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找回失去的二十年?日本量子计算的进击之路

光子盒2020-08-19 18:01发文

光子盒研究院出品

日本最大的半导体制造商东芝正式退出个人电脑行业,我们已经很难在终端市场找到东芝的产品。然而,这家科技巨头早已是量子密码技术的领导者。

东芝正在领导一个全球量子密码通信网络研究项目,计划用5年时间创建一个由100个量子密码设备和10000个用户组成的网络。该项目由日本总务省委托进行。

其他成员包括:NEC、三菱电机、久川电机、滨松光电、东京大学、北海道大学、横滨国立大学、学习院大学、国家信息和通信技术研究所、国家先进工业技术研究所以及国家材料和技术研究所。东芝拥有最多的量子通信专利,NEC次之。

在量子计算领域,东芝等日企还加入了IBM与东京大学共同成立的量子创新计划联盟,同时成为IBM Q Network的一员。近年来,日本加强与美国、欧洲在量子计算领域的合作,使之一跃成为量子计算的领先国家。

团结一切力量

日本企业的竞争观念是竞合,即竞争与合作,接受竞争对手,而非消灭竞争对手。企业之间主动寻求合作,联合起来一致对外。为了推动量子信息发展,日本企业已经达成共识,他们没有IBM、谷歌、微软那样独当一面的企业,必须联合起来。

自2001年起,日本邮政省开发量子通信技术,并将该技术作为国家级高技术研究开发(R&D)之一,提出了以新一代量子通信技术为对象的长期研究战略,并计划在2030年前建成绝对安全保密的高速量子通信网。2013年,日本成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构,计划在10年内投入400亿日元(约3.75亿美元)支持量子技术研发。

正因为起步早,东芝、NEC等日本企业在量子通信领域积累了大量专利。时隔20年,日本终于要将高速量子通信网项目付诸现实。2020年日本政府预算中有关量子技术研发的费用比2019年翻了一番,达到300亿日元(约2.81亿美元)。

2020年7月29日,东芝宣布日本总务省已将其指定为该项目的牵头承包商,计划建设一个广域网,可容纳全球100多个量子密码装置和1万个用户。东芝表示,该项目第一年的计划预算为14.4亿日元,到2024财政年度结束。

为了稳步推进该项目,东芝已经联合了NEC、三菱机电、东京大学、北海道大学、国家信息和通信技术研究所等十几家企业和研究机构。

量子通信领域,日本拥有独立研究的能力;但在量子计算领域,日本不得不依赖美国。去年12月,日本和美国在东京签署了《关于量子合作的东京声明》,合作内容中最重要的是IBM与东京大学的量子合作伙伴计划。

2020年7月30日,IBM与东京大学宣布共同推出量子创新计划联盟(QIIC),该联盟旨在加速产业、学术界和政府之间的合作,以提升日本在量子科学、商业和教育领域的领导地位。

QIIC希望通过汇集日本各大学、著名研究协会和大型产业的学术人才,从战略上加速量子计算研发,进一步开发日本量子计算技术,建立一个生态系统来提高学生的技能和专业知识,为未来的科学发现和实际的量子应用打开大门。

QIIC总部设立在东京大学,其联盟成员包括庆应义塾大学、东芝、日立、瑞穗、三菱日联、 JSR、 DIC、丰田、三菱化工和IBM日本公司。

QIIC将成为IBM Q Network的成员,Q Network是一个由财富500强企业、初创公司、学术机构和研究实验室组成的社区,目的是推进量子计算及其实际应用的开发。作为IBM Q Network的成员,QIIC将获得IBM的专业知识和资源、云开发环境,以及基于云访问IBM量子计算中心,包括其最先进的量子计算机。

IBM将于2021年在日本安装一台IBM Q System One,这是日本的第一台量子计算机,也是除美国以外的第二个量子计算机系统,连同一个单独的试验台系统成为系统技术开发实验室的一部分,以支持QIIC的下一代量子硬件研发目标,包括低温元件、室温电子学和微信号发生器等。

