量子世界，再起波瀾

2019年3月初，一篇題為“量子加密驚現(xiàn)破綻”文章出現(xiàn)后，半天點(diǎn)擊破15萬，評論數(shù)超過300條，宣稱“量子加密技術(shù)隱藏著重大缺陷”，搞得中國五位量子通信專家不得不出來辟謠，苦口婆心跟大家解釋《關(guān)于量子保密通信現(xiàn)實(shí)安全性的討論》。

經(jīng)證實(shí)該文源于美國《麻省理工科技評論》一篇報(bào)道，該報(bào)道援引了上海交大某研究組的一篇尚未正式發(fā)表的內(nèi)容，搞得該研究組的同學(xué)也心驚膽戰(zhàn)，趕緊出來聲明“我們沒有否定量子密鑰分發(fā)安全性，只是擔(dān)心源端出現(xiàn)問題”。

一句話總結(jié)就是：理論沒有問題，工程技術(shù)可能有漏洞。

也就是說：萬有引力沒有問題，衛(wèi)星制造可能會(huì)出問題。

像過去100年一樣，量子科學(xué)雖然經(jīng)常被質(zhì)疑，但每次都是虛驚一場。雖然是一件小事情，但也能看得出社會(huì)對量子科學(xué)的關(guān)注。同時(shí)，從國家層面來講，對于這種前瞻性又備受爭議的技術(shù)，必須非常謹(jǐn)慎。一方面擔(dān)心有些公司可能在里面混水摸魚，騙取國家經(jīng)費(fèi)，另一方面又要認(rèn)識到量子技術(shù)是“國之利器”，它會(huì)在經(jīng)濟(jì)、軍事、科研、安全等領(lǐng)域迅速建立全方位的科技優(yōu)勢。

量子科學(xué)屬于時(shí)代最前沿的方向，實(shí)力強(qiáng)大的國家都在這個(gè)領(lǐng)域投入“兵力”，現(xiàn)在這個(gè)領(lǐng)域能夠正面對決的，仍然是中美兩個(gè)大國。

技術(shù)布局：美國持“矛”，中國握“盾”

量子理論始于1900年，由物理學(xué)家普朗克提出來，那個(gè)時(shí)候中國人還扎著辮子，當(dāng)然也就只能當(dāng)現(xiàn)代文明的看客了。

20世紀(jì)初，量子理論在玻爾、海森堡、狄拉克、玻恩、愛因斯坦、薛定諤等大科學(xué)家的努力下逐漸變得完善。

到了20世紀(jì)下半葉進(jìn)入應(yīng)用時(shí)代，“第一次量子革命”為能源、信息科學(xué)、生命科學(xué)和材料科學(xué)作出巨大貢獻(xiàn)，美國成為“第一次量子革命”領(lǐng)跑者，硅谷就是量子技術(shù)的“結(jié)晶”。

進(jìn)入21世紀(jì)后，量子理論的應(yīng)用更加成熟，以量子通信和量子計(jì)算機(jī)為代表的“第二次量子革命”處于臨界點(diǎn)，站上世界舞臺(tái)的中國“量子軍團(tuán)”開始崛起。

時(shí)至2019年，誰先攻克量子理論在“計(jì)算”和“通訊”這兩方面的應(yīng)用，誰就有可能贏得未來。

在量子計(jì)算機(jī)方面，美國處于領(lǐng)跑狀態(tài)。

2017年，美國企業(yè)IBM發(fā)布“50比特量子計(jì)算機(jī)樣機(jī)”，全世界為之震動(dòng)。

2018年，美國企業(yè)英特爾發(fā)布“49比特量子芯片”，開始朝產(chǎn)業(yè)落地方向發(fā)力。

2018年，美國谷歌公司宣布推出一款72個(gè)量子比特的通用量子計(jì)算機(jī)Bristlecone。

美國各大公司仍然在宣布自己的“新量子技術(shù)”，迫不及待搶占話語權(quán)，目的就在搶占行業(yè)方向，制定未來標(biāo)準(zhǔn)。

而在量子通訊方面，中國則稍微領(lǐng)先半個(gè)身位。

2016年，中國研制的世界首顆量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射，并首次成功實(shí)現(xiàn)千公里級的星地雙向量子通信，領(lǐng)先國際相關(guān)技術(shù)水平至少5年。

