科學研究 - 2023會成爲日本的量子計算元年嗎？

如果對2023年日本高科技的趨勢做一個預言的話，筆者認爲量子計算將有很大的可能實施突破。

日本國產第一號量子電腦預計在2023年3月底問世，與此同時，日本政府（文部省和理化學研究所）又將原計劃2027年完成的第二號量子電腦提前了兩年。兩臺國產量子電腦的主要開發廠商是富士通公司，都採用超導方式。不同點是一號機將實施64量子位元（Q-bit），二號機則將Q-bit的位數提高到了100，同時，在微波控制量子位元技術方面也將有較大的提升。

理研與富士通合作開發國產量子電腦

日本政府選擇在2022年底公佈二號機將計劃提前，說明一號機的開發、交付進展順利，會按原計劃在2023年3月底之前完成。日本政府的2023年度預算，對量子技術與人工智慧（AI）領域投入了135億日元，加上2022年度的補充預算72億日元，在該領域將共投入207億日元。追加的預算對二號機的提前完成做了財政上的支援。

日本是一個危機意識很高的國家。此前，朝野一致認爲日本在AI與量子計算技術方面落後於世界先進行列。但是，近幾年官民結合，不斷地努力，日本的AI在許多領域追上並領先了國際先進水平。

量子計算很複雜，無法簡單地評判優劣。通常把量子技術劃分爲這樣幾個領域：量子電腦、量子通訊、量子感知與計測、量子材料與設施、量子應用（軟體與演算法）等。在這些領域，日本都有一定的技術積累，比如在量子通訊方面，東芝公司的DFB位相組碼密鑰配送技術就領先世界。

普通讀者關心的量子電腦，在硬體實施方式上又可以分爲這樣幾類：超導方式、離子陷阱方式、中性原子方式、半導體中性原子方式等。其中，被視爲主流的超導方式，因爲有著名的美國企業谷歌與IBM參戰，格外引人注目。

單獨就超導方式來看，日本確實落後了。谷歌在2019年就試製成功了53Q-bit的超導方式量子電腦，IBM在2021 年開發出127Q-bit的超導量子電腦，並配置於德國和日本，2022年11月IBM開發出433Q-bit的處理器，並宣佈將在2023年推出超過1000Q-bit的超導量子電腦處理器，2025年要超越4158Q-bit。單從Q-bit的位數來看，即使計劃兩年後推出的日本的二號機也才只有100Q-bit，遠不及IBM將要推出的的機器。

然而，日本分子科學研究所在單一原子水平，實施了兩個Q-bit的控制，即相當於400Q-bit處理器的「冷卻原子型」技術。

實際上，量子電腦要想達到真正的商用，必須實施能夠自如地操作百萬Q-bit級的控制。要達到這樣的水平，還有很長的路要走。在真正的量子電腦實施之前，產業界注重的是利用量子計算原理來解決實際問題。因此，量子計算技術最擅長的專門解決組合最適化問題的類比量子計算也備受關注。日本在數化類比量子計算方面積累了堅實的基礎。富士通、日立、NEC、東芝，這些老牌IT廠商都在該領域舉足輕重。

爲了實施量子計算的突破，日本採取了兩步棋的戰略。技術研發方面，由理化學研究所牽線，研發國產量子電腦；產業應用方面，由產業綜合研究所牽線，拓展應用範例。

由於理研牽線開發的國產二號機僅有100 Q-bit，在位數上遠落後於IBM等美國廠商，所以，必須透過提高每一位Q-bit的質量與控制精度來提升實際的計算能力，從而勝出。爲此，理研採取了一種折衷的「混合汁算」方式，即將富士通開發的超級計算機「富嶽」與國產量子電腦聯機，透過回饋即時計算結果，實施高度的計算任務。

融合超算與量子計算的「混合汁算」模式，是因爲目前的量子電腦，哪怕是最新銳的，也會因動作不穩定，錯誤率高而出現計算的斷片。如果用超級計算機將很多計算斷片整理並矯正以後，就可以得到近似解。

「富嶽」曾經很長時間高居世界超算排行榜首，在新藥開發與新材料研發方面積累了很多有價值的模式。超算與量子計算的融合，可以彌補眼下量子計算的相對劣勢，在量子計算的實際應用中累積新的有用的模式。當應用創新累積到一定程度，將來量子電腦取得實質性進展時，就可以將這些經驗迅即移植到真正的量子電腦上，實施彎道超車。

着眼於量子電腦早期應用的「混合汁算」模式，正在成爲世界的潮流，歐洲共同體也在2022年底公佈了在德國、法國、意大利等地設置六處混合汁算基地的計劃，開始構建融合超算與量子計算的運算平台。

跟歐洲共同體相比，日本有更完整的產業鏈，有相當數量的世界500強企業。在製藥、電力、能源、汽車工業、金融服務等方面都有實力很強的企業。「混合汁算」模式在這些行業的試驗，必定會產生與積累有效的經驗與模式，爲後續的應用奠定基礎。