借助外力的同时,日本也注重内功的修炼。为推动量子计算机等量子技术实用化,日本政府将构建产业、政府、科研一体化的研发体制,并在5年内陆续完善。在2020年内成立负责整体管理和协调的主管机构,在8个领域建立核心研发基地。

这8个研发基地包括:超导量子计算机、量子元件、量子材料、量子安全、量子生命、量子计算机利用技术、量子软件、量子惯性传感器与光晶格钟等。其中超导量子计算机研发基地位于埼玉县的理化学研究所(Riken);量子计算机利用技术研发基地位于东京大学。

量子计算格局

从专利申请分布来看,日本高校在量子计算产业中并不扮演主角,但高校从事的基础研究是不可或缺的。东京大学自不必说,作为日本最高学府,过去5年发表关于量子计算论文数量排在世界前列。领导日本量子创新计划联盟,也证明了东京大学的实力。

找回失去的二十年?日本量子计算的进击之路

来源:中国信息通信研究院知识产权中心

其他高校如庆应义塾大学,在量子计算领域十分活跃,它是2017年IBM Q Network成立时的初始成员。IBM在美国、英国、澳大利亚、日本建立了五大区域中心,其中日本区域中心位于庆应义塾。

日本许多高校都在建设自己的量子技术研究中心:庆应义塾大学拥有先进量子结构研究小组和量子计算中心;大阪大学的量子计算研究小组已经开始运作;横滨国立大学的小坂实验室也在进行量子计算研究。

2020年初,日本东北大学与东芝公司宣称,他们实现了世界上首次使用量子密码技术术来传输基因组序列数据的方法,使用量子密码技术传输了24个人的完整基因组序列数据,这在理论上是一种坚不可摧的加密方法。

隶属于东京理科大学的理化学研究所(Riken)正在研究超导量子计算机,日本政府对Riken寄予厚望,这里有日本8个量子研发基地之一。Riken宣称,过去三年里,他们的超导量子电子学研究小组与其他研究所合作开发的一种新的电路布线方案,为可扩展量子计算开辟了一条新的途径。

如今,在量子计算领域被广泛应用的量子退火技术(Quantum annealing),最早可溯源自东京工业大学的西森秀稔教授。而西森秀稔本人也在1990年获得过日本IBM科学奖。

在日本,企业拥有很大的话语权。在量子计算专利申请人中,日本企业的贡献近90%,不仅高于中国,还超过了美国和加拿大。目前领先的企业包括日本电报电话公司(NTT)、三菱电机、日立、东芝和日本电气公司(NEC)等。

找回失去的二十年?日本量子计算的进击之路

来源:中国信息通信研究院知识产权中心

位于东京的NTT实验室专注于光子量子计算和量子通信解决方案。NTT将在未来五年内投入250亿日元(2.34亿美元),在量子计算和密码学等领域进行尖端研究。与NASA、斯坦福大学、加州理工学院和加拿大量子软件开发商1QBit已经达成一致意见,共同开发一个量子计算系统,使其能与谷歌和IBM正在研究的量子计算机相竞争。

著名的跨国公司NEC已经向D-Wave投资1000万美元,通过将D-Wave的组合优化量子退火技术与NEC的超级计算机相结合,开发能够高速解决大型组合优化问题的混合服务。新开发的服务将通过Leap云平台提供给客户。

2020下半年,NEC和D-Wave将进行联合营销活动,包括会议、媒体活动、培训和量子计算挑战赛等,以便企业开始构建混合量子应用程序,并将量子计算进一步引入日本企业。

