量子竞争

编译 莫庄非

量子计算机和网络，曾经专属于物理学家的小众项目，如今却越来越被人们视作对国家安全的威胁。它在理论上具备破解当前加密方法的潜力；当然，它对人工智能的推动作用也是无可否认的。近期，英国、美国和澳大利亚签署三边安保联盟协定，名为AUKUS，协议内容包括英美两国将帮助澳大利亚建造核潜艇，引起广泛关注。除此之外，三个国家也承诺将共享量子技术。

澳大利亚与英美这样的量子技术领先者结盟是有道理的，尤其是当他们在该领域的主要竞争对手中国似乎正迎头赶上。不久前，中国的研究人员公布了全球最大的都市量子通信网络的细节。

量子计算机安全威胁的核心是它可以用于查找某个数的质因数——例如21的质因数是3和7。现代加密基于这样一个事实：查找大数字的质因数对于超级计算机来说也是需要数百年时间才能完成的任务。然而在1994年，一位名叫彼得·肖尔（Peter Shor）的物理学家提出了一种理论量子算法，可更快找到质因数——只要算法能在硬件上运行起来。尽管当前量子计算机的能力还不足以威胁到加密，但局面改变或许用不了多久。等到颠覆真正发生，世界各地的加密通信将被打开。量子计算机还能从根本上推进人工智能系统的神经网络训练，提升算法监视。

正因为如此，美国政府希望成为先进量子计算机的第一个拥有者，以此对抗其他国家，与此同时也希望拥有强大的量子通信网络，因为此类网络基于量子密码学，无惧肖尔算法。

2021年9月14日，艾尔莎·卡尼亚（Elsa Kania）在新美国安全中心（CNAS，位于美国华盛顿特区的智库）的一次虚拟会议上表示： “人们以为中国在量子计算领域可能还将落后多年，再过很长一段时间，大家才会看到中国的大学或企业与谷歌这样的公司正面交锋。事实恰恰相反，中美差距已经小到了区区数月。” 同时，卡尼亚指出，随着量子研究资金投入越来越大，该领域的透明度以及美中合作都有所减少，相关人才流动也减少。

2018年，时任美国总统特朗普签署《国家量子倡议法案》（NQI）。2020年，美国政府在量子技术研究方面投入了6.25亿美元——2014年的斯诺登泄密事件让我们得知美国国家安全局在2011年斥资8 000万美元用于开发“密码学上有用的量子计算机”。

撇开这些举措不谈，推动量子进步的通常是美国公司而不是政府：尽管使用不同的架构方法，谷歌、微软、亚马逊、惠普和 IBM 都在致力于量子计算，就像雷神、诺斯罗普·格鲁曼和洛克希德马丁等国防公司一样。

中国政府牵头，以中国科学技术大学（下文简称中科大）作为承办单位，从2017年开始建设量子信息科学国家实验室，并于近期建成，总耗资预计达100亿美元。

2021年7月，中科大宣布了他们对谷歌量子霸权的超越：前者的量子计算机所解决问题的难度比后者Sycamore计算机此前解决问题的难度高了3个数量级。到9月，他们又将计算水平提升了3个数量级。

中科大在量子通信方面也取得了长足进步。目前全球最大的都市量子网络——覆盖合肥的银行、大学和政府大楼——已经运行了近3年。2016年，中科大将全世界第一颗量子卫星送入轨道，并证明它可与地面站进行安全通信。英国帝国理工学院的彼得·奈特（Peter Knight）表示，中科大在很长一段时间内都有充足资金支持，这是成功的关键。“如果你难以保证获得长期持续的资金以开展大规模尝试，那么事情就不会太顺利。”

谷歌表示，量子处理器在几分钟内完成了一个普通超级计算机需要数千年才能完成的计算任务。桑达尔·皮查伊（Sundar Pichai）和丹尼尔·沙克（Daniel Sank）在实验室与 Google 的一台量子计算机合影

中国在量子竞赛中领先吗？得克萨斯大学奥斯汀分校的斯科特·阿伦森（Scott Aaronson）认为，虽然中科大在可粗略衡量计算机能力的量子比特数方面占优势，但谷歌在计算质量上处于领先地位。中科大发表了许多工作证明他们开发出更多量子位，而谷歌则一直致力于更好地操作应用量子位，并提高其纠错水平和准确性。

阿伦森表示，量子位研究团队的最终目标是开发量子计算机世界的晶体管——“非常可靠，足以击败所有竞争者的组件”。谁会拔得量子晶体管的头筹尚未可知，“总有一些运气成分，事实是，目前没人清楚现有方法（如果有的话）里的哪一种能被扩大规模生产”。

阿伦森还指出，美国相较于中国，所尝试的方法更加多样化。中科大与谷歌一样，都在超导量子比特方面投入了大量资金，IBM也在研究超导体，微软也布局了该领域，而他们的宏伟计划甚至包括使用一种还没被物理学家确定存在的准粒子。

关于经费支持，中科大研究团队成员表示，中国政府计划为量子研究提供100亿美元资金，但款项尚未到位。但即使没有国家的大笔资金，团队也已经完成了所有工作。从资金投入体量来看，仅谷歌一家企业的投资就可能多过中国整个国家的投入。

哪个国家率先实现大规模量子计算，无疑就取得了重大优势，但这种成功无法一蹴而就，它需要时间，需要过程。

阿伦森表示：“如果某个情报机构现计划斥资一万亿美元来打造一台可扩展的量子计算机并破解加密，我很难说他们能在较短时间内实现目标。”

首先，研究人员需要开发一个可靠可纠错的量子位。在此基础上，他们必须扩大规模，产出数百万或数十亿个量子比特。用阿伦森的话说，“这相当于量子版本的曼哈顿计划，我们不太可能通过闭门造车实现目标”。

虽然美国和中国的团队都实现了量子霸权，但量子超级大国尚未出现——或许到最后都不会出现。中科大研究人员陆朝阳表示：“量子计算不是不同国家之间的竞赛，也不是中美两强相争。这是一场人与自然的角逐。我们希望与西方科学家分享，希望我们都只是整个科学界的一部分。”

资料来源 New Scientist