与非网 11 月 2 日讯 中共中央政治局就量子科技的研究和应用前景进行集体学习后,有关量子科技的讨论热度还在持续:科技界正在深刻学习和认识推进量子科技发展的重大意义;市场层面,量子技术板块广受关注,相关上市公司掀起上涨潮。

 

网友们讨论科幻剧情时,常常会联系到量子力学。而之所以很多离奇的剧情往往都能跟量子力学扯上关系,正因为量子力学所研究的领域,是一个光怪陆离,完全无法用常识揣测的世界。

 

近日,围绕何为量子科技,以及其将如何影响人们生活等报道也不在少数。子力学无处不在,但你却看不见它。它主要研究微观的事物,是不少其他学科的基础。随着对它理解的深入,人们发现,在足够小的尺度(普朗克尺度),许多宏观尺度上屡试不爽的物理学定律都失效了。

 

放眼全球,2019 年 1 月 IBM 公布全球首款商用量子计算原型机,同年 9 月谷歌刊登关于“实现量子霸权”的论文,2020 年初 MIT 把量子计算列入 2020 年“十大突破性技术”名单。种种迹象表明,量子计算已经成为关系半导体产业未来发展乃至大国竞争格局的前沿科技领域。

 

量子计算与经典计算是截然不同的理论模型,意味着重构产业链的可能性和需求,在当下以美国为核心的经典集成电路产业格局下,蕴含着中国半导体产业突围的机遇。在量子计算领域,我国已经取得一定的领先创新成果。知识产权产业媒体 IPRdaily 与 incoPat 创新指数研究中心日前联合发布“全球量子计算技术发明专利排行榜”,其入榜前 100 名企业主要来自 13 个国家和地区,中国企业合肥本源量子计算科技有限责任公司以 77 件量子计算技术发明专利申请量在全球 Top100 企业中排名第七。

 

与此同时,国内量子研究呈现出重应用、轻量子比特,重原理探索和应用推广、轻工程验证的特点,为中国量子计算突围之路埋下深深隐忧。在政策、市场瞩目下,炒概念、蹭热点等行业乱象抬头。正如中科院量子信息重点实验室副主任、中国科学技术大学教授、本源量子首席科学家郭国平所说:“量子计算给我国带来机遇,但能不能抓住还看我们怎么做……量子“大跃进”已经在开始了,量子不是国家不重视,是重视之后导致太热了。国内真心诚意做量子计算的企业少之又少。”

 

产业链重构的机遇

众所周知,经典计算机信息的基本单元——比特,要么是 0,要么是 1。而量子计算的基本单位——量子比特,可以同时是 0 和 1。如果经典计算机的信息编码针对的是高精电阻,开闸或关闸分别表示 0 或 1,那么量子比特的编码针对的就是比特本身,如同一个球体,左转表示 0 右转表示 1。信息编码的物理量和需要考虑的参数截然不同,这就意味着经典集成电路生产链并不适用量子计算。

 

按照底层物理载体区分,当前量子计算存在超导、半导体、拓扑、光学、离子阱等多种方案。据郭国平介绍,即使与现有半导体芯片工艺兼容性最高的半导体量子方案也不能全盘采用现有产业链,至于与现有集成电路工艺有一定依托关系且目前最受追捧的超导方案,则只有 20%-30%可借助现有产业链,这一比例也并非针对某一环节,而是从材料、设备到设计、制造、封装都需要一定程度的重构。至于量子拓扑、光学、离子阱等方案,则更加难以借助现有产业链。

 

在郭国平看来,对集成电路产业受制于人的中国来说,这是个机会。他形象地说:“对中国来说,把桌子掀了才有机会坐到桌子上去。比如国内非常薄弱的 EDA 业,现在各大 EDA 公司已经把低温、量子特性考量加入,发展量子 EDA 工具了,而我们就可以趁此机会索性推翻 EDA 工具,重新构架 QEDA。”

 

当然,全盘重构的速度可能无法与美国在现有优势基础上继承融合相比。据中国科学技术大学博士张辉月此前在中国计算机学会青年计算机科技论坛上所言,在量子计算领域,中国与美国至少有 4-5 年差距,但并不是“卡脖子”状态。当然 4-5 年的差距并非静止不动的。例如,

 

本源量子于 9 月 12 日推出了面向全球开放的 6 比特超导量子计算云平台,对标 IBM 2016 年底向全球开放的 5 比特超导量子计算云平台。专利分析机构 Patinformatics 的相关报告显示,按照量子计算专利申请的优先权国家排列,美国以近 800 族专利申请优先权排名全球第一,日本紧随其后,中国以近 200 族专利申请排名第三,数量超出第四名的英国近 3.5 倍。且 2014 年以来,中国量子计算相关专利增长率已经超越日本,并呈加速增长状态。

