读懂两会中的“量子”信息科技政策变迁:两大变化,一个关键​

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随着数字化、网络化、智能化深入发展,计算能力已经成为国家科技实力的核心竞争力,量子计算不仅将为后摩尔时代计算能力的提升提供全新的解决方案,而且是事关国家安全的关键核心技术。​


量子科技发展具有重大科学意义和战略价值,是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新,将引领新一轮科技革命和产业变革方向。近年来,我国加大对量子科技的研究投入,技术创新活跃,取得一批具有国际影响力的重大创新成果,包括量子反常霍尔效应的实验发现、“墨子号”的发射、“九章”和“祖冲之号”量子计算机原型机的研制成功。

刚刚召开的十四届全国人大一次会议开幕会上,政府工作报告中就特别指出:过去五年,科技创新成果丰硕。构建新型举国体制,组建国家实验室,分批推进全国重点实验室重组。一些关键核心技术攻关取得新突破,载人航天、探月探火、深海深地探测、超级计算机、量子信息、核电技术、大飞机制造、人工智能等领域创新成果不断涌现。

如今,量子信息/量子科技已经成为中国重要的科技名片。

“量子信息/量子科技”成两会“高频词”,量子计算重要性提升

历届两会中,“量子信息/量子科技”成为成为科技领域中出现次数越来越多的“热词”,具有风向标意义。早在2010年两会,政府工作报告在大力发展科学技术方面提到,“前瞻部署生物、纳米、量子调控、信息网络、气候变化、空天海洋等领域基础研究和前沿技术研究”。

2016年两会,政府工作报告在回顾“十二五”发展成就时称,“科技创新实现重大突破。量子通信、中微子振荡、高温铁基超导等基础研究取得一批原创性成果”。

2018年和2021年两会,政府工作报告在回顾发展成绩中分别谈到量子信息/量子科技。并且,在2021年两会发布的“十四五”规划指出,不仅要整合优化科技资源配置,聚焦量子信息等重大创新领域组建一批国家实验室,而且加强原创性引领性科技攻关,瞄准量子信息等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。

除两会外,在2022年12月和2023年2月的两次中央经济工作会议上,会议均强调要加快量子计算等前沿技术研发和应用推广。


2010-2020年两会关于量子信息/量子科技内容


纵观过去两会和其他会议、政策对“量子信息/量子科技”的提法,我们发现两大变化:

一是从"量子信息/量子科技”基础理论研究到更强调产业化和应用落地。

二是量子计算成为单列的前沿技术方向,其重要性得到进一步提升

随着数字化、网络化、智能化深入发展,计算能力已经成为国家科技实力的核心竞争力,量子计算不仅将为后摩尔时代计算能力的提升提供全新的解决方案,而且是事关国家安全的关键核心技术。

从1到N,量子计算的下一站:产业化落地

作为量子科技三大方向之一,量子计算凭借其并行计算能力和天然模拟原子、分子等特性,存储数据能力强、执行运算速度快等核心优势,成为突破经典计算极限的重要技术。它所带来的算力飞跃将对应用领域产生颠覆性影响,深刻改变人类的经济社会发展面貌。因此,量子计算已经成为全球主要国家和地区争夺的科技制高点。

针对量子计算的发展,一般可分为两个阶段:

第一阶段,在实验室搭建量子计算系统和展示性量子计算机的任务,即从0到1。

第二阶段,量子计算产业化,走出实验室,接受市场考验,获得用户认可,即从1到N。

于我国而言,国家政府自2016年以来,先后在政策、资金等方面持续投入,大学单位、科研机构和企业积极行动,投身量子计算。



政府支持发展量子计算或量子科技的相关政策盘点


政策上,中国从2016年起发布多项量子相关政策,比如2016年8月,国务院发布的《“十三五”国家科技创新规划》在“科技创新2030-重大项目”中,“量子通信与量子计算机”为名列第三的重大科技项目。