在量子技術(shù)最核心的兩個(gè)領(lǐng)域：中美各有所長，但互有競爭。

從技術(shù)的本質(zhì)上來講，量子計(jì)算機(jī)具有進(jìn)攻性，而量子通訊更貼近防守。如果說量子計(jì)算機(jī)是“矛”，那量子通訊就是“盾”。

現(xiàn)在的情況是美國拿著“矛”，中國握著“盾”。雖未正面硬剛，但也各忖機(jī)鋒。

量子計(jì)算機(jī)：算力即權(quán)力

量子通訊的理論基石是“量子退相干”理論，具體可以解釋為：竊聽量子密鑰會(huì)造成量子態(tài)潰縮，從而使加密密鑰無法傳輸，那么加密方就能發(fā)現(xiàn)有第三者窺探，可立即終止信號傳輸。量子通訊有點(diǎn)像“終極之盾”，這是由理論本身決定的，所有的破綻在于工程技術(shù)。

經(jīng)過近20年的努力，中國在這個(gè)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

我們這里重點(diǎn)關(guān)注量子計(jì)算這支“矛”的問題，這個(gè)領(lǐng)域競爭更激烈，也是現(xiàn)在各國搶占“量子霸權(quán)”制高點(diǎn)。

從技術(shù)原理上講，量子計(jì)算機(jī)在原理上顛覆了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的經(jīng)典模型中，0或是1這就是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)底層的世界，比特運(yùn)算有一個(gè)缺點(diǎn)，在同一時(shí)間只能處理一個(gè)Bit，計(jì)算能力受到限制。而在量子計(jì)算機(jī)中，利用的是“量子疊加態(tài)”理論，一個(gè)“量比特”不僅僅存在于傳統(tǒng)的0和1狀態(tài)中，還可以是一種兩者連續(xù)或重疊狀態(tài)。因?yàn)榱孔泳哂胁淮_定性，也就是說，普通計(jì)算機(jī)n比特可以描述2n個(gè)整數(shù)，但n個(gè)量子比特可以同時(shí)描述2^n個(gè)復(fù)數(shù)，復(fù)數(shù)向量意味著什么，看看下圖就明白，意味著任何一個(gè)數(shù)都是“何方可化身千億, 一樹梅花一放翁”！

理論上來說，一個(gè)Qubit就可以儲(chǔ)存無限信息，“量子計(jì)算”是利用平行宇宙來計(jì)算，有超強(qiáng)的并行能力。

• 量子計(jì)算如果能控制“50個(gè)量比特”，計(jì)算能力將超越“天河2號”稱霸全球。

• 量子計(jì)算如果能控制“80個(gè)量比特”，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)超過現(xiàn)在全世界所有算力之和。

• 量子計(jì)算如果能控制“300個(gè)量比特”，就能支持比宇宙中所有粒子數(shù)量更多的并行計(jì)算。

算力即權(quán)力，誰先奪取“量子霸權(quán)”，誰就能主導(dǎo)未來的發(fā)展方向，這也是中美兩國“深淵下的較量”，也是一場誰都不愿輸?shù)母偁帯?/p>

多國參與“量子霸權(quán)”之爭

一旦誰先擁有了量子算力，誰就有可能成為新的世界玩家。　

除了中美兩國之外，還有很多國家都會(huì)進(jìn)入“量子計(jì)算”這個(gè)領(lǐng)域?！?/p>

• 2018年，歐盟投入10億歐元實(shí)施“量子旗艦”計(jì)劃。

• 一衣帶水的日本，除了企業(yè)投入之外，政府也在量子科學(xué)中投資3.6億美元。

• 英國政府則在牛津大學(xué)等高校建立量子研究中心，投入約2.5億美元培養(yǎng)人才。

• 荷蘭向代爾夫特理工大學(xué)投資1.4億美元研究量子計(jì)算。

• 加拿大已投入2.1億美元資助滑鐵盧大學(xué)的量子研究。

• 澳大利亞政府、銀行等出資8300萬澳元在新南威爾士大學(xué)成立量子計(jì)算公司。

實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”有兩個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)：可控?cái)?shù)量和相干時(shí)長。

1. 量子比特可控制數(shù)量，50個(gè)量比特是“量子大國俱樂部”的標(biāo)準(zhǔn)門檻；

2. 量子相干的可控時(shí)長，也就是所謂的“量子糾錯(cuò)容錯(cuò)能力”。

來自微觀世界的對決，僅僅領(lǐng)先控制量比特的數(shù)量是不夠的，還要保證它時(shí)間上的“相干性”。

現(xiàn)在全世界參考的仍然是美國建造量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)藍(lán)圖，包括5點(diǎn)技術(shù)和2個(gè)輔助條件：

