中美量子計算機科技競爭

一、量子計算機簡介

   相對論及量子力學是近代物理的兩大支柱，量子力學可解釋許多自然現象也有許多實際用途，量子有疊加與糾纏兩個重要性質。在量子的世界中是不確定的，可以有部分機率是一種狀態，同時也有部分機率在另外的狀態，這樣的性質就是量子疊加，傳統計算機的記憶體位元只能處於0或1狀態，在實際測量量子狀態之前，我們無從得知系統是處於那種狀態。糾纏是數個量子態之間的奇妙連結，是量子現象自然的一環。量子計算便是以糾纏和疊加來計算開始的始初態，之後便以量子閘來執行量子演算法所需的運作。量子演算法可以快速進行的原因是因為糾纏與疊加量子位元後所造成的量子狀態運作時是平行運算，這是量子霸權的技術與科學基礎。量子計算機為什麼遠勝過超級計算機，因為傳統計算機都是照一定規則處理“0、1”二進制數據。而如果藉由量子疊加概念，的波粒二象性。用量子來做計算機的比特，則一個“量子比特”可以同時既為1，也為0。以10個比特為例，傳統計算機一次只能表示0至1023這1024個數中的某一個數，若這10個比特為量子比特，則每一個比特都可同時表示為0和1，這10個比特可以同時表示1024個數，遠遠高於傳統計算機只能表示一個數。因此，量子計算機將能夠極大地提昇運算能力，量子計算機將可助於核試爆、高新技術武器模擬和等軍事領域之計算，在民生領域，如氣候預測、疾病醫療、石油勘測也有很大助益，所以全世界都想掌握量子計算機。

   量子科技被科學家認為將引爆第四次工業革命，量子技術是量子物理與信息技術相結合發展起來的新學科,主要包括量子通信和量子計算2個領域。量子通信主要研究量子密碼、量子加密及遠距離通信的技術，量子計算主要研究量子計算機和適合於量子計算機的量子算法。英國政府發布的《量子時代的技術機遇》報告顯示，中國量子科技的論文發表排在全球第一、專利應用排名第二。在“第二次量子革命”的起步階段，中國異軍突起進入“領跑陣營”。這個團隊指的就是潘建偉團隊，中國的量子技術是全世界第一，而這其中要多虧了潘建偉教授。2017年5月3日，世界上第一台超越早期經典計算機的光量子計算機誕生。這個“世界首台”量子計算機是由中國科技大學潘建偉教授及其同事研發的成果。

二、中國量子計算研究水準

   近年來，美國霸權逐漸衰敗，尤其是在科技方面日益擔心被中國超越。美國為求確保世界科技領先地位，不惜全面圍剿中國大陸。中美在量子計算機及量子通訊方面競爭激烈，中國在量子通訊領先而美國在量子計算機領先。2016年中國“十三五”國家科技創新規劃中，將量子通信與量子計算機列入“科技創新重大項目，2017年，量子通信與量子計算機被列為“事關未來發展的重大科技戰略任務”的首位。中科大的潘建偉團隊說，他們的量子計算機在一個多小時內解決了一個問題，這個問題可能需要世界上最強大的超級計算機八年才能破解。中國在整個量子技術領域擁有更多的專利總量，但美國公司在量子計算專利方面遙遙領先。中國的量子研究幾乎完全是國家驅動的，集中在少數大學和公司。相比之下，美國的研究分佈在數十所大學和私營公司。福布斯雜誌報導，習近平主席資助了一個價值數十億美元的量子計算大型項目，預計到 2030 年將實現重大的量子突破。他還承諾斥資數十億建立中國量子信息科學國家實驗室。而美國政府對量子技術的投資與中國相比這些舉措微不足道。依據光明日報報導，2024年12月上旬，美國Google公司推出最新量子晶片Willow。幾天後，中國科研團隊發布了「祖沖之三號」的相關成果，競爭相當激烈。

