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从战略计算到量子计算

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着进步。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。

上个世纪七十年代末、八十年代初,我国刚刚打开国门,“科学的春天”刚刚降临。而彼时作为世界第二大经济体的日本,其经济、工业和科技实力正处于历史之巅。仅以现代电子技术的基础性产业—半导体为例,在上个世纪八十年代的时候,全球半导体产业前十名当中日本企业占了六家,前三甲均为日本企业,国际市场份额超过52%以上,垄断能力堪比今日美国、中国台湾和韩国三方的芯片企业之和。甚至可以毫不夸张的讲,当年世人对各式各样的日本电器产品的偏爱远超今日人们对iPhone这款单一产品的追求。然而即便如此,日本政府,特别是产业界和科技界的决策者仍有一个巨大的“心理阴影”,还憋着一口气:那就是西方各界始终认为日本民族“只知模仿、缺乏原创”。从另一个视角,当年西方舆论界针对大和民族“搭便车”的这种指责对于今天我国民众而言是何等的熟悉!

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一、量子理论和量子计算技术发展即将出现新的突破

一、日本“第五代计算机”研发计划

“不自量力”这个成语在物理学领域还有个有趣的引申义,就是“不要试图自学量子力学”。美国白宫近日出台的一份战略性文件建议,为了在未来拥有一支量子科学的人才大军,应从早期开始部署量子科学教育,包括小学、初中和高中阶段。

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,着名物理学家理查德·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。

为了改变日本的国家形象,彻底扭转西方国家的偏见,同时也为本国的高科技产业谋划升级换代之路,变“跟跑”为“领跑”,1979年至1982年由日本“国际贸易与产业省”牵头,会同日本各大高科技公司及一流科研机构,对世界未来的战略科技发展趋势进行了为期三年的全面分析与论证。1982年4月,日本“国际贸易与产业省”正式对外宣布实施为期十年的“第五代计算机”研发计划,总投资为1000亿日元,剑锋直指人工智能,力争在九十年代初与IBM等世界计算机龙头企业全面拉开代差,开创全球智能计算机的全新局面。顺便值得一提的是,我国最早的计算机智能化项目之一—“中医专家系统”也诞生于那个年代。

这份《国家量子信息科学战略概览》在当地时间9月24日举行的白宫量子信息与计算科学峰会上发布,起草机构为白宫国家科技理事会下属的量子信息科学委员会。

量子应用技术即将进入崭新发展阶段

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该委员会于今年6月成立,职责是协调美国联邦政府关于量子信息科学的研发活动,持续拓展量子信息科学的应用,保证美国在这一领域的领先地位。

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,着名科学家马克斯·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。

日本“新一代计算机技术研究所”所长渊一博

文件将量子信息科学定性为新一代技术革命,其发展将提高美国的工业基础,创造就业,并带来经济和国家安全利益。特朗普政府承诺将维持并拓展美国在量子信息科学领域的领先地位。

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。

日本的“第五代计算机”是计划把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。它能进行数值计算或处理一般的信息,主要能面向知识处理,具有形式化推理、联想、学习和解释的能力,能够帮助人们进行判断、决策、开拓未知领域和获得新的知识。然而,“第五代计算机”的命运是悲壮的。1992年,因最终没能突破关键性的技术难题,无法实现自然语言人机对话、程序自动生成等目标,导致了该计划最后阶段研究的流产。

为此,文件给出了6点政策建议,并强调遵循落实这些建议关乎美国未来的成功。

量子效应决定着“摩尔定律”必将走向终结

二、美国国防部“战略计算倡议”

这六点政策建议包括:

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
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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[1]。

可以想象,当年这个日本版的“AlphaGo”计划给美国各界带来了何等的震撼!在密切跟踪分析日本“第五代计算机”研发计划的基础上,美国国防高级研究计划局“不辱使命”于1983年针锋相对的启动了名为“战略计算倡议”(Strategic
Computing
Initiative,SCI)的研发计划,项目周期也是十年。美国着名的《新闻周刊》就此刊登了封面故事,非常准确的将其称之为“美日两国在该技术领域展开激烈竞争”。

