中美為何如此重視量子科技?

中美兩國(guó)在尖端科技上的競(jìng)爭(zhēng)越演越烈。繼5G之后，量子科技或?qū)⒊蔀槊绹?guó)最為忌憚的中國(guó)科技。

10月16日，中共中央政治局集體學(xué)習(xí)量子科技。就在此前一天，美國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)布了《關(guān)鍵與新興技術(shù)國(guó)家戰(zhàn)略》，詳細(xì)介紹了美國(guó)為保持全球領(lǐng)導(dǎo)力而強(qiáng)調(diào)發(fā)展“關(guān)鍵與新興技術(shù)”，明確了20項(xiàng)關(guān)鍵與新興技術(shù)的清單，其中就包括量子信息科學(xué)。

中美為何如此重視量子科技？專(zhuān)家認(rèn)為，量子科技是真正的未來(lái)科技，在復(fù)雜的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，將擁有不可替代的戰(zhàn)略地位。那么，量子科技究竟為何物，引得大國(guó)之間竟相爭(zhēng)？當(dāng)前，中美之間的量子科技較量如何？

量子科技將顛覆傳統(tǒng)技術(shù)

量子科技被頻頻提及，乍一聽(tīng)很容易被認(rèn)為是新型科技概念，但其實(shí)它的歷史已逾百年，而我們也早已享受到由它帶來(lái)的科技成果而渾然不覺(jué)，比如硬盤(pán)、GPS等。

量子科技的歷史可以追溯到19世紀(jì)末。彼時(shí)，開(kāi)爾文提出黑體輻射，成為物理學(xué)世界的兩朵“烏云”之一。為了解決這個(gè)難題，量子力學(xué)之父普朗克提出，光的能量可以分成不連續(xù)的最小基本能量元，從而拉開(kāi)了量子世界的帷幕。具體來(lái)說(shuō)，“量子”是一個(gè)數(shù)學(xué)概念，一個(gè)事物如果存在最小的不可分割的基本單位，我們就說(shuō)它是量子化的，并把最小單位稱(chēng)為量子。

第一次量子革命催生了晶體管、激光、核磁共振、全球定位系統(tǒng)等現(xiàn)代技術(shù)，使人類(lèi)進(jìn)入信息時(shí)代。也是在這一次信息革命中，美國(guó)在全世界奠定了霸主地位。

進(jìn)入21世紀(jì)，量子科技革命的第二次浪潮即將來(lái)臨。第二次量子科技革命將催生量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量等一批新興技術(shù)，這將極大改變和提升人類(lèi)獲取、傳輸和處理信息的方式和能力。

在量子信息技術(shù)中，最具有代表性的是量子通信和量子計(jì)算，這也是各主要科技大國(guó)重點(diǎn)搶占的戰(zhàn)略技術(shù)高地。量子通信是利用量子力學(xué)的基本原理對(duì)信息進(jìn)行加密，具有不可克隆、不可竊聽(tīng)的特性。如果中途遭到竊聽(tīng)，信息將會(huì)被破壞，接收方就能察覺(jué)，具有傳統(tǒng)通信技術(shù)不可比擬的安全性。因此，量子通信也成為各國(guó)優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)量子科技領(lǐng)域。

量子計(jì)算是利用量子態(tài)的演化進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)典計(jì)算機(jī)中只能處于0或者1兩種狀態(tài)之一，而量子計(jì)算機(jī)能同時(shí)處于0和1兩種狀態(tài)。由此衍生的量子算法可能大大超過(guò)當(dāng)前超級(jí)計(jì)算機(jī)。

目前，非通用型量子計(jì)算機(jī)的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1000位量子比特，在特定算法上計(jì)算效率比經(jīng)典計(jì)算機(jī)要快一億倍。

量子科技的應(yīng)用為科技發(fā)展帶來(lái)無(wú)限的想象空間。據(jù)介紹，目前全球一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量需要數(shù)百億個(gè)存儲(chǔ)量為1TB的硬盤(pán)，而未來(lái)量子存儲(chǔ)設(shè)備則只需要指甲蓋大小就能存儲(chǔ)人類(lèi)幾百年的信息。這給高密度、低能耗的信息存儲(chǔ)帶來(lái)巨大想象空間，而基于此的大數(shù)據(jù)發(fā)展也將突飛猛進(jìn)。清華大學(xué)副校長(zhǎng)薛其坤提到，量子計(jì)算會(huì)顛覆性提高信息運(yùn)算處理速度，量子通信會(huì)大幅度提升通信安全性，量子精密測(cè)量和傳感技術(shù)會(huì)在未來(lái)數(shù)字時(shí)代和萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代有著廣泛的應(yīng)用。

政策不相上下

為了發(fā)展量子科技，各國(guó)政府出臺(tái)了很多相關(guān)政策，而美國(guó)尤其表現(xiàn)得雄心勃勃。

近10年來(lái)，美國(guó)已通過(guò)“量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”等項(xiàng)目，以每年約2億美元的投入力度，持續(xù)支持量子信息各領(lǐng)域研究。最近兩年，美國(guó)無(wú)論是在研究、投資、還是教育上都巨資投入，并表示要成為量子信息科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的制定者、領(lǐng)導(dǎo)者。

