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前沿丨量子科技上升为国家战略!这项研究中国

发布时间:2020/11/09

  2016年8月16日,我国发射世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”,更是全球轰动。

  但你如果想了解量子科学,在网络上看到的又大多是各种玄而又玄、莫名其妙的说法,什么“没有人懂得量子力学”,“超时空的瞬间作用”,“上帝不掷骰子”,越看越糊涂。

  看到“量子”这个词,许多人在“不明觉厉”之余,第一反应就是把它理解成某种粒子。但是只要是上过中学的人,都知道我们日常见到的物质是由原子组成的,原子又是由原子核与电子组成的,原子核是由质子和中子组成的。那么量子究竟是什么?难道是比原子、电子更小的粒子吗?

  其实不是。量子跟原子、电子根本不能比较大小,因为它的本意是一个数学概念。正如“5”是一个数字,“3个苹果”是一个实物,你问“5”和“3个苹果”哪个大,这让人怎么回答?正确的回答只能是:它们不是同一范畴的概念,无法比较。

  什么叫“离散变化”?我们统计人数时,可以有一个人、两个人,但不可能有半个人、1/3个人。我们上台阶时,只能上一个台阶、两个台阶,而不能上半个台阶、1/3 个台阶。这些就是“离散变化”。对于统计人数来说,一个人就是一个量子。对于上台阶来说,一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化,我们就说它是“量子化”的。

  量子力学和相对论是二十世纪的两大科学革命,对人类的世界观产生了强烈的震撼。但论公众中的知名度,量子力学似乎比相对论低得多。原因可能在于,相对论主要是由爱因斯坦一个人创立的,孤胆英雄的形象易于记忆和传播,而量子力学的主要贡献者有好几位,没有一个独一无二的代言人。爱因斯坦和相对论称得上妇孺皆知,而听说过量子力学中的“薛定谔的猫”、“海森堡测不准原理”这些词的人,已经算是科学发烧友了。

  描述微观世界必须用量子力学,宏观物质的性质又是由其微观结构决定的。因此,不仅研究原子、分子、激光这些微观对象时必须用量子力学,而且研究宏观物质的导电性、导热性、硬度、晶体结构、相变等性质时也必须用量子力学。

  为什么原子能保持稳定,例如氢原子中的电子不落到原子核上?(因为氢原子中电子的能量是量子化的,最低只能取-13.6 eV,如果落到原子核上就变成负无穷,低于这个值了。)

  现代社会硕果累累的技术成就,几乎全都与量子力学有关。你打开一个电器,导电性是由量子力学解释的,电源、芯片、存储器、显示器的工作原理是基于量子力学的。走进一个房间,钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶的性质是由量子力学决定的。登上飞机、轮船、汽车,燃料的燃烧过程是由量子力学决定的。研制新的化学工艺、新材料、新药,都离不开量子力学。

  既然量子力学出现已经超过了一个世纪,为什么最近在媒体上变得如此火热?回答是:量子力学与信息科学的交叉学科——量子信息。

  首先是一个显而易见的优势。前面比喻过:经典比特是“开关”,只有开和关两个状态,而量子比特是“旋钮”,有无穷多个状态。旋钮的信息量显然比开关大得多。

  还有一个稍微复杂一点的优势。一个包含n个经典比特的体系,总共有2ⁿ个状态。想知道一个函数在这个n比特体系上的效果,需要对这2ⁿ个状态都计算一遍,总共要2ⁿ次操作。当n很大的时候,2ⁿ是一个巨大的数字。指数增长是一种极快的增长,比n的任何多项式都快。比如说,2ⁿ比n的10000次方增长得还要快。

  指数增长的威力。如图所示,指数函数虽然在最初落后,但很快势不可挡地超越了线性函数和三次方函数,而且越到后面把它们甩得越远。

  但在欢呼之前,我们需要认清,这个巨大的优势并不容易利用。因为所有2ⁿ个结果是叠加在一起的,读取出来需要做测量,而一做测量就只剩下一个结果,其余的结果都被破坏了。所以我们只能把这个优势称为潜在的巨大优势,真要利用它,需要非常巧妙的算法。

  这样的算法只对少数的问题能够设计出来,后面会举一些例子,如“因数分解”。有些科普文章把量子计算机描写成无所不能,快成神了,这是重大的误解。量子计算机的强大,是与问题相关的,只针对特定的问题。

  从2016年“墨子号”量子科学实验卫星发射升空,更多国人开始关注量子通信这一“黑科技”,到2020年10月16日,中央政治局集中学习,量子科技已成为科技大国集中发力的新一轮科技革命和产业变革前沿阵地。接受《环球时报》记者采访的中国专家认为,量子科技是真正的未来科技,在复杂的国际竞争中,将拥有不可替代的战略地位。

  量子科技并不是新近出现的新学科领域,它距离民众并不遥远。量子科技发展逾百年,人类对量子科学的认识和发展产生的现代信息技术、计算机、通信,还有高密度信息存储、全球定位系统,这都是量子技术一些隐形应用。信息时代的关键核心技术,如晶体管、激光、硬盘、GPS等是第一代量子技术的一些例子。

  而现在,世界已进入第二次量子技术革命时代,通过主动人工设计和操控量子态发展量子技术和应用。中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员袁岚峰认为,量子科技被中央赋予前所未有的重视程度受之无愧,因为量子力学和相对论是现代物理学的两大基础理论。人类在20世纪基于量子力学了解了微观世界,才产生了许多重大的技术进步和发明创造。例如导电性,就是有了量子力学后才能解释清楚的。磁性也是如此。

  量子科技的应用为科技发展带来无限的想象空间。那它将带来哪些重大颠覆性技术创新呢?

