量子科技是什么?為何量子科技如此重要

剛剛過去這一周，“量子科技”這個(gè)詞在各大新聞媒體上刷屏了。繼人工智能、區(qū)塊鏈之后，量子科技成為中共中央政治局又一個(gè)集體學(xué)習(xí)的前沿科技領(lǐng)域。

如今，你可以很容易從人臉識(shí)別、面部解鎖等應(yīng)用中感知到人工智能技術(shù)。以比特幣為代表的數(shù)字貨幣熱潮也讓區(qū)塊鏈技術(shù)迅速為大眾所知。與之相比，量子科技距離普通人的生活還非常遙遠(yuǎn)。

可以肯定地說，你目前接觸到的各式各樣冠以量子之名的“量子波動(dòng)速讀”、“量子按摩儀”等等，都與真正的量子科技毫無關(guān)系。

那么量子科技是什么？有什么應(yīng)用？為何量子科技如此重要？

先來看量子科技的一個(gè)重要應(yīng)用方向量子計(jì)算。

“自然界并不像經(jīng)典物理學(xué)描述的那樣，真見鬼，要想模擬自然，最好用量子力學(xué)?！?981年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼在這番話中提出借助量子力學(xué)打造一種新型計(jì)算機(jī)的想法，解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題這就是量子計(jì)算機(jī)的萌芽。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基本信息單位是比特，一個(gè)比特要么是0，要么是1。量子計(jì)算機(jī)則以量子比特為基本信息單位，由于量子具有疊加和干涉等特性，一個(gè)量子比特可以同時(shí)處于0和1的狀態(tài)，這種特性使得量子計(jì)算機(jī)在處理特定問題上會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

“它們可能會(huì)徹底變革化學(xué)?；瘜W(xué)反應(yīng)太多太過復(fù)雜，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)無法精確模擬，量子計(jì)算機(jī)可以破解繁雜的數(shù)學(xué)難題，可應(yīng)用于材料科學(xué)、制藥、電池等領(lǐng)域?！薄督?jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志寫到。

過去40多年，量子計(jì)算機(jī)開始從設(shè)想、逐漸發(fā)展，演變成為科技巨頭的研究項(xiàng)目。在國(guó)際上，谷歌、IBM、英特爾、微軟等公司一直在量子計(jì)算領(lǐng)域布局多年，其中谷歌的研究成果最為矚目。

2019年10月，谷歌的一項(xiàng)研究登上《自然》雜志150周年版封面

，被認(rèn)為是量子計(jì)算領(lǐng)域的里程碑事件。

在這項(xiàng)研究中，谷歌利用一臺(tái)54量子比特的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典架構(gòu)計(jì)算機(jī)無法完成的任務(wù)。研究員們估計(jì)，這臺(tái)機(jī)器在三分多鐘時(shí)間內(nèi)完成的一項(xiàng)任務(wù)，若用世界上最強(qiáng)大的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來解決，大約耗時(shí)一萬年。

谷歌CEO桑達(dá)爾皮查伊宣布谷歌實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)” 圖片來源：視覺中國(guó)

這項(xiàng)研究旨在解決一項(xiàng)人為設(shè)計(jì)的問題，并沒有多少實(shí)際用途。但與Alpha Go展示谷歌在人工智能領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力一樣，谷歌借助這項(xiàng)研究，宣稱其已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

所謂量子霸權(quán)，或可以稱為“量子優(yōu)越性”，是指量子計(jì)算裝置在特定測(cè)試案例上表現(xiàn)出超越所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。

不過，雖然宣稱實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，谷歌CEO皮查伊承認(rèn)，最初的量子計(jì)算機(jī)可能還無法馬上投入實(shí)際使用。甚至在未來十年內(nèi)，人們都無法看到量子計(jì)算機(jī)給世界帶來實(shí)際的改變。但谷歌預(yù)測(cè)，量子計(jì)算機(jī)的潛在應(yīng)用包括飛機(jī)和汽車輕量化電池的設(shè)計(jì)以及藥物設(shè)計(jì)等。

目光轉(zhuǎn)到國(guó)內(nèi)，騰訊、阿里、百度、華為等大型科技公司對(duì)量子計(jì)算也有所布局。但總體來說，這項(xiàng)技術(shù)目前仍處于研發(fā)階段，甚至在技術(shù)路線上還處于探索性研究階段，距離產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化還距離很遠(yuǎn)。

波士頓咨詢公司BCG預(yù)測(cè)

，到2028年，工程師們將研發(fā)出可用于低復(fù)雜程度的量子模擬問題的非通用量子計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)到此時(shí)，量子計(jì)算機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到500多億美元，主要在制藥、化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域。

而2030年之后，量子計(jì)算機(jī)將在各類商業(yè)應(yīng)用中對(duì)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具備明顯優(yōu)勢(shì)，也就是通用量子計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算的發(fā)展將顯著加速。

除了量子計(jì)算外，量子科技的主要應(yīng)用方向還包括量子通信和量子測(cè)量。同樣是基于量子力學(xué)的特性，量子通信和量子測(cè)量，在信息安全和防竊聽、測(cè)量精度和靈敏度方面突破經(jīng)典技術(shù)的瓶頸。

與尚在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研發(fā)的量子計(jì)算相比，量子通信已經(jīng)進(jìn)入到應(yīng)用階段，并且國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈。

2016年，我國(guó)首顆量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射成功，就是量子通信領(lǐng)域的標(biāo)志性應(yīng)用之一。此外，已有商業(yè)公司在從事量子通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，比如今年在科創(chuàng)板上市的國(guó)盾量子，其產(chǎn)品就主要用于量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及行業(yè)應(yīng)用。

華安證券認(rèn)為，

量子通信當(dāng)前市場(chǎng)主要集中在對(duì)保密要求較高的黨政軍金融系統(tǒng)，目前市場(chǎng)規(guī)模并不算大。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，我國(guó)量子通信整體市場(chǎng)規(guī)模在2019年為325億元，同比增長(zhǎng)19%。

但長(zhǎng)期來看，量子通信有望引領(lǐng)量子互聯(lián)網(wǎng)的革命，出現(xiàn)量子物聯(lián)網(wǎng)、量子云計(jì)算等先進(jìn)形態(tài)。

由于量子科技在信息安全上的重要作用和產(chǎn)業(yè)變革上的巨大潛力，歐美近年來都在這項(xiàng)領(lǐng)域大幅增加研發(fā)投入，并啟動(dòng)國(guó)家級(jí)的量子科技戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃。

今年8月26日，美國(guó)宣布，將在未來五年中向人工智能和量子信息科學(xué)等領(lǐng)域投入10億美元以上的資金，扶持12個(gè)相關(guān)研究中心的發(fā)展。之前的7月23日，美國(guó)能源部還發(fā)布了《國(guó)家量子倡議法案》報(bào)告，提出要確保美國(guó)處于全球量子競(jìng)賽前列。

這些都意味著，在中美加強(qiáng)爭(zhēng)奪科技主導(dǎo)權(quán)的背景之下，量子技術(shù)已經(jīng)成為繼5G、人工智能之后中美科技競(jìng)賽的又一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)。
責(zé)任編輯：YYX