朱志宏：中国为什么重视在量子技术领域的竞争？

  

 

2016年以来，全球出现了新一轮量子计算热潮。这股热潮的出现与两个因素有关。第一，晶体管计算机似乎越来越接近理论上的极限。由于当今最先进的芯片技术已开始运用纳米级的制造工艺，其继续提升性能的空间已非常有限，摩尔定律正在面临失效的风险。与之相对，量子计算并没有理论上的设计极限，可能达到传统计算机百倍甚至万倍的效率。第二，全球开始新一轮科技竞争，算力较量成为各国竞争的焦点。近年来，随着人工智能、大数据、物联网、5G等新一代信息技术的广泛应用，算力的重要性被提升到了一个全新的高度。

总体来看，美国在该领域较为领先，拥有较强的技术积淀，但中国追赶的步伐也很快。日本推出量子计算机则表明，如今，其他国家距离中美也不远，甚至可能在一些应用领域率先取得突破。这种竞争态势恰恰表明量子计算本身仍处于一个起步和雏形阶段，各国、各企业的差距并不大，该技术还未经历真正的考验。

 

 

中国近年来大力推动量子科技，2016年8月，中国发射了世界上第一颗量子科学实验卫星墨子号。随着大国战略竞争的加剧，中国正在进行重大的国家性工程，以抢占量子技术领域的“制高点”。尽管美国在量子科技领域具有传统的技术优势，但该优势并非不可撼动。中国虽然是后来者，但这场竞争将是一场马拉松而非短跑，从长远来看，得到更多国家政策扶持的中国科学家将可能实现“弯道超车”。届时，中国或将凭借量子领域的技术优势，改变并重塑国家经济竞争力及军事竞争的格局，从而抵消美国目前享有的优势。

过去几年，中国成立了“量子信息与量子科技创新研究院”“量子信息科学国家实验室”等多个科研机构，专门从事尖端科技的研发工作。这些机构的研究人员在基础研究和量子技术发展方面不断取得进展，包括量子密码、通信与计算，以及量子雷达、传感、成像、计量和导航，并于最近创造了一项量子纠缠新的世界纪录。此外，以拓扑绝缘体为代表的量子材料的早期研究，可能使信息处理的新范式成为可能。中国2016年8月发射的全球首颗量子卫星“墨子”号已经成为其在科学领域实现大国崛起的象征。此后中国又在量子通信与计算领域启动了新的国家“重点项目计划”，必将推动其量子技术的进一步发展。

中国之所以重视在量子技术领域的竞争，是由于量子技术是军民两用技术的制高点之一。

其一，量子计算机。

超级计算具有广泛的用途，目前中国在超级计算机方面暂时领先。但随着量子计算机的发展，传统超级计算机将显得相形见拙。

量子计算机与传统计算机的一个主要区别是，传统计算机使用1和0存储信息并进行计算，而量子计算机使用的量子比特所能包含的信息则要多得多，理论上量子计算机的计算速度会大大超越传统计算机。2007年，D波公司宣布成功研制全球首台商用量子计算机，尽管在量子性等方面存在争议，但仍于2011年和2013年卖给美国洛克希德-马丁公司和谷歌公司各一台，其中卖给谷歌的量子计算机速度据称比普通计算机快3.55万倍。

多粒子纠缠的操纵作为量子计算的技术制高点，一直是国际角逐的焦点。在光子体系，潘建伟团队在国际上率先实现了五光子、六光子、八光子和十光子纠缠，一直保持着国际领先水平。

 

 

在超导体系，2015年，谷歌、美国航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵。这个记录在2017年被中国科学家团队打破。

其二，量子通讯网络。

将一个粒子的量子信息发向远处的另一个纠缠粒子，该粒子在接收到这些信息后，会成为原粒子的复制品。一个粒子可以传递有限的信息，而亿万个粒子联手，就形成量子网络。量子纠缠描述了这样一个现象:两个微观粒子位于宇宙空间中的两边，无论相隔多远也无论中间有什么物体的阻隔，只要这两个粒子彼此处于量子纠缠，则通过改变一个粒子的量子状态，就可以使非常遥远的另一个粒子状态也发生改变，信号超越了时空的阻隔，直接送达了另一个粒子那里。

量子网络通信不受山脉和水体的阻隔，可以与深海的潜艇或地下深处的指挥部瞬间通讯，并且讯号无法被拦截和干扰。量子网络将增强中国在军事、政府和商业领域敏感信息的通信安全，挫败美国的网络间谍和信号情报能力。

其三，量子加密。

在量子密码系统里，任何窃取者在偷看光子束时都会更动到它，而被发送者或接收者察觉。窃听者之所以刺探不到钥匙，是由于海森堡的测不准原理。当我们在测量量子态的某个性质时，会使另一个性质受到扰动。原则上，这种技术可以做出无法破解的密码钥匙。

 

 

迄今为止，中国已经投资数千万美元，建立了使用量子加密传输数据的网络。2016年，中国发射了一颗以古代哲学家墨子命名的卫星，利用量子加密技术成功实现了北京和维也纳之间的视频通话。量子加密与通信将确保中国在未来威胁面前更加安全。

量子计算机巨大的计算能力可以将对手没有经过量子加密的敏感信息系统置于风险之中，因此中国绝对不敢落后。

其四，量子雷达。

2012年，美国罗切斯特大学光学研究所的研究团队成功研发出一种抗干扰的量子雷达，这种雷达利用光子的量子特性来对目标进行成像。由于任何物体在接收到光子信号之后都会改变其量子特性，所以这种雷达能轻易探测到隐性飞机，而且几乎是不可被干扰的。

 

 

继中国自主研制的世界首颗量子科学试验卫星"墨子号"成功发射后，中国科学家在量子科学领域再传捷报。由电子科技集团第14研究所领衔研制的量子雷达取得突破性进展，完成了量子探测机理、目标散射特性研究以及量子探测原理的实验验证。 2016年8月，中国电科首部基于单光子检测的量子雷达系统在14所研制成功，达到国际先进水平。

其五，量子传感器。

量子传感器是根据量子力学规律，利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。美国陆军研究实验室传感器与电子设备局物理学家Qudsia Quraishi博士指出，下一代精确传感系统涉及量子传感器，量子传感器基于激光冷却原子，极可能大幅提升系统性能。激光冷却原子是小型相干气体原子，可以测量重力场或磁场变化，不仅非常精确，而且灵敏度很高。

美军正在探讨的量子传感技术领域包括：陀螺仪、磁力测定、重力梯度测量、下一代小型传感器以及原子电子技术。利用陀螺仪，可以测量物体旋转变化，因此原子陀螺仪可以用于精确导航和地震探测。重要的是，基于原子的导航不需要GPS信号，因此，可以在GPS拒止环境下使用。总之，量子传感技术将给美军带来诸多益处。