量子科技對(duì)中國(guó)有多重要

本報(bào)記者 倪浩 本報(bào)特約記者 任重

從2016年“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空，更多國(guó)人開(kāi)始關(guān)注量子通信這一“黑科技”，到2020年10月16日，中央政治局集中學(xué)習(xí)，量子科技已成為科技大國(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。接受《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者采訪的中國(guó)專家認(rèn)為，量子科技是真正的未來(lái)科技，在復(fù)雜的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，將擁有不可替代的戰(zhàn)略地位。

將帶來(lái)重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心副研究員袁嵐峰20日接受《環(huán)球時(shí)報(bào)》采訪時(shí)解釋說(shuō)，“量子”是一個(gè)數(shù)學(xué)概念。一個(gè)事物如果存在最小的不可分割的基本單位，我們就說(shuō)它是量子化的，并把最小單位稱為量子。例如電子是陰極射線的量子，光子是光的量子。又如在氫原子中，電子可以獲取的能量是量子化的，它只能處于某些能量上，而不能處于這些能量的中間地帶。

但量子科技并不是新近出現(xiàn)的新學(xué)科領(lǐng)域，它距離民眾并不遙遠(yuǎn)。量子科技發(fā)展逾百年，人類對(duì)量子科學(xué)的認(rèn)識(shí)和發(fā)展產(chǎn)生的現(xiàn)代信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信，還有高密度信息存儲(chǔ)、全球定位系統(tǒng)，這都是量子技術(shù)一些隱形應(yīng)用。信息時(shí)代的關(guān)鍵核心技術(shù)，如晶體管、激光、硬盤、GPS等是第一代量子技術(shù)的一些例子。

而現(xiàn)在，世界已進(jìn)入第二次量子技術(shù)革命時(shí)代，通過(guò)主動(dòng)人工設(shè)計(jì)和操控量子態(tài)發(fā)展量子技術(shù)和應(yīng)用。袁嵐峰認(rèn)為，量子科技被中央賦予前所未有的重視程度受之無(wú)愧，因?yàn)榱孔恿W(xué)和相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論。人類在20世紀(jì)基于量子力學(xué)了解了微觀世界，才產(chǎn)生了許多重大的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)明創(chuàng)造。例如導(dǎo)電性，就是有了量子力學(xué)后才能解釋清楚的。磁性也是如此。

量子科技的應(yīng)用為科技發(fā)展帶來(lái)無(wú)限的想象空間。那它將帶來(lái)哪些重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新呢？據(jù)介紹，目前全球一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量需要數(shù)百億個(gè)存儲(chǔ)量為1TB的硬盤，而未來(lái)量子存儲(chǔ)設(shè)備則只需要指甲蓋大小就能存儲(chǔ)人類幾百年的信息。這給高密度、低能耗的信息存儲(chǔ)帶來(lái)巨大想象空間，而基于此的大數(shù)據(jù)發(fā)展也將突飛猛進(jìn)。清華大學(xué)副校長(zhǎng)薛其坤說(shuō)，量子計(jì)算會(huì)顛覆性提高信息運(yùn)算處理速度，量子通信會(huì)大幅度提升通信安全性，量子精密測(cè)量和傳感技術(shù)會(huì)在未來(lái)數(shù)字時(shí)代和萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代有著廣泛的應(yīng)用。

此外，得益于量子保密通信的高度安全性，量子通信未來(lái)將在國(guó)防、財(cái)務(wù)和金融專網(wǎng)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉19日撰文表示，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。

袁嵐峰也對(duì)《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者說(shuō)，量子通信是中國(guó)目前少有的在全球領(lǐng)跑的科學(xué)領(lǐng)域，這是非常難能可貴的。整個(gè)量子信息領(lǐng)域非常廣闊，中國(guó)沒(méi)有理由不重視，不大力發(fā)展。

中國(guó)既有領(lǐng)先也存在短板

薛其坤介紹說(shuō)，中國(guó)在量子通信基礎(chǔ)研究有很多亮點(diǎn)，比如北斗時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)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衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用。“所以不管在基礎(chǔ)研究，還是在通信、量子計(jì)算包括精密測(cè)量和傳感上，我們國(guó)家都有很多可圈可點(diǎn)的東西?！?/p>

其中“墨子號(hào)”無(wú)疑是最具有代表性的成果。據(jù)公開(kāi)報(bào)道，“墨子號(hào)”于今年6月實(shí)現(xiàn)全球首次千公里級(jí)量子糾纏密鑰分發(fā)。潘建偉稱，這一實(shí)驗(yàn)成果將無(wú)中繼量子保密通信的空間距離提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并通過(guò)物理原理確保，即使在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下依然能實(shí)現(xiàn)安全的量子保密通信，取得了量子保密通信現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的重要突破。

路透社稱，按預(yù)定規(guī)劃，中國(guó)將陸續(xù)發(fā)射“墨子二號(hào)”“墨子三號(hào)”，到2025年前后構(gòu)建起全球首座由中國(guó)主導(dǎo)的量子星群。未來(lái)量子通信工程應(yīng)用、量子通信產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，均可全球領(lǐng)先。展望約15年后，中國(guó)定制的量子互聯(lián)網(wǎng)，有望取代今天美國(guó)主導(dǎo)的光纖互聯(lián)網(wǎng)。

