量子科技 中國(guó)“快進(jìn)”
在量子科技領(lǐng)域，一場(chǎng)激烈的競(jìng)賽正在展開(kāi)。量子通信、量子計(jì)算、量子測(cè)算……如今，量子科技已成為全球科技大國(guó)集中發(fā)力的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革前沿陣地。
搶抓量子科技發(fā)展機(jī)遇，中國(guó)已按下“快進(jìn)鍵”。專家指出，作為事關(guān)國(guó)家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略性領(lǐng)域，量子科技的創(chuàng)新主動(dòng)權(quán)和發(fā)展主動(dòng)權(quán)要牢牢掌握在自己手中。
神奇的“糾纏”和“疊加”
量子指的是物質(zhì)不可再分的基本單元。通俗來(lái)說(shuō)，如果把能量等物理量一份份往下分，分到無(wú)法再分的小塊就是量子。例如，光量子就是光能量的基本單元，不可能再分為半個(gè)、1/3個(gè)光子。事實(shí)上，我們?cè)谖锢碚n上所學(xué)到的分子、原子、電子等，都是量子的不同表現(xiàn)形式。
1900年，德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克提出量子理論，開(kāi)啟了研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支。120年來(lái)，全球幾代科學(xué)家孜孜以求，在量子理論、量子科技及其應(yīng)用等領(lǐng)域開(kāi)疆拓土。
在宏觀世界中，牛頓經(jīng)典力學(xué)可以幫助我們理解和測(cè)算物體的運(yùn)動(dòng)、速度等規(guī)律。但在量子微觀世界中，許多規(guī)則卻與我們的認(rèn)知截然不同。其中的兩個(gè)基本原理就是“疊加”和“糾纏”。
疊加原理，最經(jīng)典的理論莫過(guò)于神秘莫測(cè)的“薛定諤的貓”。根據(jù)量子力學(xué)理論，物質(zhì)在微觀尺度上可以同時(shí)存在多種狀態(tài)和多個(gè)位置的“疊加”。
為了解釋疊加狀態(tài)，奧地利物理學(xué)家薛定諤在1935年提出了經(jīng)典理論：將一只貓關(guān)進(jìn)裝有少量鐳和氰化物的箱子里，如果鐳發(fā)生衰變，就會(huì)觸發(fā)機(jī)關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會(huì)死；反之，貓就存活。在量子世界中，由于放射性的鐳處于衰變和沒(méi)有衰變兩種狀態(tài)的疊加，“可憐的”貓咪便處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)。
更為神奇的是，如果想要測(cè)量量子，它便會(huì)從疊加狀態(tài)變?yōu)榇_定的狀態(tài)，就像是如果有人懷著好奇心去打開(kāi)箱子，便只能看到一只死貓或者活貓。
一個(gè)量子可以“疊加”多種狀態(tài)，多個(gè)量子則會(huì)產(chǎn)生“糾纏”的奇妙反應(yīng)。兩個(gè)處于量子糾纏狀態(tài)的粒子，就像雙胞胎的心靈感應(yīng)一樣。無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)一個(gè)量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)量子也會(huì)超“瞬間”發(fā)生變化。對(duì)于詭異的糾纏現(xiàn)象，愛(ài)因斯坦在當(dāng)時(shí)也難以作出解釋，將其稱之為“鬼魅般的超距作用”。
量子理論誕生一百多年來(lái)，催生了許多重大發(fā)明，核能、激光、半導(dǎo)體等科技得以問(wèn)世，進(jìn)而發(fā)展出計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)等重大應(yīng)用，改變了人類文明進(jìn)程。今天，量子科技發(fā)展具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值，是一項(xiàng)對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進(jìn)行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。
量子通信“墨子”領(lǐng)跑
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)”。《自然》雜志曾評(píng)價(jià)道，在量子通信領(lǐng)域，中國(guó)用了不到10年的時(shí)間，由一個(gè)不起眼的國(guó)家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美。
量子通信是各國(guó)優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)量子科技領(lǐng)域。傳統(tǒng)的通信方式中，加密方式依靠的是計(jì)算的“復(fù)雜性”，有被竊聽(tīng)的風(fēng)險(xiǎn)。而量子的獨(dú)有特性，使其具有不可克隆、測(cè)不準(zhǔn)等“先天優(yōu)勢(shì)”。用量子做成的“密鑰”來(lái)傳遞信息，加密的內(nèi)容不會(huì)被破譯，竊聽(tīng)者必然會(huì)被“抓包”。量子通信因此被看作信息安全傳輸?shù)?ldquo;保護(hù)盾”，為破解信息加密“瓶頸”提供了解決方案。
近年來(lái)，中國(guó)量子通信技術(shù)取得多項(xiàng)突破性進(jìn)展。“墨子號(hào)”的發(fā)射為通過(guò)太空“量子傳密”提供了可能。實(shí)驗(yàn)表明，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比地面光纖信道高1萬(wàn)億億倍，衛(wèi)星平均每秒發(fā)送4000萬(wàn)個(gè)信號(hào)光子，一次實(shí)驗(yàn)可生成300千比特(kbit)的密鑰，平均成碼率達(dá)1.1千比特/秒(kbps)。
與此同時(shí)，中國(guó)科研人員還利用量子衛(wèi)星在國(guó)際上率先成功實(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，中國(guó)科學(xué)家在量子通信領(lǐng)域同樣取得諸多成果——
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)。
今年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。
量子計(jì)算搶占先機(jī)
量子計(jì)算同樣是各國(guó)競(jìng)相布局的量子科技領(lǐng)域。
