充足。

欧盟积极的战略计划也为其各主要成员国制定符合本国技术水平及前景的政策定下了良好基调。英国于2014~2019年间投资2.7亿英镑,实施国家量子技术计划(NQTP)第一阶段。2020年实施NQTP计划的第二阶段,预计总投资达10亿英镑。

德国的步调则与欧盟基本同步,该国政府于2016年发布了名为QUTEGA的国家量子计划,在2018年正式启动该计划,投资总额约6.5亿欧元。弗劳恩霍夫协会——德国及欧洲最大的应用科学研究机构以及尤利希超算中心是推动德国量子计算技术发展的两大核心机构。

2019年10月,荷兰发布了QΔNL量子计划书。根据QΔNL中的资金投入计划,2020~2030年,荷兰每年将投入1.02亿欧元用于产学研机制共同作用下的量子计算技术与产品研发,投资总额约10亿欧元。除欧盟国家外,俄罗斯在2019年年末宣布其《国家量子行动计划》,目前计划有效期为2020~2025年,国家投资总额约7.9亿美元。

欧洲比较具有代表性,在量子计算研究领域深耕多年的大型公司为诺基亚与源讯。前者是贝尔实验室的母公司,实验室开发的量子算法先进性与IBM、谷歌和微软在同一梯队;后者则开发了被誉为“世界性能最高的商用量子模拟器”的Atos量子学习机,使用客户跨美国、丹麦、印度、德国、荷兰、英国等国家。

在亚太地区,澳大利亚联邦政府已于2017年发布《2030战略规划》,将发展量子计算技术作为2030年中长期创新战略规划的重要方向之一。我国邻国日本与韩国对量子计算的关注亦由来已久。“光量子技术”成为日本政府的国家级科学技术基本计划可追溯至2016年;到2019年12月,日本政府又与美国正式签署《东京量子合作声明》。2019年2月,韩国政府宣布启动投资额达445亿韩元的《量子计算技术五年发展计划》,并已于当年投入60亿韩元用于软硬件产品研发。

亚太地区典型的量子计算技术巨头企业为日本富士通与日立公司。前者自主研发的量子计算芯片已具备量产条件,且致力于实现高达1000个量子比特的超导量子计算机;后者早在2015年即宣称成功研制专用量子退火机,2019年9月,日立在国际专利检索系统上公开的量子计算专利为76件,处于亚太地区领先地位。

与国际主流趋势基本一致,我国的量子信息与量子计算国家级支持政策亦陆续出台,形成国家–地方的完整体系。在《“十三五”国家科技创新规划》(国发〔2016〕43号)与《“十三五”国家基础研究专项规划》(国科发基〔2017〕162号)中,“量子计算产业”与“量子计算机”均作为科技与产业重大发展方向被提及。2019年12月出台的《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》再次指出,要加快培育布局一批量子信息等重点领域未来产业。

地方上,北京市、上海市、广东省、安徽省、山东省、浙江省等科技创新实力较强省市也先后将发展量子计算等量子信息技术写入“科技创新‘十三五’规划”、“产业发展规划”及“重大研发计划”等重要指导性文件中。2019年9月,济南市政府正式印发《济南市加快建设量子信息大科学中心的若干政策措施》(济政发〔2019〕15号)。作为我国首个地方级专项政策,该措施中用于人才支持的年度经费达600万元,支持高端科技研发机构或分支机构成立运营的经费最高可达1亿元。在中部创新名城合肥市,安徽省科技创新“一号工程”——总投资达1000亿的中国科学院量子信息与量子科技创新研究院正在建设中。

我国各级政府对量子计算产业发展的支持政策促使知名科技公司着手技术研究和商用开发等工作。目前,阿里巴巴、百度、腾讯、华为均已招募专业团队,建立相关实验室或研究所,投入巨额经费研发量子软硬件产品。除上述企业外,我国量子计算初创企业尚未发展完全并形成规模优势,目前仅有本源量子1家公司进行全栈式开发。

03 量子计算的跨领域应用案例

量子计算构建起的新一代计算体系,在处理海量数据并行运算,以及模拟原子、分子演进方面具有得天独厚的优越性:前者可用于人工智能、金融建模、密码解析等方面;后者可优化目前生物医药、材料化工、能源开发的计算模拟方式。

