科学研究 - 2023会成为日本的量子计算元年吗？

如果对2023年日本高科技的趋势做一个预言的话，笔者认为量子计算将有很大的可能实现突破。

日本国产第一号量子计算机预计在2023年3月底问世，与此同时，日本政府（文部省和理化学研究所）又将原计划2027年完成的第二号量子计算机提前了两年。两台国产量子计算机的主要开发厂商是富士通公司，都采用超导方式。不同点是一号机将实现64量子比特（Q-bit），二号机则将Q-bit的位数提高到了100，同时，在微波控制量子比特技术方面也将有较大的提升。

理研与富士通合作开发国产量子计算机

日本政府选择在2022年底公布二号机将计划提前，说明一号机的开发、交付进展顺利，会按原计划在2023年3月底之前完成。日本政府的2023年度预算，对量子技术与人工智能（AI）领域投入了135亿日元，加上2022年度的补充预算72亿日元，在该领域将共投入207亿日元。追加的预算对二号机的提前完成做了财政上的支持。

日本是一个危机意识很高的国家。此前，朝野一致认为日本在AI与量子计算技术方面落后于世界先进行列。但是，近几年官民结合，不断地努力，日本的AI在许多领域追上并领先了国际先进水平。

量子计算很复杂，无法简单地评判优劣。通常把量子技术划分为这样几个领域：量子计算机、量子通信、量子感知与计测、量子材料与设施、量子应用（软件与算法）等。在这些领域，日本都有一定的技术积累，比如在量子通信方面，东芝公司的DFB位相组码密钥配送技术就领先世界。

普通读者关心的量子计算机，在硬件实现方式上又可以分为这样几类：超导方式、离子陷阱方式、中性原子方式、半导体中性原子方式等。其中，被视为主流的超导方式，因为有著名的美国企业谷歌与IBM参战，格外引人注目。

单独就超导方式来看，日本确实落后了。谷歌在2019年就试制成功了53Q-bit的超导方式量子计算机，IBM在2021 年开发出127Q-bit的超导量子计算机，并配置于德国和日本，2022年11月IBM开发出433Q-bit的处理器，并宣布将在2023年推出超过1000Q-bit的超导量子计算机处理器，2025年要超越4158Q-bit。单从Q-bit的位数来看，即使计划两年后推出的日本的二号机也才只有100Q-bit，远不及IBM将要推出的的机器。

然而，日本分子科学研究所在单一原子水平，实现了两个Q-bit的控制，即相当于400Q-bit处理器的“冷却原子型”技术。

实际上，量子计算机要想达到真正的商用，必须实现能够自如地操作百万Q-bit级的控制。要达到这样的水平，还有很长的路要走。在真正的量子计算机实现之前，产业界注重的是利用量子计算原理来解决实际问题。因此，量子计算技术最擅长的专门解决组合最优化问题的模拟量子计算也备受关注。日本在数字化模拟量子计算方面积累了坚实的基础。富士通、日立、NEC、东芝，这些老牌IT厂商都在该领域举足轻重。

为了实现量子计算的突破，日本采取了两步棋的战略。技术研发方面，由理化学研究所牵头，研发国产量子计算机；产业应用方面，由产业综合研究所牵头，拓展应用范例。

由于理研牵头开发的国产二号机仅有100 Q-bit，在位数上远落后于IBM等美国厂商，所以，必须通过提高每一位Q-bit的质量与控制精度来提升实际的计算能力，从而胜出。为此，理研采取了一种折衷的“混合计算”方式，即将富士通开发的超级计算机“富岳”与国产量子计算机联机，通过反馈实时计算结果，实现高度的计算任务。

融合超算与量子计算的“混合计算”模式，是因为目前的量子计算机，哪怕是最新锐的，也会因动作不稳定，出错率高而出现计算的断片。如果用超级计算机将很多计算断片整理并矫正以后，就可以得到近似解。

“富岳”曾经很长时间高居世界超算排行榜首，在新药开发与新材料研发方面积累了很多有价值的模型。超算与量子计算的融合，可以弥补眼下量子计算的相对劣势，在量子计算的实际应用中累积新的有用的模型。当应用创新累积到一定程度，将来量子计算机取得实质性进展时，就可以将这些经验迅即移植到真正的量子计算机上，实现弯道超车。

着眼于量子计算机早期应用的“混合计算”模式，正在成为世界的潮流，欧盟也在2022年底公布了在德国、法国、意大利等地设置六处混合计算基地的计划，开始构建融合超算与量子计算的运算平台。

跟欧盟相比，日本有更完整的产业链，有相当数量的世界500强企业。在制药、电力、能源、汽车工业、金融服务等方面都有实力很强的企业。“混合计算”模式在这些行业的试验，必定会产生与积累有效的经验与模型，为后续的应用奠定基础。