與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算單位比特只有0和1兩種狀態(tài)。而在量子計(jì)算機(jī)里，由于量子疊加態(tài)的存在，1個(gè)量子比特可同時(shí)記錄0和1兩個(gè)狀態(tài)。如果計(jì)算機(jī)操縱的量子數(shù)目增多，就會(huì)以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)提升計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，計(jì)算能力潛力巨大。
隨著運(yùn)算能力的提升，社會(huì)生活的諸多領(lǐng)域都有望迎來(lái)“革命”——提高農(nóng)作物產(chǎn)量、指導(dǎo)科學(xué)的城市交通規(guī)劃、促進(jìn)新藥研發(fā)、實(shí)現(xiàn)高精度的天氣預(yù)報(bào)……專家表示，量子計(jì)算將極大促進(jìn)當(dāng)前人工智能及其應(yīng)用的發(fā)展，深刻地改變包括基礎(chǔ)教育在內(nèi)的眾多領(lǐng)域。
近年來(lái)，在量子計(jì)算領(lǐng)域，世界各個(gè)科技發(fā)達(dá)國(guó)家群雄逐鹿，IBM、谷歌、微軟等企業(yè)你追我趕，通過(guò)不同技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)對(duì)更多量子比特的操縱。去年10月，谷歌研究人員在《自然》雜志發(fā)表論文稱，已成功演示“量子霸權(quán)”，讓量子系統(tǒng)花費(fèi)約200秒完成傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)要1萬(wàn)年才能完成的任務(wù)。
所謂“量子霸權(quán)”，即量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)特定問(wèn)題上的計(jì)算能力超過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在合理時(shí)間范圍內(nèi)無(wú)法解決的復(fù)雜難題。盡管多方對(duì)于谷歌的研究成果仍存質(zhì)疑，但毫無(wú)疑問(wèn)，量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)接近超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和應(yīng)用前景。
通過(guò)科學(xué)家的奮力追趕，在量子計(jì)算領(lǐng)域，中國(guó)整體上與發(fā)達(dá)國(guó)家處于同一水平線。近年來(lái)，多支科研團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算領(lǐng)域取得階段性成果。去年年底，潘建偉等學(xué)者與德國(guó)、荷蘭的科學(xué)家合作，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算，在四大關(guān)鍵指標(biāo)上均大幅刷新國(guó)際紀(jì)錄，逼近實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算研究的重要目標(biāo)“量子霸權(quán)”。
而在企業(yè)方面，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，中國(guó)企業(yè)自主研發(fā)的6比特超導(dǎo)量子計(jì)算云平臺(tái)正式上線，全球用戶可以在線體驗(yàn)來(lái)自中國(guó)的量子計(jì)算服務(wù)。
戰(zhàn)略布局已成全球共識(shí)
當(dāng)前，在量子科技領(lǐng)域整合科技資源、集中力量突破，已在主要發(fā)達(dá)國(guó)家中形成廣泛共識(shí)。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的政府、科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)資本正在加速進(jìn)行戰(zhàn)略部署，大幅度增加研發(fā)投入，對(duì)中國(guó)取得的局部領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)發(fā)起強(qiáng)烈沖擊。
在歐洲，歐盟早在2016年就宣布將量子技術(shù)作為新的旗艦科研項(xiàng)目，迎接“第二次量子革命”。德國(guó)日前表示，計(jì)劃在2021年建成該國(guó)首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，并在5到10年后推動(dòng)相關(guān)新技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
美國(guó)于2018年啟動(dòng)“國(guó)家量子行動(dòng)法案”。今年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。近日，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》。
日本為了加強(qiáng)科技實(shí)力，今年宣布對(duì)其文部科學(xué)省機(jī)構(gòu)進(jìn)行大幅調(diào)整，加速基礎(chǔ)研究和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的前沿技術(shù)的研發(fā)工作。其中，設(shè)置專門機(jī)構(gòu)推動(dòng)科研工作，對(duì)包括量子技術(shù)在內(nèi)的新興領(lǐng)域進(jìn)行統(tǒng)一管理。此外，日本國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也開(kāi)始下大力氣培養(yǎng)肩負(fù)未來(lái)的“量子人才”。
近年來(lái)，我國(guó)科技工作者在量子科技上奮起直追，取得一批具有國(guó)際影響力的重大創(chuàng)新成果。經(jīng)過(guò)30多年努力，中國(guó)已崛起為國(guó)際量子科研版圖上的重要力量，在多個(gè)戰(zhàn)略方向上實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑或進(jìn)入第一陣營(yíng)。
對(duì)此，潘建偉指出，量子科技是事關(guān)國(guó)家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略性領(lǐng)域，必須將創(chuàng)新主動(dòng)權(quán)和發(fā)展主動(dòng)權(quán)牢牢掌握在自己手中。特別需要面向長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，通過(guò)國(guó)家層面的頂層設(shè)計(jì)和前瞻布局，整合優(yōu)勢(shì)資源形成自主創(chuàng)新的體系化能力。
劉 峣
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