1、采取科学优先战略

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”。

经过十年的研发,在投入了大量人力物力之后,到了上个世纪九十年代初,无论是日本的FGCS还是美国的SCI均由于技术跨越过大而失败(否则也不会有今天IBM的“深蓝”、“Waston“,以及谷歌的“AlphaGo”了)。然而,与日本人铩羽而归,并将其研究成果免费与世人共享不同,美国总结了“战略计算倡议”的经验教训,并在此基础上启动了一个新的高新技术战略计划—“网络与信息技术研发计划”(Networking
and Information Technology Research and Development Program,
NITRD,即克林顿政府时期的“信息高速公路”计划)。NITRD计划从1992年开始实施至今,奠定了美国在IT技术及其诸多衍生领域的霸主地位则一直是NITRD计划的核心组成部分之一,只不过这个代表国家核心竞争力领域的明争暗斗已经从上个世纪八十年代的美日之争悄然转变成二十一世纪的中美之争。对此,美国将根据新的竞争对手,推出新的战略计划。

2、打造量子科学的未来劳动力

无论未来高性能计算系统采取哪种方案,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。

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3、深化与量子产业的合作

量子计算技术的巨大潜力与面临的关键挑战

三、举全国之力的“国家战略计算倡议”

4、提供关键基础设施

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。[2]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”。[3]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。

为了应对世界经济、政治、科技和军事等领域急剧变化的新格局,未雨绸缪下好先手棋,2015年7月29日美国白宫正式公布了“国家战略计算倡议”(National
Strategic Computing
Initiative,NSCI)。尽管该计划的名称与三十几年前美国国防部高级研究计划局的“战略计算倡议”仅有一词之差,但“国家”二字已经展现出美国将举全国之力,在“后摩尔时代”继续牢牢把控未来计算的核心竞争力,并与其他竞争对手拉大代差的雄心壮志,堪比上个世纪四十年代的“曼哈顿计划”和六十年代的“阿波罗计划”。

5、维护国家安全和经济增长

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。

纵观“国家战略计算倡议”的战略框架,人们可以发现该计划的一大特色,即联邦政府“既是主导,又是主体”的色彩非常浓厚。在美国传统的科技文化当中,政府一般仅仅是提出战略方向的倡议,产学研各界各自再根据科学技术发展规律和市场规律来决定是否响应,以及如何来配置资源。然而此次“国家战略计算倡议”开宗明义就指出联邦政府各要害部门将全程主导并参与未来新型计算领域,主要表现在以下领导机构、组织管理、政府用户等三个方面:

6、提高国际合作

二、美国在量子计算技术领域的战略布局和发展现状

一是“国家战略计算倡议”项目的领导机构是国防部和能源部这两个世界上最大的计算用户;

在打造量子科学的未来劳动力部分,文件提到,应鼓励产业界和学界建立殊途同归的跨部门通道,发展多样化的人力资源,以满足国家的量子信息科学需求;

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。

二是由世界上最大的大数据集成单位国家情报总监办公室下属的情报高级研究计划局和主管全美标准化的美国国家标准技术研究所,做为“国家战略计算倡议”项目的组织执行机构;

鼓励学界把量子科学和工程当做一个专门的学科,从各个层级提出对新教员、新项目、新措施的需求;

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

三是“国家战略计算倡议”的直接用户则包括了联邦调查局、国土安全部、国家安全局、国家航空航天署、国家卫生研究院,以及国家海洋与大气署等。

利用并升级现有的项目,提高量子信息科学可用人力资源的规模;

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·费曼和保罗·贝尼奥夫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。[4]在美国国家标准与技术局的支持下,戴维·瓦恩兰领导的离子存储团队于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。

需要说明的是,情报高级研究计划局是美国情报界学习国防部的国防高级研究计划局的成功经验而成立的类似技术创新管理部门,情报高级研究计划局的前身是国防部下属的颠覆性技术办公室。至此,“国家战略计算倡议”从领导层、组织层和应用层形成了一个闭环。更加值得关注的是,整个“国家战略计算倡议”还有一个顶层协调领导机构,采用“双主席制”:由总统行政办公室主任及联邦预算管理办公室主任出任,负责协调联邦政府各部门在“国家战略计算倡议”推进过程中的各项工作,以及负责审核“国家战略计算倡议”的年度进展报告。计划管理力度如此之大,这一点在美国其他国家级科技战略倡议当中极为罕见。

从早期开始部署量子科学教育,包括小学、中学和高中阶段;

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。[5]

四、技术路线的选择

与相关机构和产业合作,拓宽受众范围,同时利用艺术、媒体或文化机构等新兴、非传统渠道;