早在2018年，美國(guó)便將量子信息科學(xué)上升至國(guó)家戰(zhàn)略層面，為此，特朗普總統(tǒng)簽署了《國(guó)家量子計(jì)劃法案》，宣稱(chēng)絕不能容忍在量子科技領(lǐng)域落后。

2018年9月，白宮科學(xué)技術(shù)政策辦公室（OSTP）和美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)QIS小組委員會(huì)發(fā)布了《國(guó)家量子信息科學(xué)戰(zhàn)略概述》，概述了美國(guó)政府將促進(jìn)美國(guó)在量子信息科學(xué)（QIS）領(lǐng)域處于領(lǐng)導(dǎo)地位這一議題置于優(yōu)先列。

2018年12月，特朗普總統(tǒng)簽署了《國(guó)家量子倡議法案》，以加強(qiáng)美國(guó)在QIS領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，并加速這一前沿領(lǐng)域的研發(fā)進(jìn)度。該法案授權(quán)聯(lián)邦政府在5年內(nèi)投入12億美元用于QIS的研發(fā)，同時(shí)建立了國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室，并呼吁在全國(guó)各地建立新的QIS研究機(jī)構(gòu)和組織。

今年以來(lái)，美國(guó)加快了布局量子科技的步伐。7月，美國(guó)能源部公布了量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略藍(lán)圖，提出要確保美國(guó)處于全球量子競(jìng)賽的前列，引領(lǐng)通信新時(shí)代。8月，美國(guó)政府宣布，為多學(xué)科人工智能和量子計(jì)算提供約10億美元（約70億RMB）的新資金以建設(shè)研究中心。其中，QIS為9.25億美元，人工智能為1.4億美元。量子領(lǐng)域占了總投資的9成，從中可窺其分量。

針對(duì)此次量子信息科學(xué)和人工智能投資金額上的懸殊，美國(guó)科學(xué)部副部長(zhǎng)Paul Dabbar稱(chēng)，對(duì)于美國(guó)國(guó)家利益而言，量子科學(xué)可能比人工智能更具影響力。美國(guó)此次在人工智能和量子信息科學(xué)的再次加碼，和中國(guó)在新興技術(shù)上的發(fā)展密切相關(guān)，美國(guó)許多政策顧問(wèn)擔(dān)心，與中國(guó)這樣的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，美國(guó)在人工智能和量子研究方面應(yīng)該不斷加碼以鞏固地位，并強(qiáng)調(diào)，這些技術(shù)不僅對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有幫助，而且對(duì)國(guó)家安全也有幫助。

10月，美國(guó)還開(kāi)通了國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室網(wǎng)站，并發(fā)布了聚焦八大研究領(lǐng)域的《量子前沿報(bào)告》。上述文件都表明，美國(guó)非常重視量子科技，決心用國(guó)家的力量大量投入。

與此同時(shí)，中國(guó)近年來(lái)對(duì)量子信息技術(shù)的重視和支持力度也逐漸加大。

2016年，我國(guó)將量子計(jì)算在“十三五”計(jì)劃中規(guī)劃為具有戰(zhàn)略重要性的領(lǐng)域。

2018年，習(xí)近平強(qiáng)調(diào)“以人工智能、量子信息、移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈為代表的新一代信息技術(shù)加速突破應(yīng)用”，進(jìn)一步肯定了量子信息的戰(zhàn)略地位。

今年3月，科技部印發(fā)《關(guān)于科技創(chuàng)新支撐復(fù)工復(fù)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行的若干措施》要求，大力推動(dòng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，其中就包括量子通信。

而近日的一次也就是10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)。

領(lǐng)導(dǎo)人在主持學(xué)習(xí)時(shí)指出，要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢(shì)，下好先手棋。同時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)人的講話中還從政策、資金、人才、科研、技術(shù)等方面，對(duì)大力推動(dòng)量子科技發(fā)展做出了更進(jìn)一步的要求。

這也意味著，繼區(qū)塊鏈之后，量子科技這一前沿科技也成為國(guó)家戰(zhàn)略，得到中央層面的大力支持，成為中國(guó)增強(qiáng)在科技領(lǐng)域國(guó)際核心競(jìng)爭(zhēng)力的一步“先手棋”。

勝算幾何？

而最惹人關(guān)注的莫過(guò)于當(dāng)前中美量子科技競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)如何。根據(jù)日本知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)據(jù)庫(kù)Astamuse的統(tǒng)計(jì)，美國(guó)在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的論文研究中占據(jù)主導(dǎo)地位，2014年至2018年發(fā)表了1，948篇相關(guān)論文，中國(guó)排名第二，發(fā)表了1495篇論文，其次是德國(guó)、英國(guó)和日本。在與安全相關(guān)的量子密碼學(xué)領(lǐng)域，中國(guó)處于領(lǐng)先地位，同期發(fā)表了2169篇論文，是美國(guó)（1051篇）的兩倍。

