中共高层集体学习量子科技背后 量子技术对中国意味着什么

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当今世界处于大变局之中,科技创新已被公认为是一个关键变量。在美国不断加紧遏制中国科技产业发展的大背景下,中国官方亦在不断强调科技的重要性。中共中央政治局在10月16日就"量子科技研究和应用前景"举行第24次集体学习,明确提出要保证对量子科技领域的资金投入,同时带动地方、企业、社会加大投入力度,这也是量子科技首次在公开层面进入到中共最高决策层的集体关注视野中。

中国领导人习近平在9月11日召开的科学家座谈会上曾公开表示,中国经济社会发展和民生改善比过去任何时候都更加需要科学技术解决方案。在此番集体学习中,习近平更是强调,"要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋"。登上风口的量子科技,在资本市场也成为被追捧的重磅题材。

近两年来,中共中央政治局集体学习所涉及的行业已涉及人工智能、区块链技术、量子科技,图为中共中央政治局举行第21次集体学习。(中国央视视频截图)

量子科技革命扑面而来

近年来,量子科技发展突飞猛进,成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。从词源来看,量子(quantum)一词来自拉丁语quantus,意为"有多少",代表"相当数量的某物质",它是现代物理的重要概念,即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。

1900年12月14日,德国物理学家普朗克(Max Planck)在德国物理学会的例会上激动地阐述了自己的惊人发现,在《论正常光谱中的能量分布》的报告中他提出为了从理论上得出正确的辐射公式,必须假定物质辐射(或吸收)的能量不是连续地、而是一份一份地进行的,只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子,辐射频率是ν的能量的最小数值ε=hν。其中常数h,普朗克当时把它叫做基本作用量子,后来被命名为普朗克常数(千克的定义即由普朗克常数决定)。

在普朗克提出量子这一概念后,经爱因斯坦(Albert Einstein)、玻尔(Niels Bohr)、德布罗意(Louis Victor·Duc de Broglie)、海森伯(Werner Karl Heisenberg)、薛定谔(Erwin Schrödinger)、狄拉克(Pau Dirac)、玻恩(Max Born)等科学家的完善,在20世纪的前半期初步建立了完整的量子力学理论。

量子力学是人类探究微观世界的重大成果,它构建了量子科技的基础,成为整个微观物理学的理论框架。从问世以来,量子科学已孕育出原子弹、激光、晶体管、核磁共振、硬盘、GPS等新技术,成为20世纪最重要的科学发现之一。当下,量子科技革命的第二次浪潮正扑面而来,在科学界看来,它将催生量子计算、量子通信和量子测量等一批新兴技术,极大地改变和提升人类获取、传输和处理信息的方式和能力。

诺贝尔物理学家费曼(Richard Feynman)在1981年首次提出量子计算机的概念,他指出,通过应用量子力学效应,能大幅提高计算机的运算速度,经典计算机需要几十亿年才能破译的密码,量子计算机在20分钟内就能破译。

随着5G时代的来临,数据处理的需求更为庞大复杂,而量子计算可实现人工智能的移动化,车载智能系统、无人机的智能系统、手机上的人工智能系统……都成为其一试身手的佳处,加密通信、药物设计、交通治理、天气预测、太空探索等领域也成为其优势展现的特定应用场景。

而量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等。它利用量子态作为信息载体来进行信息交互的通信技术,利用单个光量子不可分割和量子不可克隆原理的性质,在原理上确保非授权方不能复制与窃取量子信道内传递的信息,以此保证信息传输安全。

较之传统通信方式,量子通信在确保信息安全,增大信息传输量,传输信息高效,抗干扰能力强等方面具有绝对优势,是迄今为止唯一通过数学方式被严格证明的绝对安全的通信方式,属信息安全传输的保护盾。在细分领域中,保密通信是量子信息领域中率先进入实用化的技术方向。在实际应用中,量子通信目前整体尚处在试点应用阶段,而随着技术的升级和成本的降低,向商业领域拓展也只是时间的问题。

全球量子科技之争风起云涌

当下,量子科技已成为全球科技研究的一大热点,各国竞相加大研发力度和投入,从国家层面推进量子科技的战略计划。

日本在2013年已列出计划,未来10年投入400亿日元(1日元约合0.0095美元)研发量子信息技术。2020年1月,日本统合创新战略推进会议发布《量子技术创新战略(最终报告)》,并在8月宣布将建立8个量子研发基地。