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。

“国家战略计算倡议”计划分为近期和中长期两个档次。近期计划是在2020年完成百亿亿次超级计算机的研发,从而“挤干互补型金属氧化物半导体技术这颗柠檬的最后一滴水”,其具体负责的部门是美国能源部,2017财年获得的研发经费为2.85亿美元。我国十三五期间也将同步开展类似的研发。如果美国方面在此之后不再继续沿着CMOS技术路线走下去,那么百亿亿次数量级的超级计算机的竞争恐怕也将是两国在CMOS这个舞台上的谢幕之战。

鼓励量子科学界跟踪并评估量子产业的未来人力需求。

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

“国家战略计算倡议”计划中最引人关注的是其未来10-20年的中长期规划。对此,美国战略决策部门提出了两条并行的思路:第一类是“研发那些超越CMOS理论极限的技术”,第二类是“为未来大规模计算开启全新局面的技术”。至于哪些技术属于第一类,哪些技术属于第二类,仍未有清晰的界定。而目前可供选型的方案包括“立体芯片”、
“逼近计算”、“超导计算”、“神经元计算”,以及“量子计算”等。但如果人们仔细分析这些方案背后的基础,却能发现暗藏玄机。

具体来说,基础研究是培养量子信息科学人才的主要机制,此外,也需要跨学科、跨部门、跨技术的内容。然后,美国现有的教育体系着眼在离散的学科上,极少强调跨学科研究,难以帮助毕业生应对当下如量子信息科学这样的复杂问题。

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。

超导计算最早源自于上个世纪五十年代,着名的国防企业诺斯诺普▪格鲁曼公司,以及IBM等均在该领域进行了长期的研究。超导方案在上个世纪七十年代慢慢放缓了产业化的步伐,让位于CMOS技术。但“柳暗花明又一村”,由于拥有长期的技术储备,现在超导计算机技术已经逐步与超导型量子计算方案相融合。至于立体芯片技术,亦即将传统的平面芯片设计提升为三维立体芯片,从而在单位空间之下可以容纳更多的晶体管。该技术目前也在快速发展,但是否能够很好的解决散热问题,以及能耗是否急剧攀升等,均尚属未知。

因此,培养学生虽然在传统上是学术界的责任,但政府部门和产业界也应参与进来,以满足国家的未来需求。

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。

逼近计算的倡导者认为并非所有的计算过程都需要无限的精度,在各个计算环节当中只需具有适当的精度,最后的结果也能令用户满意,逼近计算目前的代表作之一是Google公司基于深度学习算法的AlphaGo。而AlphaGo战胜人类围棋世界冠军背后的超级计算则是由所谓的“张量处理单元”(Tensor
Processing Unit, TPU)专用芯片完成的。Google TPU团队负责人 Norm Jouppi
在 Google Research 博客中介绍,TPU
专为机器学习应用打造,可以降低精度运算,因而能够在同样时间内处理更复杂、更强大的机器学习模型,并更快地将这些模型投入使用,用户也能得到更快速、更智能的回复,从而形成一个正循环。

文件认为,必须让量子力学走出高校,拥有更广泛的受众。在基础教育阶段,需要建立计算思维和科学思维导向的计算机和物理课程项目,从小培养兴趣。

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。[6]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。[7]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)。

神经元计算目前的代表作之一是IBM
Watson实验室研发的TrueNorth芯片,其计算模式模拟人类的大脑神经末梢的工作原理。由于脑科学研究被誉为人类科学研究最后的“黑洞”,目前神经元计算也方兴未艾,但其科学机理仍在探索之中。作为前沿科学探索的热点未尝不可,但作为一个国家的战略选型方向,风险仍不可控。

在量子信息科学的合理外延中存在既得利益的产业界、学术界和机构可以发挥重要作用,一方面借助新兴技术,一方面发展多媒体课堂普及学习机会。

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。

尽管可供美国科技战略高层选择的方案也不少,但上述各类方案却有一个共同特点,即从本质上仍依赖CMOS技术。由于单个晶体管的尺寸如果接近或小于5纳米,就会产生“飘忽不定”的量子隧穿效应,所以这些方案均会被量子物理基本定律“锁死”。因此,假以时日,其他竞争对手只要投入足够的人力物力资源,那么在基于CMOS的高端芯片技术领域,以及由此建立起来的超级计算技术等核心领域,潜在对手们均可以和美国人并驾齐驱甚至超越。这种可预期的局面对于美国决策者而言是绝不会袖手不管的。

此外,类似博物馆中的非正式教育工具,也可作为课余的有效补充。