IARPA的量子计算机研发计划

人们也许对“斯诺登事件”所泄露出来的美国国家安全局量子计算机研发项目—“攻克难关计划”有所耳闻，但其实该计划（如果真有其事）仅仅是冰山一角。本文上面提到的美国情报界的颠覆性技术创新机构——情报高级研究计划局（IARPA）才是量子计算研发大戏幕后的真正导演。该机构从2007年成立伊始就将原来隶属不同部门，如DARPA、国家安全局、NIST等机构的量子信息科学项目全部统一整合在自己手中，对量子信息科学的整体研究进行了精心谋划和布局，例如从2008年至今，不含秘密项目，IARPA公开启动的量子信息/量子计算机研发项目就包括了CSQ（相干超导量子比特,2008）、MQCO（多量子比特相干调控，2009）、QCS（量子计算科学，2010）、LogiQ（量子逻辑芯片，2015），以及QEO（量子增强优化，2016）等项目。该机构还通过各种项目杠杆，组织本国及欧洲、大洋洲等盟国的量子信息领域顶级研究团队进行协同攻关，而所有这一切的终极目标均剑指量子计算机这个圣杯。举例而言，最近在量子计算机关键技术领域接连取得突破的澳大利亚新南威尔士大学、澳洲国立大学等，其研究项目就长期获得了IARPA的资助。但由于IARPA的经费受美国“信息自由法案”的例外保护，无需像DARPA等部门那样必须公开接受纳税人监督，因此美方在该领域投入的总经费外人很难窥其全貌。尽管如此，人们仍然可以从IARPA近期组织的几个量子计算项目来分析其培养、引领和主导未来全球新型计算能力的雄心壮志。

一个是近期启动项目招标的“量子增强优化”项目（Quantum Enhancement Optimization，QEO）。该计划的目的是改进颇具争议性的“量子计算机”—D-Wave的适应范围。D-Wave是一家加拿大公司研发的人类首款利用量子效应进行计算（准确的讲，应该是仿真模拟）的硬件设备，只不过它没有使用最值得期待的量子相干/纠缠这种量子效应，这是真正的量子计算机的计算能力远远超越现有电子计算机的根本原因，而是利用所谓的量子隧穿/涨落来实现“量子退火优化算法”。IARPA希望在D-Wave已经产生了提速效果的数学优化问题的基础上，进一步扩大其应用面，大幅度提升数据处理能力。由于IARPA所在的上级主管部门—国家情报总监办公室掌握着世界上最齐、最多的数据源（该机构负责协调管理来自美国陆海空所有军种，国家侦查办公室、CIA、NSA等所有情报部门，以及国务院、FBI、国土安全部等共计16个军方和联邦政府强力部门的情报数据），因此QEO项目的目标是尽快向世人展示量子计算机即使仅仅使用量子涨落等这些“低技术门槛”效应，还没有用到量子相干/纠缠这样的“洪荒之力”，也具有非凡的大数据处理能力。

IARPA在近期启动的另一个项目LogiQ更能代表量子计算机研发步伐为何骤然提速。

人们一般认为，大规模通用容错型量子计算机（即“量子信息科学的圣杯”）研发需要经历7个阶段，也称之为“七步阶梯模型”。上个世纪末、本世纪初人们已经迈上了第一、二级台阶。之后世界各国的研发团队均陷入了胶着状态。在沉寂了近十年之后，从2011/2012年开始，一方面理论上取得突破，大规模通用容错型量子计算机的“降噪门槛理论”成形，另一方面硬件实现也取得大的进展，以美国加州大学圣芭芭拉分校的John Martinis等为代表的科研团队迈上了第三、四级台阶（2014年Google聘请Martinis教授主管该公司的量子计算机研发项目），目前人们正集中攻克第五步—量子逻辑门设计，这就是IARPA的LogiQ项目的目标。

量子逻辑门设计这一步的重要性可以从下面这个历史典故中看出来。美国大科学工程史上最著名的的项目—“曼哈顿工程”最终取得成功，最为关键的一步是意大利裔物理学家费米1941年在芝加哥大学棒球场看台下面搭建的“芝加哥一号反应堆”（CP-1），这是人类历史上首次实现“链式反应”的著名科学事件。而CP-1反应堆成功运行之后，原子弹研发工作再也没有遇到不可克服的技术困难。这就是CP-1号反应堆在整个“曼哈顿工程”中的地位。而IARPA的项目原主管David Moehring在评价LogiQ这个项目的意义的时候，直接将其与芝加哥一号堆作了类比！

LogiQ项目经过欧美各大公司、研究机构的激烈竞标之后，由美国IBM公司著名的Waston实验室中标，并于2016年2月开始启动。而在此之前的2015年4月，该实验室已经在超导型量子计算逻辑门芯片设计方面取得了一个里程碑式的突破，他们向世人展示了如何将两对处于相干叠加态的量子“封装”到一个4╳4的晶格芯片当中，从而实现“间接的量子调控”，这为解决在芯片上进行量子无损测控这一拦路虎提供了崭新的技术路径。

LogiQ项目为期5年，预计2020年结题。从项目的年度验收指标来看，IARPA实施的这一项目已然是一个工程技术攻关项目，而非科学前沿探索性课题。更需引起关注的是，美国其他高科技企业，如Google目前也在全力以赴的攻克第五步，并认为有望在未来二至三年时间迈上第五级台阶，而如果在经费得以充分保障的情况下，第六级台阶—多个量子逻辑门的封装则有望在五年之内实现。加之世界主要科研团队在量子寄存器领域的研究进展，量子计算机的核心器件—量子CPU（QCPU）就有望在未来十年当中成为现实。

事实上，一旦QCPU研发成功，人们甚至都不用继续攻克第7级台阶，而是以QCPU为核心计算器件，再辅助以现有的超级计算机作为外围设备来进行“量子信息”与“经典信息”之间的转换，人们就可以在这种综合性超级计算机上大展拳脚了。美国能源部下属的先进科学技术研究署（ASCR，能源部主管超级计算研发的机构）主任史蒂夫·宾利（Steve Binkley）也持这种观点。

综上，我们有理由认为，美国正在进行一个目的清晰、布局完整、并且有组织协调的一揽子量子计算机研发计划，一旦研发成功，量子计算机必将成为“国家战略计算倡议”未来计算的主要选型，并开始培养新的产业链，并促进本国受到CMOS技术制约的现有IT高科技企业向量子信息技术QIT转型。