英国于2014年设立国家量子技术计划,每年投资2.7亿英镑(1英镑约合1.30美元)用于建立量子通信、传感、成像和计算四大研发中心;2018年10月,英国联合新加坡启动了量子卫星项目。德国则在2018年发布了"联邦量子技术计划",1期投入6.5亿欧元(1欧元约合1.19美元);在新冠肺炎(COVID-19)疫情后的经济刺激计划中,特设"量子专项",再投入20亿欧元。

由欧盟委员会资助的欧洲量子技术旗舰计划在2018年10月开始施行,该计划将历时十年,预算为10亿欧元。2020年5月,旗舰计划在其官方网站上发布了一份战略研究议程(SRA)报告,表示未来三年将推动建设欧洲范围的量子通信网络,完善和扩展现有数字基础设施,为未来的"量子互联网"远景奠定基础。

俄罗斯也在行动,2019年12月6日,该国副总理阿基莫夫(Maxim Akimov)在索契举行的技术论坛上提出国家量子行动计划,拟5年内投资约7.9亿美元,期望在实用量子技术领域赶上其他国家;2020年9月4日,俄罗斯政府委员会批准了俄罗斯铁路公司牵头制定的俄联邦量子通信发展路线图。

而在全球量子技术最领先的美国,近十年来每年投入约2亿美元用于各细分领域的研究。美国总统特朗普(Donald Trump)在2018年正式签署《国家量子计划法案》,全方位加速量子科技的研发与应用,以确保美国量子科技领先地位。

根据法案,美国制定了量子科技长期发展战略,拟实施为期10年的"国家量子计划"。美国政府在5年内拟斥资12.75亿美元开展量子信息科技研究。2020年2月,白宫发布《美国量子网络战略构想》,提出美国将开辟量子互联网,确保量子信息科学(QIS)惠及大众。

中国发力量子科技

英国《简氏防务周刊》网站2018年6月上旬发布了一篇题为《中国和战略对抗时代》的报告,认为中国已成为"量子密码学研发当之无愧的领导者",尽管美国团队仍在量子计算方面处于领先地位,中国是一个相对的后来者,但中国"已经开始在这场发展极其强大的计算能力的竞赛中迅速前进,这种能力可以打破大多数现有的加密形式"。

中国科学技术大学潘建伟教授领衔的全球首颗量子科学实验卫星"墨子号",自2016年8月16日发射升空以来,就一直备受国际关注,《科学美国人》将其评选为2016年度改变世界的十大创新技术。

2017年8月,"墨子号"完成量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态三大既定科学实验目标,在国际上率先实现千公里级星地双向量子纠缠分发,也为中国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究,奠定了科学与技术基础。

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同年9月29日,世界首条千公里级量子保密通信干线——"京沪干线"正式开通。利用"京沪干线"与"墨子号"的天地链路,北京和维也纳之间成功实现了人类历史上第一次洲际量子保密通信。

2018年,中国科研团队在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠,在量子领域再获里程碑式突破。该成果可进一步应用于大尺度、高效率的量子信息技术,同时也佐证了中国将继续在全球引领多体纠缠的研究。

作为国际前沿的量子信息科研团队之一,在量子计算领域潘建伟团队也取得了多项重要进展,比如研制出了世界首台多光子可编程量子计算原型机。当下,量子计算有低温超导系统、量子点系统、离子阱、拓扑量子计算等诸多研究方向。2017年,中国科学技术大学等单位联合研制了2台"量子计算机",一台基于低温超导系统,这台量子计算机有10个量子比特,一举超越美国航天航空局、加州大学圣芭芭拉分校、谷歌实现的9个超导量子比特纪录;另一台基于线性光学,达到5个量子比特。

潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组攻关突破,于2017年5月3日宣布了世界上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机诞生的成果。其后,中国科学院院长白春礼院士透露,中科院正在研制中国首台量子计算机。2020年9月,潘建伟教授在公开课演讲上向公众透露光量子计算机已实现了光量子计算性能超过谷歌53比特量子计算机的100万倍。

当下,量子领域之争已不只是国与国之间科技的竞争,已然上升到国家运势之争,各国对量子科技的重视背后也是对新一轮工业革命到来所做的准备。也正是受益于国与国之间,甚至国家内各科研团队的这种你追我赶激烈的竞争,人类的科技实力也在这种追逐中不断提升。

(本文原载于《香港01》周报,略有编辑。)

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