 

专利数据揭示的隐忧

就表面信息来看,中国量子计算发展似乎一片欣欣向荣,但事实是,我国与国外量子计算的发展差距有进一步扩大趋势。郭国平告诉记者,一方面,国外科技巨头纷纷入局量子计算,资本的高强度投入持续推动量子计算向实用化与产业化发展。另一方面,国内的量子计算仍多是停留在实验室中的项目,科研成果转化较为缓慢。他判断:“量子计算要摆脱类似目前集成电路面临的被动局面,留给我国的时间窗口不会超过 5 年。”

 

与此同时,中国在经典集成电路方面的劣势也延续到量子计算领域。Patinformatics 于 2017 年发布的报告显示,与美国、日本的专利族申请分布显著不同的是,中国量子计算相关专利族以量子计算应用为主、量子计算所需的仪器仪表硬件为辅,量子比特则乏善可陈。当然近三年来,这一情况已经有所变化。如本源量子在半导体量子芯片、超导量子芯片、仪器仪表、操作系统、应用软件、云服务甚至半导体工艺方面均有专利布局,已经涵盖了上述分类中的硬件、比特和应用,但一家之力显然不足以改变中国在量子比特研究中的劣势。

 

重量子应用、轻量子比特的专利申请特点,与中国在芯片领域薄弱的工业基础有关,也与国内企业在量子计算领域的布局有关。近年来,国内各大科技龙头企业纷纷布局量子计算,就各家公布的研发方向而言,多集中于量子计算与 AI、云计算等技术与行业的交叉融合与应用。

 

不过,在量子计算领域谈商业化应用可能还太早。如前所述,当前量子计算的底层物理载体尚未统一,类比经典计算机,量子计算机的发展还处于电子管时代,未能进入晶体管时代。正如中国科学院院士、中国科学技术大学副校长杜江峰面所言:“量子计算的原理是清晰的,但技术工艺仍然需要不断进步,突破一定的技术门槛,才能真正进入应用,这是一个相对长期的过程。”

 

更可虑的是,随着政策、市场对量子计算的追捧,越来越多企业入局量子计算,浑水摸鱼、炒概念的行业乱象不可避免抬头。郭国平说:“这种公司(不真心实意做量子计算的公司)再多,除了把水搅浑,让人民兴奋亢奋最后深深地失望之外,不会有助于这件事业的发展。量子时代已经在开始了,量子不是国家不重视,是重视之后导致太热了。”

 

科研成果转化的“最后一公里”

那么,国内量子计算科研成果转化缓慢的症结在哪儿?

 

按照科研管理中常用的技术成熟度(TRL)指标,一项技术从最初原理探索到最终应用推广需要经过 9 个等级,其中前 3 级对应原理探索阶段,中间 3 级对应工程验证阶段,最后 3 级才涉及应用推广阶段。

 

高校和科研机构是基础及应用研究的主体力量,但国内高校以论文而非贡献为评价的导向,使科研人员更专注原理探索较少涉足工程验证。中国专利实施量只占专利授权量 1/4 左右,与国外高达 80%左右的实施率差距明显。

 

而企业方面,我国大部分企业多年来过分重视引进和使用国外成熟技术和工艺,在新技术研发中通常只涉及应用推广阶段。如此一来,工程验证阶段成为科研成果转化的空白地带,这就是包括量子计算在内的前沿科技发展的现实困境。

 

“比如我们发明了一个蒸汽机,只有 0.01 马力,装到马车上试试能不能代替马跑起来当然是很有意义的。”郭国平这样形容目前量子计算研究情况,“但国内很多情况下会认为跑起来是没用的,要跑过马车才有用。都等着别人证明了装到马车上比马跑得快的时候入手,然后发展出轿车、货车、吊车……这是我们最擅长的。”

 

郭国平呼吁,在量子计算领域,应当采取揭榜后补贴制度设计、引导企业和用户也进行投入的思路,改变目前由专家研讨立项到专家评审选团队、再到专家评审结题验收的传统流程。他举例说:“比如,谁将我们与 IBM 的差距从现在的 4 年追赶到 3 年,补贴多少钱;从 3 年追赶到 2 年,补贴多少钱。”

 

10 月 16 日,习近平在中央政治局第二十四次集体学习时强调,要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。

 

我们相信我国的量子科技将坚持创新驱动发展,加快产学研深度融合,持续推进产业化进程,让量子科技成果更好地为国家、人民、市场服务。