量子计算博弈：一场国家实力和技术路线的双重对抗

量子计算正在升温，越来越多的企业竞相对量子计算技术进行基准测试、巩固，意在将其商业化。

截至 2021 年 7 月，一个来自中国的团队在原始性能方面似乎已经处于领先地位，谷歌、IBM、英特尔和其他量子计算机开发商也不甘落后，且已经研发出第一波量子计算机。

不过，所有这些都可能在一夜之间改变，这些系统仍处于发展初期，尚未运行任何有用的商业应用——宣布量子计算的赢家，还为时过早。

了不起的量子计算

到目前为止，量子计算确实取得了显著进展，并同超级计算机区分开来。

在经典计算中，信息以位存储，可以是“0”或“1”。在量子计算中，信息存储在量子位或量子比特（Quantum bits, or Qubits）中，可以以“0”或“1”或两者的组合形式存在，叠加态使量子计算机能够一次执行多项计算，使其性能优于传统系统。

不过这项技术面临着许多挑战，许多行业专家认为：这些系统距离实用还有十年的时间。

然而，这并没有让公司、政府、研发组织和大学放弃相关技术的研发，它们依旧向这个领域投入数十亿美元。如果这些技术得以实现，可以加速新化学、药物和材料的开发，还可以破解任何加密系统，能够为公司和国家提供竞争优势。

因此，研发量子计算技术成为许多国家科技发展的重中之重。

“量子计算处于国家计划的前沿，” FormFactor 高级副总裁 Amy Leong 说。“这一领域已经宣布了超过 200 亿美元的投资，涉及 15 个国家或地区。像美国和中国这样的地缘政治强国，肯定在争夺量子霸权的竞赛中处于领先地位，其次是来自欧洲和亚洲的许多其他国家。”

中国科学技术大学 (USTC) 于 2021 年 6 月取得了重大进展，展示了研究人员声称的世界上最快的量子计算处理器，超过了自 2019 年以来谷歌 53 量子位设备保持的非官方记录。中国科技大学的 66-量子位处理器在 1.2 小时内完成了一项复杂的计算——如果采用如今的超级计算机，这项计算需要 8 年才能完成。

“当我查看第一批应用时，我意识到我们需要数千个甚至十万个量子位来做一些有用的事情。”英特尔量子硬件总监詹姆斯克拉克（James Clarke）说：“我们今天达到了 50 到 60 个量子位，还需要更多时间才能达到 100 万个量子比特——而这对于密码学来说，是非常必要的。”

与此同时，量子技术还有多个分支阵营。

实际上，厂商们正在开发基于一系列技术的十几种量子位，例如超导（Superconducting qubits）、离子阱（Ion traps）和硅自旋（Silicon qubits），每个阵营的厂商都声称它们的技术是卓越的，并将实现实用的量子计算机。

根据 Hyperion Research 的数据，量子计算机的市场预计将从 2020 年的 3.2 亿美元增长到 2024 年的 8.3 亿美元。

超越经典计算但无法替代

从历史的发展进程来看，计算领域取得了巨大进步。

1945 年，宾夕法尼亚大学开发出第一台通用电子数字计算机 ENIAC，它使用真空管控制电子来处理数据，每秒可执行 5000 次加法计算。

1947 年，晶体管的出现改变了一切；从 20 世纪 50 年代开始，晶体管取代了许多系统中的真空管，计算机速度更快。

1964 年，现已解散的 Control Data 公司推出了 CDC 6600，这是世界上第一台超级计算机——CDC 6600 以晶体管为基础，集成了一个具有 2 MIPS（ Million Instructions Per Second） 性能的 60 位处理器。

发展到今天，智能手机比早期的计算机更快。以 iPhone 12 为例，它采用了基于台积电 5nm 工艺的 A14 处理器，A14 包含 118 亿个晶体管，具有 6 核 CPU 和 16 核神经引擎，每秒可进行 11 万亿次操作。

在高性能计算方面，来自日本的富岳（Fugaku）超级计算机在 2021 年保持了其作为世界上最快超级计算机的地位。富岳由日本理化研究所（Riken） 和日本信息通信技术企业富士通（Fujitsu）构建，它采用基于 Arm 架构的 A64FX 处理器，拥有 7630848 个内核，可实现每秒 442 petaflops （petaflop 即每秒执行 1 千万亿次浮点运算）的性能。

目前，富岳正处于运行状态，并被用于各种研究项目。“富岳首次使用了在大型服务器的通用 CPU 中所应用的技术，例如 7nm 工艺技术、封装集成 HBM2、TB 级流媒体功能和片上嵌入式高性能网络，”Riken 计算科学中心主任 Satoshi Matsuoka 在 2021 年 VLSI 技术和电路研讨会上的一篇论文中写道。

“我们已经进入千万亿次浮点运算的时代，”美国光刻工具公司 D2S 首席执行官 Aki Fujimura 说。“全球有许多研究计算机正在接近百亿亿次计算（1000 petaflops）。十年之后，我们将拥有许多百亿亿浮点运算级别的计算机。”

（编辑：温州站长网）

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