资金投入上,2016-2020年度,政府仅在“量子调控与量子信息”重点专项中累计拨款超过19.554亿元人民币。

企业方面,不仅国内科技公司和互联网企业纷纷开展量子计算研究,而且涌现出许多量子计算创业公司。

经过多年耕耘,中国近年来在量子计算方面取得多项重大进展。比如中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队2020年在76个光子的光量子计算机原型机“九章”实现量子计算优越性,比谷歌“悬铃木”快一百亿倍;2021年,拥有62个量子比特的超导量子计算机原型机“祖冲之号”诞生,后来升级的“祖冲之二号”达成量子优越性,从而使中国成为世界上唯一一个在两个技术路线上实现“量子优越性”的国家。

毫无疑问,“九章”和“祖冲之号”量子计算机原型机的诞生不仅代表着中国在量子计算某些领域的自主研发能力进入国际先进水平,而且意味着中国在量子计算的发展上跨过第一阶段,迎来从1到N的量子计算产业化阶段。

此前,由十家领先的德国公司宣布联合成立的量子技术和应用联盟(QUTAC)表示,随着量子计算机在特定计算挑战方面超越了领先的超级计算机,以及实验室环境之外的含噪声中型量子(NISQ)计算机的可用性,现在已经进入量子计算的产业化阶段。

对我国来说,量子计算产业化意义非凡。一方面,只有实现产业化,在市场落地,量子计算才有长久生命力,才能体现出真正的价值和潜力;另一方面,当前,全球量子计算产业化发展迅速,各个国家/地区之间的竞争日趋激烈。中国科学院院士、北京量子信息科学研究院院长向涛曾表示,量子计算的应用与产业化成为国际大企业展示实力、布局未来的新战场,逻辑很简单,失去量子计算的控制权,就可能失去未来信息社会的话语权。

如何加速量子计算产业化落地?这三个因素是关键

目前,量子计算市场还处于起步阶段。随着技术的成熟和应用的落地,市场将会不断增长。

据波士顿咨询(BCG)发布的报告预测,在不考虑量子纠错算法的进展情况下,保守估计到2035年,全球量子计算应用市场规模将达到近20亿美元,2050年暴涨到2600多亿美元;若量子计算技术迭代速度超出预期,乐观估计2035年市场规模可突破600亿美元,2050年则有望飙升至2950亿美元。由此可见,量子计算市场规模发展潜力巨大。

但是,量子计算从实验室走向产业化,还有一段很长的路要走。

虽然中国量子计算产业化近年来发展迅速,但仍处于跟跑阶段。并且,内有产业化过程要解决的各种挑战,比如标准体系尚未建立,行业缺乏规范引导,以及量子计算产业链多个环节薄弱;外有欧美发达国家带来的产业竞争压力。

而要积极应对量子计算产业化进程中的挑战,需要牢牢抓住人才、核心技术与关键器件、产学研协同创新三大关键。

在量子计算产业化进程中,人才是最关键的因素。量子计算对人才的需求具有多样性。早期的量子计算研发偏重基础研究,制造量子计算系统或量子计算机需要科学家、系统工程师和工业设计师等共同合作研制。一旦走向商业化和产业化,将转向大规模、实用化,需要越来越多的专业工程师。

但现实是,不仅全球量子计算面临人才短缺挑战,而且中国在量子计算相关领域的人才也严重不足。根据麦肯锡的研究,每三个量子职位空缺只有一个合格的量子候选人,并且这种情况将逐步恶化在中国,中科院计算所研究员孙晓明曾在清华大学AI Time论坛上介绍,量子计算领域的研究者还很少,人员的数量级大致只在千级规模,其中物理背景的研究者占到三分之二以上,还需要很多计算机背景的研究者参与。

为应对量子信息人才的短缺,不仅国家层面开始强调,而且我们已经看到一些进展:中科大第一次申报新增设“量子信息科学”本科专业成功获批;清华大学成立了量子信息班,由图灵奖获得者、中国科学院院士姚期智担任首席教授。

此外,以量子科技为主题的各种大赛也纷纷涌现,包括“挑战杯”竞赛、大湾区量子计算挑战营等,这些赛事活动不仅有利于发掘量子计算优秀人才,而且提供了一个量子计算交流平台,极大促进量子科技的发展。

当然,从长远看,为保障我国量子计算产业化的长期健康发展,还需要我们进一步巩固量子计算人才培养机制,扩大专业人员队伍,同时,完善量子计算人才培养制度,重点培养急需紧缺研究方向的高科技专业人才。并且,激发下一代对量子技术的兴趣,将量子技术的基础知识纳入中小学课程,在高校进行量子计算相关学科建设。