量子计算+国家安全

2018年8月,美国保守派智库哈德逊研究所发布题为《Quantum Computing : How to Address the National Security Risk》的研究报告。报告指出,一旦通用型量子计算机成功问世,或专用量子计算机达到300个量子比特可控的计算力,攻破现今通用的公钥加密系统是转瞬之间的易事。如此一来,国家级机密信息、各类公司的商业机密以及公民的隐私信息等加密数据将毫无秘密可言,重要的军事、民生基础设施及金融系统等国家政治、国防、经济命脉也将不堪一击。因此,量子计算机对国家安全,既可成为造成严重威胁的“矛”,亦可转变为重构加密体系的“盾”。

以国防军事为代表,美国国家安全领域的专用量子计算技术布局早,发展迅速,主要体现在巨额研发资金支持及创新产学研协同机制上。据公开报道称,2010年,美国国家标准与技术局花费1030万美元组建高级量子科学实验室,用于支持美国国家安全局、国防高级研究计划局、情报高级研究计划局的工作;2014年,美国国家安全局又投入7970万美元用于量子计算机研发。目前,IBM、谷歌等公司的专用量子计算技术研发,也得到了美国陆军研究办公室等国防机构的经费支持。

除直接的资金投入外,美国国防机构亦广泛开展与专业技术研究部门的深层次协同合作:美国国家安全局会同马里兰大学建立了联合量子研究院,美国海军水面作战中心达尔格伦分部也与华盛顿大学进行了量子干涉效应的军事应用等一系列独立应用研究项目合作。

另外,美国著名军工企业洛克希德·马丁与霍尼韦尔业已培养专业量子计算应用研发团队。前者不仅是谷歌与D-WaveSystems(加拿大量子计算公司)量子应用、专用量子计算机业务线上的千万美元级客户,还与南加州大学共建量子计算研究中心,研究专用于先进武器装备建模与模拟、军用飞机设计改进、军事物资运输线路优化及高维度战场大数据的实时处理与态势分析的军用量子算法与软件。

量子计算+金融工程

随着手机银行、各类支付平台、理财、网贷等数字化金融服务普及,基于安全可靠性的差异化金融服务对计算能力提出了更高要求。量子计算在此领域的多项业务中,已表现出非凡的商用潜能。

资产和风险管理:管理金融投资组合需要基于技术大数据,精确分析从而拟定各种投资策略,其中的计算规模和大数据处理能力超出了目前通用模拟算法和模型的算力极限。

高频交易:此业务的核心需求为快速分析大量数据并执行交易策略的能力。在速度上,量子算法要比常规算法快得多。

欺诈检测:通过特定的量子人工智能算法模型与应用,以机器学习算法训练神经网络的学习速度和理解力水平,可有力打击目前日益猖獗、手段多样的欺诈活动并减少数据泄露。

在国际范围内,量子计算与银行金融业的合作案例目前在北美洲、欧洲及亚太地区均有体现,具体涉及主体分别为:摩根大通、加拿大蒙特利尔银行和丰业银行、西班牙金融服务公司CaixaBank及澳大利亚联邦银行。

2019年9月,摩根大通被标准普尔评为美国最大银行,以2.73万亿美元的总资产额度,排名全球第六大银行。摩根大通的大体量和多样化客户需求使其对于金融计算能力提升的需求十分迫切,这促使其于2017年加入IBM量子计算产业联盟QNetwork,与IBM的量子计算研究团队合作开发新型算法。据悉,两家公司正在开发的一种量子算法,将可能实现一种计算要求极高的金融工具——派生定价的二次加速,即经典计算机经10,000次模拟才能实现的定价,在量子计算机上仅需要进行100次量子运算。根据摩根大通的预计,此算法的成功研发将降低总计算成本,并帮助公司实时管理财务风险。

2019年8月,加拿大蒙特利尔银行和丰业银行发布了与澳洲量子计算和人工智能创业公司Xanadu的合作成果——应用于金融领域的量子蒙特卡洛算法,这种算法有助于提升金融交易产品的计算效率。据Xanadu公司公开发布的消息,量子蒙特卡洛算法在其自有的量子模拟器上的测试仿真结果表明,当此算法在商用量子计算机上运行时,与经典计算力相比,衍生品定价及实时定价等金融行为的处理效率可显著提升,并大幅降低计算所需的电力消耗。