  据介绍,目前全球一年产生的数据量需要数百亿个存储量为1TB的硬盘,而未来量子存储设备则只需要指甲盖大小就能存储人类几百年的信息。这给高密度、低能耗的信息存储带来巨大想象空间,而基于此的大数据发展也将突飞猛进。清华大学副校长薛其坤说,量子计算会颠覆性提高信息运算处理速度,量子通信会大幅度提升通信安全性,量子精密测量和传感技术会在未来数字时代和万物互联时代有着广泛的应用。

  此外,得益于量子保密通信的高度安全性,量子通信未来将在国防、财务和金融专网等领域具有重要应用。中国科学技术大学常务副校长、中国科学院院士潘建伟19日撰文表示,量子科技是事关国家安全和社会经济高质量发展的战略性领域,必须将创新主动权和发展主动权牢牢掌握在自己手中。

  袁岚峰也表示,量子通信是中国目前少有的在全球领跑的科学领域,这是非常难能可贵的。整个量子信息领域非常广阔,中国没有理由不重视,不大力发展。

  薛其坤介绍说,中国在量子通信基础研究有很多亮点,比如北斗时间测量系统定位已提高到非常高的精度,就是量子科技在全球定位或者卫星导航系统的一个重要应用。“所以不管在基础研究,还是在通信、量子计算包括精密测量和传感上,我们国家都有很多可圈可点的东西。”

  其中“墨子号”无疑是最具有代表性的成果。据公开报道,“墨子号”于今年6月实现全球首次千公里级量子纠缠密钥分发。潘建伟称,这一实验成果将无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级,并通过物理原理确保,即使在卫星被他方控制的极端情况下依然能实现安全的量子保密通信,取得了量子保密通信现实应用的重要突破。

  路透社称,按预定规划,中国将陆续发射“墨子二号”“墨子三号”,到2025年前后构建起全球首座由中国主导的量子星群。未来量子通信工程应用、量子通信产业化推进,均可全球领先。展望约15年后,中国定制的量子互联网,有望取代今天美国主导的光纤互联网。

  薛其坤表示,未来10年在量子信息科学的发展中,中国科学家的研究将会整体进入世界第一阵列,有些研究方向甚至会扮演引领角色。因此未来10年,中国科学家对世界信息技术的贡献将会超过以往40年对世界贡献的总和,这将是中国科学家大有作为的10年。

  袁岚峰表示,在量子计算领域,中国稍微落后于发达国家,不过各有特色;而在精密测量领域,中国整体上落后于发达国家,同时发展迅速。薛其坤表示,“在量子技术上中国的短板和中国在信息技术的短板有点类似,所以要加强关键核心元器件这种高端的技术材料、设备的研发,这都是我们需要解决的一些短板。”

  华安证券分析师尹沿枝认为,当前正处于国家“十四五”规划编制的重要窗口期,中央集体学习量子科技,再次凸显量子科技作为国家战略的顶层设计。他表示,量子信息技术在面向“十四五”乃至更长远的未来,有望成为中国在全球科技产业中“换道超车”、掌握产业链话语权的重要核心技术,具有深远战略意义。

  正是因为量子技术所蕴含的巨大发展前景,量子科技领域的国际竞争日益激烈。据了解,全球主要科技强国近期均出台了国家层面的量子信息技术战略计划。美国正在建设量子网络;英国建成了连接布里斯托、剑桥等地的量子网络,并联合新加坡启动了量子卫星项目;德国、法国等19个欧盟成员国签署了未来10年开发和部署欧盟范围内量子通信基础设施的声明。

  尹沿枝称,美国近10年来,已通过“量子信息科学和技术发展规划”等项目,以每年约2亿美元的投入力度,持续支持量子信息各领域研究。欧盟2016年推出“量子宣言”旗舰计划,在未来10年投资10亿欧元,支持量子计算、通信、模拟和传感四大领域的研究和应用推广,并在 2018年11月正式启动首批20个研究项目。日本文部科学省2013年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,计划未来十年内投资400亿日元,支持量子通信和量子信息领域的研发。

  而美国尤其表现得雄心勃勃。2018年底,美国颁布了《国家量子倡议法案》,宣称绝不能容忍在量子科技领域落后。2020年7月23日,美国能源部宣布了建设量子互联网的蓝图。10月7日,美国发布的《国家量子信息科学战略投入的量子前沿报告》宣布,美国将在量子信息科学领域保持领导地位,作为确保美国长期经济繁荣和国家安全的关键优先事项。袁岚峰说,“这些文件都表明,美国非常重视量子科技,决心用国家的力量大量投入。”

  目前,量子科技的竞争并非只局限于政府之间,企业之间的竞争也非常激烈。潘建伟说,谷歌、微软、IBM、英特尔等国际巨头企业积极投入量子计算研发。尹沿枝表示,美国的这些企业近年来大举进军量子计算领域,并且与耶鲁大学、麻省理工学院、加州大学系统等科研机构联合攻关共性技术,主要集中在超导量子计算领域,目前这些企业已经在超导量子计算领域取得较好成果。另外,在产业化方面,IBM发布超导量子比特的量子计算云平台。而谷歌也推出了72比特的量子计算芯片“狐尾松”。

  原标题:《前沿丨量子科技上升为国家战略!这项研究中国全球领跑,制高点已抢占?》