   量子運算晶片是量子電腦的核心處理器，其作用類似傳統電腦的CPU。量子運算的基本運算單元為量子位元，它與傳統電腦中的位元具有相同的功能，即儲存與處理資料。「量子位元遵循量子力學原理。不同於經典位元只能處於0或1的狀態，量子位元可以同時處於0和1的疊加態。此外，量子位元還具有相干性和糾纏性。」這些特性使得量子運算晶片從原理上不同於傳統運算系統，在處理特定問題時，運算速度可實現指數級提升。目前量子計算較主流的技術路線包括超導、光量子、離子阱、中性原子和矽半導體等。其中，目前發展較成熟的是超導量子運算，主要優勢是與現有半導體工業技術高度相容，可設計性高，易於耦合，量子閘操作速度快。 Willow、「祖沖之三號」都屬於此類。中國在量子計算研究方面整體處於國際第一梯隊，中國科學技術大學等多個單位的科研團隊均在量子計算領域有所佈局。2019年和2020年，美國和中國相繼推出量子計算原型機“懸鈴木”和“九章”，實現了“量子優越性”，其中“九章”使用的是光量子技術路線。 2021年，「祖沖之二號」研製成功，使中國率先成為在兩條技術路線上實現「量子優越性」的國家。2024年12月10日，美國谷歌公司推出量子計算晶元“Willow”，Willow是一款擁有105個物理量子比特的量子晶元，優點在於其驚人的計算速度和錯誤校正能力。2024年12月17日，中國科技大學潘建偉、朱曉波團隊發布了中國自主研發的具有105個量子比特的超導量子計算機“祖沖之三號」。“祖沖之三號”的改進主要提昇在量子位元的數量和質量兩個方面。量子位元是量子運算的核心要素，其數量和品質直接影響量子處理器的運算能力和效能。祖沖之三號和Willow各項性能指標達到同一量級，『祖沖之三號』實現了目前超導量子計算的最強優越性，Willow在糾錯上獲得了重大進展」。

三、量子霸權及量子計算機對未來世界的影響  

    2019年4月，潘建偉團隊實現了國際上最大規模超導量子比特糾纏態12比特的製備，通過設計和加工了高品質的12比特一維鏈超導比特芯片，並且採用並行邏輯門操作方式避免比特間的串擾，以及熱循環操作去除不需要的二能級系統對於比特性能的影響，首次製備並驗證了12個超導比特的真糾纏，保真度達到70%，打破了2017年創造的10個超導量子比特糾纏的記錄。此卓越成就讓潘建偉教授35歲就獲世界大獎——菲涅爾獎，中國大陸非常重視量子計算機的研究，2016年“十三五”國家科技創新規劃中，將量子通信與量子計算機列入“科技創新重大項目，2017年列入“十三五”國家基礎研究專項規劃中，量子通信與量子計算機被列為“事關未來發展的重大科技戰略任務”的首位。此外，2020年計劃開放安徽省合肥市量子信息科學國家實驗室，這將是世界上最大的量子研究機構。反觀台灣一直陷於政治紛擾中，政府不提倡科技，量子計算機領域也只是跟著美國IBM釋出的訊息走，缺乏獨自創新的能力。 

    2019年有兩件引起世人關注，一個是IBM公司在年初的國際消費類電子產品展覽會上，展出了最新的量子計算機模型，另一個，則是谷歌在《自然》雜誌上發文，宣告“量子霸權”，IBM傳達的只是：把以往被關在數十平方米計算中心裡的量子計算系統，做到了能夠一體化交付的狀態但離真正意義上的商用還相去甚遠。谷歌在《自然》雜誌上發表的（用可編程超導處理器實現的量子霸權）的論文，助其率先實現了量子霸權。論文提到，谷歌團隊研發出了一款由54個量子比特（qubits）組成的量子處理器，命名為西克莫，它只花約200秒的時間完成超級計算機來需要花1萬年才能完成的任務。阿里達摩院發布的2020十大科技趨勢中，趨勢七就是量子計算進入攻堅期。量子計算機技術的實際運用，在經濟上，信息時代是被各種軟件和硬件所支撐的，金融、科技、、軍事、行政、基礎設施等方面的數據庫就是“心臟”，一旦“心臟”陷入癱瘓，所有軍事、行政、經濟基礎都將陷入癱瘓。量子計算機出現後，幾百萬年破譯不了的信息都能破譯，也就是說，一旦一國掌握了量子霸權，其他國家軍事、政治、銀行、基礎設施等諸多方面的數據庫都將很容易遭到攻擊，無論再強大的國家都可能在瞬間癱瘓。例如在導彈攔截過程中，攔截導彈的運行速度及攔截方運算的速度是戰鬥勝利的關鍵，各國比拼的實際就是飛彈軌跡運算速度，量子計算機的速度優勢是無庸置疑的。