2019年9月,西班牙金融服务公司CaixaBank成功完成量子计算模拟项目——一个抵押贷款投资组合和一个国库券投资组合的风险分析,效果可观。2019年11月,澳大利亚联邦银行数据科学家披露该银行正在与美国量子计算创业公司Rigetti Computing合作,基于联合构建的专用量子模拟器软件系统,进行量子优化投资组合再平衡策略实验,推动各类用户开发财务运营应用程序的进程,包括但不限于风险管理与分析、交易、投资组合优化及安全性提升等金融领域各项业务。

量子计算+化学

化学在现代社会生活中的影响力不言而喻,从生物制药到新材料再到可再生技术,都离不开不断进步的化学技术。量子计算因其天然模拟原子、分子演进的特性,与化学基础自然融合。目前,有关量子化学应用的研究已在国内外广泛开展,并取得一定成果。

首先,量子计算可用于农业领域中的氨肥制造工艺改进。氨肥是现今世界范围内使用的农用化肥,但氨肥不是自然产物,而是氮、氢人工合成氨。20世纪“哈布二氏法”的发明极大提高了氨肥生产效率,但同时,其高温高压合成过程无法避免极高能耗的缺陷。目前,国际科研团队将进一步提升氨肥制造工艺的突破口放在了模拟豆类植物固氮细菌的催化过程之上。固氮细菌中有效的固氮酶分子不需高温高压条件,即可通过复杂的催化过程,将氮气转化为氨,极大降低了能量成本,但固氮酶的转氨催化组合数量之大令超算机难以驾驭。

2019年,谷歌使用量子计算纠错设备模拟了固氮酶活性中心——铁钼辅基的催化过程。这次实验使用了一百万个以上的量子比特执行相关计算,迈出了改良“哈布二氏法”工艺,提高能源密集型化肥工业效率的关键一步。这不仅是一项商业突破,从长远意义层面上看,量子计算所提升的农用化肥生产工艺亦有助于满足地球75亿人口的食物量需求并应对气候变化影响。

其次,量子计算目前也已用于电动汽车高性能电池的研发工作,特别是电化学材料模拟。早在2018年,大众汽车在德国慕尼黑成立专业研发中心,利用谷歌及D-WaveSystems的量子计算机资源,改进电动汽车电池开发流程和系统算法,具体包括:缩短开发周期,减轻电池重量并提高其能量密度,以及实现电池模块的高效组装等。目前已公开的报道称,大众汽车已成功利用量子计算机模拟了氢化锂和碳链等关键分子,正向更复杂的化合物模拟的方向迈进。另外,2020年1月,IBM公开表示,其量子应用团队正与戴姆勒公司(奔驰母公司)开展新一代电动汽车锂硫电池建模的联合研究工作,相比于目前通用的锂离子电动汽车电池,新一代锂硫电池具备更高能效、续航时间更长、造价更低廉等优势。IBM披露的最新工作进展为借助21个量子比特与7个量子比特的计算机,成功模拟了氢化锂、硫化氢和硫化锂的解离曲线和偶极矩。IBM称,这是公开报道的第一次成功在量子计算系统上实现分子偶极矩模拟计算。

最后,量子计算的分子模拟功能还可以应用在制药行业。例如:优化有效分子组合,节省药物研发成本,缩短研发时间;改进差异化基因分析排序,从而为个人定制药物及医疗保健方式、精确预测常用药的各类不良反应等开辟道路;模拟各类蛋白质折叠复杂序列,发现正确状态,为蛋白质-药物组合解释各种可能性。目前,专注于量子计算技术结合医学化学测试的加拿大生物制药公司ProteinQure、荷兰公司Qu&Co与英国公司Riverlane,正在运用量子算法的优化计算,研发基于蛋白质组合模型的抗体类、多肽类药物。在国内,华为自主研发的量子化学应用云服务已成功模拟乙烯、氨气、甲硅烷等分子基态能量,本源量子的化学应用软件ChemiQ已成功模拟氢气在不同长度化学键下的能量。

未来十年将是量子计算技术进步、商用水平提升、产业合作格局进一步完善的重要阶段。我国应重点把握时代机遇,培育量子计算茁壮成长的良好政策土壤,推进量子赋能、商业合作新模式的探索,增强科技创新硬实力。

文章来源:《学术前沿》杂志2021年4月上(微信有删节)

作者:中国科学技术大学微电子学院副院长 郭国平

原文责编:王亚敏(见习)

新媒体责编:李思琪

视觉:王洋

(图片来自网络)

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