1. 一個(gè)能表征量子比特并可擴(kuò)展物理系統(tǒng)；

2. 能夠把量子比特初始化為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)；

3. 保證在系統(tǒng)退相干前完成整個(gè)量子計(jì)算；

4. 構(gòu)造一系列普適的量子門完成量子計(jì)算；

5. 具備對量子計(jì)算的末態(tài)進(jìn)行測量的能力。

還有兩個(gè)輔助條件是：

1. 在靜止量子比特和飛行量子比特之間實(shí)現(xiàn)量子信息的轉(zhuǎn)換；

2. 具備在節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)量子比特傳輸?shù)哪芰Α?/p>

基本的理論技術(shù)沒有太大區(qū)別，最終的勝負(fù)還是在于工程的實(shí)現(xiàn)路徑，所以技術(shù)理論上美國珠玉在前，但工程實(shí)現(xiàn)上中國有自己的舉國優(yōu)勢，誰能實(shí)現(xiàn)50個(gè)量比特的通用量子計(jì)算機(jī)，還須時(shí)間來進(jìn)行檢驗(yàn)。

中國的“量子躍遷”之路

20世紀(jì)80年代，諾獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼提出“量子計(jì)算”距今已經(jīng)近40年，那個(gè)時(shí)候的中國，剛開始處于改革開放初期，大家剛剛睜開眼睛看世界，很多人還將“量子理論”視為妖術(shù)，因?yàn)樗貏e接近于“唯心論”。

一直到很多中國優(yōu)秀科學(xué)家開始研究量子理論時(shí)，中國在量子技術(shù)的研究上比西方國家晚了20年，不過今天的中國，在量子領(lǐng)域已有舉世矚目的成就。

這些年來中國的量子科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速：

2010年，中國成功實(shí)現(xiàn)當(dāng)時(shí)世界上最遠(yuǎn)距離16公里的量子態(tài)隱形傳輸。

2013年6月，中國科首次成功實(shí)現(xiàn)用量子計(jì)算機(jī)求解線性方程組的實(shí)驗(yàn)。

2016年8月，世界首顆空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。

2017年5月，世界上第一臺(tái)超越經(jīng)典5量子比特計(jì)算機(jī)在中國誕生。

2018年7月，中國完成了對18個(gè)量子比特的262144種狀態(tài)的同時(shí)測量。

今天，中國量子科研論文發(fā)表量排名全球第一、專利應(yīng)用排名第二。在“第二次量子革命”的起步階段，中國異軍突起，躍入國際“第一陣營”，實(shí)現(xiàn)了中國軍團(tuán)的“量子躍遷”之路。

量子科學(xué)：和平時(shí)代的“核力量”

談到量子力學(xué)，大家想到的都是神秘玄奧的科學(xué)知識，還有人在懷疑這是一個(gè)“妖言惑眾”的領(lǐng)域。這不能怪普通人，這可是被愛因斯坦和玻爾用 “上帝跟宇宙玩擲骰子” 來形容的學(xué)科，普通人要完全理解很有難度。

事實(shí)上，作為20世紀(jì)與相對論并列的偉大理論，量子理論在實(shí)際生活中的應(yīng)用十分廣泛。

電腦中的硅基芯片、二極管、三極管、原子鐘、激光都是量子理論的產(chǎn)物，可以說沒有量子力學(xué)，就沒有現(xiàn)代文明。

現(xiàn)在競爭集中在量子計(jì)算上。在一個(gè)“算力為王”的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，量子計(jì)算技術(shù)一旦突破，掌握這種能力的國家，會(huì)在經(jīng)濟(jì)、軍事、科研、安全等領(lǐng)域崛起成為“超級強(qiáng)國”，相當(dāng)于掌握和平時(shí)期的“核力量”，動(dòng)用這種力量，現(xiàn)在的銀行安全體系，互聯(lián)網(wǎng)賬號體系，各種加密通訊都成了“紙糊的燈籠”。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不是為了尋求霸權(quán)，量子理論的應(yīng)用是為全人類造福。但只要國家存在，我們必須承認(rèn)競爭不可避免，而來自于微觀世界的對決，才是未來最宏大的較量。