另一方面，從專(zhuān)利申請(qǐng)的數(shù)量對(duì)比來(lái)看，根據(jù)日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)下屬研究開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略中心發(fā)布的《從全球?qū)＠貓D看量子技術(shù)2.0》調(diào)查報(bào)告顯示，在量子技術(shù)2.0共4088件相關(guān)技術(shù)專(zhuān)利中，中國(guó)自己就有1387件，成功居于所有國(guó)家中的第一名，美國(guó)憑借921件專(zhuān)利成為第二名，而日本則是憑借657件技術(shù)專(zhuān)利獲得第三名。

除了數(shù)量之外，我國(guó)在量子方面的專(zhuān)利技術(shù)含量超過(guò)其它的一些較有優(yōu)勢(shì)的國(guó)家，也漸漸呈現(xiàn)出直追美國(guó)的趨勢(shì)，尤其是在量子計(jì)算機(jī)方面，比如，2019年2月，中國(guó)科技大學(xué)潘建偉實(shí)現(xiàn)基于冷原子的多節(jié)點(diǎn)量子存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，該項(xiàng)成就直接被國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》稱(chēng)為“多節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)的里程碑”。

具體到實(shí)際的研究方面，在量子計(jì)算賽道上，美國(guó)企業(yè)可謂“高手如云”，如IBM、谷歌、微軟、英特爾、亞馬遜、高通以及最新推出其量子計(jì)算計(jì)劃的Honeywell（霍尼韋爾），都在爭(zhēng)相展示自己解決新型復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題的能力。

此外，這些企業(yè)還與耶魯大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)系統(tǒng)等科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)共性技術(shù)，主要集中在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域，目前這些企業(yè)已經(jīng)在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域取得較好成果。另外，在產(chǎn)業(yè)化方面，IBM發(fā)布超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算云平臺(tái)。而谷歌也推出了72比特的量子計(jì)算芯片“狐尾松”。

中國(guó)研究人員也在量子計(jì)算方面奮起直追。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)等高校近年來(lái)都在量子計(jì)算領(lǐng)域取得一些階段性成果。百度、阿里巴巴、騰訊、 華為 等科技企業(yè)也相繼出臺(tái)了量子計(jì)算研究計(jì)劃。今年9月，百度、本源量子等企業(yè)先后發(fā)布了自己的最新量子計(jì)算云平臺(tái)，使普通用戶也能通過(guò)云技術(shù)使用量子計(jì)算；華為在去年也發(fā)布了HIQ量子云平臺(tái)，并在今年推出了“昆侖”量子計(jì)算模擬一體機(jī)；今年，中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)了具備20個(gè)量子比特糾纏的芯片，并實(shí)現(xiàn)全局糾纏，文章已經(jīng)發(fā)表在美國(guó)《科學(xué)》雜志上，刷新了固態(tài)量子器件中生出糾纏態(tài)的量子比特?cái)?shù)目的世界記錄。

量子通信領(lǐng)域，雖然其仍處于發(fā)展初期，但是中國(guó)在量子通信領(lǐng)域已占據(jù)領(lǐng)先地位，有望和美國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域一較高下。

2016年8月，中國(guó)發(fā)射了自主研制的世界上首顆空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”；此后，中國(guó)科研人員利用量子衛(wèi)星在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)等成果。2017年，全球首條量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”項(xiàng)目通過(guò)總技術(shù)驗(yàn)收。

今年以來(lái)，在量子通信領(lǐng)域中國(guó)學(xué)者更是“捷報(bào)頻傳”。3月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)等研究人員實(shí)現(xiàn)了500公里級(jí)真實(shí)環(huán)境光纖的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)和相位匹配量子密鑰分發(fā)，傳輸距離達(dá)到509公里，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。5月，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際物理學(xué)權(quán)威期刊《現(xiàn)代物理評(píng)論》上發(fā)表論文，系統(tǒng)闡述了量子密碼的原理、理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，為量子密碼的廣泛應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)化制定奠定了基礎(chǔ)。9月，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)與奧地利同行合作，首次實(shí)現(xiàn)了高保真度的32維量子糾纏態(tài)，顯著提高了量子通信的信道容量，創(chuàng)造了當(dāng)前世界最高水平。

總結(jié)：中美在量子科技決賽的分組賽中，目前各有勝負(fù)，總冠軍還未有最后結(jié)果。BBC曾如此評(píng)價(jià)中美之間的科技競(jìng)賽，“科技競(jìng)爭(zhēng)的勝負(fù)輸贏不僅將決定中國(guó)和美國(guó)的命運(yùn)，也將決定21世紀(jì)世界的走向?！贝髧?guó)較量，比起虛無(wú)縹緲的“國(guó)運(yùn)”說(shuō)，以科技領(lǐng)先贏得競(jìng)爭(zhēng)明顯更能獲得中美兩國(guó)的共鳴，而量子科技或許就是中美制勝未來(lái)的勝負(fù)之手。
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