量子科技為何成為多國戰略佈局的重點領域

從頂層設計、戰略投資再到人才培養等,全球多國近年來在量子科技領域持續投入。那麼什麼是量子科技?在現實生活中有何應用前景?各國及科技企業在相關領域的發展態勢如何?

量子科技為何成為多國戰略佈局的重點領域

解讀量子科技還要從量子力學說起。量子力學發源於20世紀初,是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支,如果一個物理量存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的。量子力學中有一些“違背常理”的特點,如著名的難知死活的“薛定諤的貓”等。但相關理論不斷獲得實驗支持,在一百多年裡催生了許多重大發明原子彈、鐳射、電晶體、核磁共振、全球衛星定位系統等,改變了世界面貌。

量子資訊技術則是量子力學的最新發展,代表了正興起的“第二次量子革命”。早在2016年,歐盟就宣佈將量子技術作為新的旗艦科研項目,迎接“第二次量子革命”。美國也一直支持量子科技發展,最新動向是在10月7日,白宮科學和技術政策辦公室啟用了國家量子協調辦公室的官方網站,同時發佈了《量子前沿報告》。

在量子資訊技術中,具有代表性的是量子通信和量子計算。這也是各主要科技大國重點搶佔的戰略技術高地。

量子通信:資訊安全傳輸的“保護盾”
量子通信是利用量子力學相關原理解決資訊安全問題的通信技術。其中一個著名原理就是量子糾纏,兩個處於糾纏狀態的量子就像有“心靈感應”,無論相隔多遠,一個量子狀態變化,另一個也會隨之改變,愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”。傳統的通信方式有被竊聽的風險,而在量子通信中,竊聽者必然被察覺並被通信雙方規避。量子通信因此常被稱作資訊安全傳輸的“保護盾”,在保密領域有很大應用前景。

近年來,中國量子通信技術取得多項突破性進展。比如2016年8月,中國發射了自主研製的世界上首顆空間量子科學實驗衛星“墨子號”;此後,中國科研人員利用量子衛星在國際上率先成功實現了千公里級的星地雙向量子糾纏分發等成果。2017年,全球首條量子保密通信骨幹網“京滬幹線”項目通過總技術驗收。

今年以來,在量子通信領域中國學者“捷報頻傳”。有關方面3月宣佈,中國科學技術大學潘建偉團隊等研究人員實現了500公里級真實環境光纖的雙場量子密鑰分發和相位匹配量子密鑰分發,傳輸距離達到509公里,創造了新的世界紀錄。有關方面9月宣佈,郭光燦院士團隊與奧地利同行合作,首次實現了高保真度的32維量子糾纏態,顯著提高了量子通信的通道容量。

量子計算:未來計算技術的“心臟”
量子計算是各國優先發展的另一重點科技領域。中國百度研究院量子計算研究所所長段潤堯告知:“量子計算是這一場新量子革命最具有代表性的技術,是未來計算技術的心臟。”

與傳統電腦相比,量子電腦有獨特優勢。傳統電腦中1個比特在某個時間只能是0或1中的一個狀態,而在量子電腦裏,由於量子疊加態的存在,1個量子比特可同時記錄0和1兩個狀態。因此,量子電腦擁有計算能力遠超傳統電腦的潛力。但目前人類能同時操縱的量子比特還不多,量子電腦尚未走向大規模實用。

在量子計算賽道,谷歌、微軟、英代爾等西方科技企業擁有先發優勢,通過不同技術路徑不斷實現對更多量子比特的操縱。去年10月,谷歌研究人員在英國《自然》雜誌發表論文稱,基於一個包含54個量子比特的量子晶片開發了量子計算系統,它花費約200秒完成的任務,傳統超級電腦要1萬年才能完成。這在當時被稱作實現了“量子霸權”,即讓量子電腦在某個特定問題上的計算能力超過傳統電腦,但也有一些業界人士對相關細節提出疑問。

中國研究人員也在量子計算方面奮起直追。中國科學技術大學、清華大學等高校近年來都在量子計算領域取得一些階段性成果。百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業也相繼出台了量子計算研究計劃。今年9月,百度、本源量子等企業先後發佈了自己的最新量子計算雲平台,使普通用戶也能通過雲技術使用量子計算。

雖然量子電腦距離大規模普及還有很長的路要走,但相關前景廣闊。段潤堯所長說:“量子計算將極大促進當前人工智慧及其應用的發展,深刻地改變包括基礎教育在內的眾多領域。特別是,借助於量子計算技術,人類對於微觀世界的認識以及宏觀世界的探索將得到極大擴展,從而引發人類思維能力的根本性提升。”◆

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