薛其坤表示，未來(lái)10年在量子信息科學(xué)的發(fā)展中，中國(guó)科學(xué)家的研究將會(huì)整體進(jìn)入世界第一陣列，有些研究方向甚至?xí)缪菀I(lǐng)角色。因此未來(lái)10年，中國(guó)科學(xué)家對(duì)世界信息技術(shù)的貢獻(xiàn)將會(huì)超過(guò)以往40年對(duì)世界貢獻(xiàn)的總和，這將是中國(guó)科學(xué)家大有作為的10年。

袁嵐峰表示，在量子計(jì)算領(lǐng)域，中國(guó)稍微落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，不過(guò)各有特色；而在精密測(cè)量領(lǐng)域，中國(guó)整體上落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，同時(shí)發(fā)展迅速。薛其坤表示，“在量子技術(shù)上中國(guó)的短板和中國(guó)在信息技術(shù)的短板有點(diǎn)類似，所以要加強(qiáng)關(guān)鍵核心元器件這種高端的技術(shù)材料、設(shè)備的研發(fā)，這都是我們需要解決的一些短板?！?/p>

華安證券分析師尹沿枝認(rèn)為，當(dāng)前正處于國(guó)家“十四五”規(guī)劃編制的重要窗口期，中央集體學(xué)習(xí)量子科技，再次凸顯量子科技作為國(guó)家戰(zhàn)略的頂層設(shè)計(jì)。他表示，量子信息技術(shù)在面向“十四五”乃至更長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來(lái)，有望成為中國(guó)在全球科技產(chǎn)業(yè)中“換道超車”、掌握產(chǎn)業(yè)鏈話語(yǔ)權(quán)的重要核心技術(shù)，具有深遠(yuǎn)戰(zhàn)略意義。

各國(guó)激烈爭(zhēng)奪技術(shù)制高點(diǎn)

正是因?yàn)榱孔蛹夹g(shù)所蘊(yùn)含的巨大發(fā)展前景，量子科技領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。據(jù)了解，全球主要科技強(qiáng)國(guó)近期均出臺(tái)了國(guó)家層面的量子信息技術(shù)戰(zhàn)略計(jì)劃。美國(guó)正在建設(shè)量子網(wǎng)絡(luò)；英國(guó)建成了連接布里斯托、劍橋等地的量子網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)合新加坡啟動(dòng)了量子衛(wèi)星項(xiàng)目；德國(guó)、法國(guó)等19個(gè)歐盟成員國(guó)簽署了未來(lái)10年開(kāi)發(fā)和部署歐盟范圍內(nèi)量子通信基礎(chǔ)設(shè)施的聲明。

尹沿枝稱，美國(guó)近10年來(lái)，已通過(guò)“量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”等項(xiàng)目，以每年約2億美元的投入力度，持續(xù)支持量子信息各領(lǐng)域研究。歐盟2016年推出“量子宣言”旗艦計(jì)劃，在未來(lái)10年投資10億歐元，支持量子計(jì)算、通信、模擬和傳感四大領(lǐng)域的研究和應(yīng)用推廣，并在2018年11月正式啟動(dòng)首批20個(gè)研究項(xiàng)目。日本文部科學(xué)省2013年成立量子信息和通信研究促進(jìn)會(huì)以及量子科學(xué)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)，計(jì)劃未來(lái)十年內(nèi)投資400億日元，支持量子通信和量子信息領(lǐng)域的研發(fā)。

而美國(guó)尤其表現(xiàn)得雄心勃勃。2018年底，美國(guó)頒布了《國(guó)家量子倡議法案》，宣稱絕不能容忍在量子科技領(lǐng)域落后。2020年7月23日，美國(guó)能源部宣布了建設(shè)量子互聯(lián)網(wǎng)的藍(lán)圖。10月7日，美國(guó)發(fā)布的《國(guó)家量子信息科學(xué)戰(zhàn)略投入的量子前沿報(bào)告》宣布，美國(guó)將在量子信息科學(xué)領(lǐng)域保持領(lǐng)導(dǎo)地位，作為確保美國(guó)長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)繁榮和國(guó)家安全的關(guān)鍵優(yōu)先事項(xiàng)。袁嵐峰說(shuō)，“這些文件都表明，美國(guó)非常重視量子科技，決心用國(guó)家的力量大量投入?！?/p>

目前，量子科技的競(jìng)爭(zhēng)并非只局限于政府之間，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)也非常激烈。潘建偉說(shuō)，谷歌、微軟、IBM、英特爾等國(guó)際巨頭企業(yè)積極投入量子計(jì)算研發(fā)。尹沿枝表示，美國(guó)的這些企業(yè)近年來(lái)大舉進(jìn)軍量子計(jì)算領(lǐng)域，并且與耶魯大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)系統(tǒng)等科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)共性技術(shù)，主要集中在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域，目前這些企業(yè)已經(jīng)在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域取得較好成果。另外，在產(chǎn)業(yè)化方面，IBM發(fā)布超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算云平臺(tái)。而谷歌也推出了72比特的量子計(jì)算芯片“狐尾松”。▲