量子世界，再起波瀾

2019年3月初，一篇題為“量子加密驚現破綻”文章出現后，半天點(diǎn)擊破15萬(wàn)，評論數超過(guò)300條，宣稱(chēng)“量子加密技術(shù)隱藏著(zhù)重大缺陷”，搞得中國五位量子通信專(zhuān)家不得不出來(lái)辟謠，苦口婆心跟大家解釋《關(guān)于量子保密通信現實(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》一篇報道，該報道援引了上海交大某研究組的一篇尚未正式發(fā)表的內容，搞得該研究組的同學(xué)也心驚膽戰，趕緊出來(lái)聲明“我們沒(méi)有否定量子密鑰分發(fā)安全性，只是擔心源端出現問(wèn)題”。

一句話(huà)總結就是：理論沒(méi)有問(wèn)題，工程技術(shù)可能有漏洞。

也就是說(shuō)：萬(wàn)有引力沒(méi)有問(wèn)題，衛星制造可能會(huì )出問(wèn)題。

像過(guò)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(chǎng)。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(lái)講，對于這種前瞻性又備受爭議的技術(shù)，必須非常謹慎。一方面擔心有些公司可能在里面混水摸魚(yú)，騙取國家經(jīng)費，另一方面又要認識到量子技術(shù)是“國之利器”，它會(huì )在經(jīng)濟、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)力強大的國家都在這個(gè)領(lǐng)域投入“兵力”，現在這個(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(lái)，那個(gè)時(shí)候中國人還扎著(zhù)辮子，當然也就只能當現代文明的看客了。

20世紀初，量子理論在玻爾、海森堡、狄拉克、玻恩、愛(ài)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世紀下半葉進(jìn)入應用時(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，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“結晶”。

進(jìn)入21世紀后，量子理論的應用更加成熟，以量子通信和量子計算機為代表的“第二次量子革命”處于臨界點(diǎn)，站上世界舞臺的中國“量子軍團”開(kāi)始崛起。

時(shí)至2019年，誰(shuí)先攻克量子理論在“計算”和“通訊”這兩方面的應用，誰(shuí)就有可能贏(yíng)得未來(lái)。

在量子計算機方面，美國處于領(lǐng)跑狀態(tài)。

2017年，美國企業(yè)IBM發(fā)布“50比特量子計算機樣機”，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(kāi)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算機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(huà)語(yǔ)權，目的就在搶占行業(yè)方向，制定未來(lái)標準。

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)驗衛星“墨子號”成功發(fā)射，并首次成功實(shí)現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(cháng)，但互有競爭。

從技術(shù)的本質(zhì)上來(lái)講，量子計算機具有進(jìn)攻性，而量子通訊更貼近防守。如果說(shuō)量子計算機是“矛”，那量子通訊就是“盾”。

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

量子計算機：算力即權力

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(tīng)量子密鑰會(huì )造成量子態(tài)潰縮，從而使加密密鑰無(wú)法傳輸，那么加密方就能發(fā)現有第三者窺探，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(guò)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)注量子計算這支“矛”的問(wèn)題，這個(gè)領(lǐng)域競爭更激烈，也是現在各國搶占“量子霸權”制高點(diǎn)。

從技術(shù)原理上講，量子計算機在原理上顛覆了傳統計算機。

在傳統計算機的經(jīng)典模型中，0或是1這就是傳統計算機底層的世界，比特運算有一個(gè)缺點(diǎn)，在同一時(shí)間只能處理一個(gè)Bit，計算能力受到限制。而在量子計算機中，利用的是“量子疊加態(tài)”理論，一個(gè)“量比特”不僅僅存在于傳統的0和1狀態(tài)中，還可以是一種兩者連續或重疊狀態(tài)。因為量子具有不確定性，也就是說(shuō)，普通計算機n比特可以描述2n個(gè)整數，但n個(gè)量子比特可以同時(shí)描述2^n個(gè)復數，復數向量意味著(zhù)什么，看看下圖就明白，意味著(zhù)任何一個(gè)數都是“何方可化身千億, 一樹(shù)梅花一放翁”！