如果说人才是最关键的因素,那么核心技术与关键器件则是中国量子计算产业化要解决的核心命题。

仅以稀释制冷机为例,它是超导量子计算机、半导体量子计算机和拓扑量子计算机中的核心设备与器件。但是,全球稀释制冷机的主要供应却被欧美日公司牢牢掌控,其中,芬兰的

无论是超导、半导体,还是拓扑量子计算机,它们对稀释制冷机都有着较高的低温要求。为保证稀释制冷机的安全供应,我国近年来加大自主研发力度。

但是,自研稀释制冷机并不简单,面临着一系列挑战,包括研制稀释制冷机所必需的同位素氦-3、预冷所需的脉冲管和冷头等预制冷设备严重依赖进口,以及一些低温设备焊接工艺难题。此外,还有需克服像冷漏、超漏问题、盘管热交换器和银粉热交换器等一系列技术难题。

而中科院物理所姬忠庆领导的团队2021年在自主研发的无液氦稀释制冷机上率先实现 8mk温度,标志着我国在稀释制冷机上取得突破性进展。

除稀释制冷机外,量子芯片同样是超导等技术路线的量子计算机的关键器件。面对半导体行业内外发展环境,国内企业纷纷加强自主研发,提升芯片制造和加工能力,无论是华为公布的“量子芯片”专利,还是量旋科技建成的超导量子芯片实验室,都让我们看到了国内企业的努力和积极行动。

值得一提的是,建设专门的量子芯片加工实验室对规模化量产量子芯片至关重要。只有通过专门的量子芯片加工实验室,我国才有可能摸索出一套成熟的芯片加工工艺,从而制造出稳定可靠的量子芯片。

由此可见,加强核心器件和关键技术攻关,在关键领域实现自主可控,对于保障产业链供应链安全、增强我国科技应对国际风险挑战的能力至关重要。因此,中国有必要加强基础研究和探索,在基础层面实现核心技术突破,从而提高量子计算理论研究成果向实用化、工程化转化的速度和效率。

无论是高质量的人才队伍,还是核心技术与关键器件的突破,都需要一个很好的机制把它们连起来,即产学研深度协同,才能真正汇聚不同领域的力量,加速量子计算产业化进程。

以量子科技强国德国为例,该国通过建立灯塔项目,加强产学研协同,提高产业竞争力。一是共议主题举办量子通信竞赛,与科学家、工业界共同合作确定量子通信领域的巨大挑战难题,以竞赛的形式允许参赛者提供改善量子通信的关键实施方案,通过具体的技术目标实现产学研协同效应;二是资助卓越的量子计算集群,选择德国 3 个卓越的量子计算集群进行资助,并引导其研究最有前途的量子计算方法,在明确实际应用目标的基础上开发硬件平台进行展示, 在知识产权得到保护的前提下向全世界的研究人员开放使用。

从德国、美国的实践,结合我国的实情,需要构建良好的“产学研”体系,形成企业、高校与科研机构的分工协作、共同发展的组织机构,强化各机构之间的合作,提高效率。并且,加大学研机构与企业的交流合作,对接技术发展需求,促进产学研协同发展。比如哈工大(深圳)成立的量子信息联合研究中心,通过产研合作,充分发挥各自特长,实现产学研无缝对接,推进量子科技的发展。

综上,加速量子计算产业化进程,高质量的人才队伍、核心技术与关键器件的突破,以及产学研深度协同缺一不可。缺少任何一个要素,势必阻碍我国量子计算产业化的发展,导致量子计算产业化进程受阻。

写在最后

现阶段,中国开启实现高水平科技自立自强、建设科技强国新阶段。作为基础研究和颠覆性技术的量子计算,事关中国在未来信息社会中的话语权,也是国家科技实力的核心竞争力表现。而量子计算产业化是量子计算长远发展的关键,只有在人才、核心技术与关键器件和产学研深度协同三个方面共同进步,取得突破,才能加速量子计算产业化落地。


今年两会,我们期待有更多关于量子计算的提案和建议,共同推动中国量子计算产业化发展。


责任编辑:张诚
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