日本富士通(Fujitsu)也有退火产品,并与西班牙第二大银行BBVA签署了一项涉及其数字退火技术的概念证明。退火程序将用于优化资产组合和最小化风险。

在日本的量子计算格局中,只有Riken和NTT等大型机构有能力研发量子硬件,因此日本的量子初创企业几乎都只研发软件。

目前,日本量子初创企业中占据领导地位的是Jij——在日本科学技术厅(JST)START项目支持下成立的以量子退火为核心的退火设备软件开发公司。

Jij正在开发名为OpenJij的Ising模型(QUBO)的OSS软件。

Jij和微软也有合作,2020年5月Jij与丰田通商一起使用微软的量子计算服务,通过微软Azure云来试验解决与交通拥堵相关问题的方法。实验结果表明,运行在传统电脑上的量子算法可以将司机在红灯前停车的等待时间减少约20%,平均每辆车节省约5秒。

找回失去的二十年?日本量子计算的进击之路

成立于2017年的东京量子计算公司(TQC)也在从事量子退火相关的软件开发,他们计划为量子退火的大规模模拟提供一套计算机程序源代码。

同样位于东京的blueqat从2018年开始与D-Wave合作,2019年加入IBM Q Network,致力于量子计算应用与教育。

地域分布来看,这些企业几乎全部位于东京,仅2018年就有A*Quantum、Elyah、QunaSys等多家公司成立。创始团队基本来自日本排名前列的高校,比如QunaSys由东京大学、大阪大学和京都大学的研究人员创立,研究方向包括量子化学、量子机器学习和优化。

规模来看,日本量子初创企业普遍较小。比如A*Quantum公司股本只有2000万日元(不到20万美元),他们利用逻辑门和退火结构开发量子计算软件,并与大学合作培养开发人员。

美国网站The Quantum Daily认为语言问题限制了日本初创企业的规模,由于这些公司信息大部分都是日语,很少有英语资源,让西方风投机构缺乏对日本量子企业的了解。

虽然规模小,但也有一些成果。近期Elyah提供了一个叫做Qubit Workbench的可视化量子编程工具。可一键模拟测试小电路,设计100量子比特及以上的电路及测试高达6量子比特的量子计算机程序。

下一个二十年

日本社会常把90年代初经济泡沫破灭后称作“失去的二十年”。现在,日本开始用下一个二十年追求量子信息技术的领导地位。日本已经制定了一个二十年计划,以追赶中国和美国的脚步。

日本的二十年计划涉及四个关键领域,包括量子计算和量子密码,其基础是政府、工业界和学术界应共同努力,在全球范围内的量子竞赛中生存下来。2020年起政府每年投入300亿日元(约2.81亿美元),这也是Moonshot研发计划的重点之一,投资总额1000亿日元。

根据政府的路线图,日本的目标是用10年时间制造出100量子比特的机器,在2039年左右制造出功能更强大、功能更完善的量子计算机。在全国建立8个量子技术研发基地,也包含其中。路线图还包括传感器、通信和加密以及材料等相关领域。

日本将量子计算视为与人工智能和生物技术并重的研发领域。工业界、学术界和政府将联手合作,在制造业和金融业等领域寻求创新。日本希望将量子计算优先应用于本国现有的优势产业,如材料开发。

日本芯片和显示材料制造商JSR正在致力于用量子计算发现新材料,JSR是IBM Q Network和量子创新计划联盟(QIIC)的初始成员。

美国量子计算初创公司QSimulate已宣布与JSR公司合作,通过材料信息学(MI)方法发现新材料。JSR在云端使用QSimulate的自动化QM工具,使得每天运行数千个分子的高精度量子计算成为可能。

日本政府要求在10年内成立10多家量子技术初创企业。19家企业和16家研究机构创办了量子信息通信技术论坛,包括大型电子公司、大学和国有研究机构。论坛将为企业提供分享最新研究成果的机会。

北海道大学教授Akihisa Tomita是论坛的负责人。他说,日本在量子技术的基础研究方面处于领先地位,但如果一个国家的研发落后5年,它将永远赶不上。

但有一个值得深思的问题,日本战后经济腾飞在一定程度上得益于美国的技术援助,导致了日本对美国过于依赖,而在量子计算研发初期,日本仍然存在这种趋势,如果不能自主制造量子计算机,必将受制于人。

打造自己的量子计算机,将是日本的必修课。

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1930年秋,第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”。

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