理論上來(lái)說(shuō)，一個(gè)Qubit就可以?xún)Υ鏌o(wú)限信息，“量子計算”是利用平行宇宙來(lái)計算，有超強的并行能力。

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

• 量子計算如果能控制“80個(gè)量比特”，一臺量子計算機超過(guò)現在全世界所有算力之和。

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

算力即權力，誰(shuí)先奪取“量子霸權”，誰(shuí)就能主導未來(lái)的發(fā)展方向，這也是中美兩國“深淵下的較量”，也是一場(chǎng)誰(shuí)都不愿輸的競爭。

多國參與“量子霸權”之爭

一旦誰(shuí)先擁有了量子算力，誰(shuí)就有可能成為新的世界玩家?！?/p>

除了中美兩國之外，還有很多國家都會(huì )進(jìn)入“量子計算”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(wàn)澳元在新南威爾士大學(xué)成立量子計算公司。

實(shí)現“量子霸權”有兩個(gè)關(guān)鍵性指標：可控數量和相干時(shí)長(cháng)。

1. 量子比特可控制數量，50個(gè)量比特是“量子大國俱樂(lè )部”的標準門(mén)檻；

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

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

現在全世界參考的仍然是美國建造量子計算機的技術(shù)藍圖，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展物理系統；

2. 能夠把量子比特初始化為一個(gè)標準態(tài)；

3. 保證在系統退相干前完成整個(gè)量子計算；

4. 構造一系列普適的量子門(mén)完成量子計算；

5. 具備對量子計算的末態(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)現量子信息的轉換；

2. 具備在節點(diǎn)間實(shí)現量子比特傳輸的能力。

基本的理論技術(shù)沒(méi)有太大區別，最終的勝負還是在于工程的實(shí)現路徑，所以技術(shù)理論上美國珠玉在前，但工程實(shí)現上中國有自己的舉國優(yōu)勢，誰(shuí)能實(shí)現50個(gè)量比特的通用量子計算機，還須時(shí)間來(lái)進(jìn)行檢驗。

中國的“量子躍遷”之路

20世紀80年代，諾獎得主理查德·費曼提出“量子計算”距今已經(jīng)近40年，那個(gè)時(shí)候的中國，剛開(kāi)始處于改革開(kāi)放初期，大家剛剛睜開(kāi)眼睛看世界，很多人還將“量子理論”視為妖術(shù)，因為它特別接近于“唯心論”。

一直到很多中國優(yōu)秀科學(xué)家開(kāi)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(guò)今天的中國，在量子領(lǐng)域已有舉世矚目的成就。

這些年來(lái)中國的量子科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速：

2010年，中國成功實(shí)現當時(shí)世界上最遠距離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)現用量子計算機求解線(xiàn)性方程組的實(shí)驗。

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

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

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(zhuān)利應用排名第二。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(yíng)”，實(shí)現了中國軍團的“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(ài)因斯坦和玻爾用 “上帝跟宇宙玩擲骰子” 來(lái)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世紀與相對論并列的偉大理論，量子理論在實(shí)際生活中的應用十分廣泛。

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(shuō)沒(méi)有量子力學(xué)，就沒(méi)有現代文明。

現在競爭集中在量子計算上。在一個(gè)“算力為王”的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，量子計算技術(shù)一旦突破，掌握這種能力的國家，會(huì )在經(jīng)濟、軍事、科研、安全等領(lǐng)域崛起成為“超級強國”，相當于掌握和平時(shí)期的“核力量”，動(dòng)用這種力量，現在的銀行安全體系，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，量子理論的應用是為全人類(lèi)造福。但只要國家存在，我們必須承認競爭不可避免，而來(lái)自于微觀(guān)世界的對決，才是未來(lái)最宏大的較量。