中美對決“量子霸權”?_風聞
量子学派-量子学派官方账号-专注于自然科学领域(数理哲)的教育平台2019-03-25 23:00
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來自於微觀世界的對決,
才是未來最宏大的較量……
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”文章出現後,半天點擊破15萬,評論數超過300條,宣稱“量子加密技術隱藏着重大缺陷”,搞得中國五位量子通信專家不得不出來闢謠,苦口婆心跟大家解釋《關於量子保密通信現實安全性的討論》。
經證實該文源於美國《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表的內容,搞得該研究組的同學也心驚膽戰,趕緊出來聲明**“我們沒有否定量子密鑰分發安全性,只是擔心源端出現問題”。**
一句話總結就是:理論沒有問題,工程技術可能有漏洞。
也就是説:萬有引力沒有問題,衞星製造可能會出問題。
像過去100年一樣,量子科學雖然經常被質疑,但每次都是虛驚一場。雖然是一件小事情,但也能看得出社會對量子科學的關注。同時,從國家層面來講,對於這種前瞻性又備受爭議的技術,必須非常謹慎。一方面擔心有些公司可能在裏面混水摸魚,騙取國家經費,另一方面又要認識到量子技術是“國之利器”,它會在經濟、軍事、科研、安全等領域迅速建立全方位的科技優勢。
量子科學屬於時代最前沿的方向,實力強大的國家都在這個領域投入“兵力”,現在這個領域能夠正面對決的,仍然是中美兩個大國。
技術佈局:美國持“矛”,中國握“盾”
量子理論始於1900年,由物理學家普朗克提出來,那個時候中國人還扎着辮子,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、愛因斯坦、薛定諤等大科學家的努力下逐漸變得完善。
到了20世紀下半葉進入應用時代,“第一次量子革命”為能源、信息科學、生命科學和材料科學作出巨大貢獻,美國成為“第一次量子革命”領跑者,硅谷就是量子技術的“結晶”。
進入21世紀後,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”處於臨界點,站上世界舞台的中國“量子軍團”開始崛起。
時至2019年,誰先攻克量子理論在“計算”和“通訊”這兩方面的應用,誰就有可能贏得未來。
在量子計算機方面,美國處於領跑狀態。
2017年,美國企業IBM發佈“50比特量子計算機樣機”,全世界為之震動。
2018年,美國企業英特爾發佈“49比特量子芯片”,開始朝產業落地方向發力。
2018年,美國谷歌公司宣佈推出一款72個量子比特的通用量子計算機Bristlecone。
美國各大公司仍然在宣佈自己的“新量子技術”,迫不及待搶佔話語權,目的就在搶佔行業方向,制定未來標準。
而在量子通訊方面,中國則稍微領先半個身位。
2016年,中國研製的世界首顆量子實驗衞星“墨子號”成功發射,並首次成功實現千公里級的星地雙向量子通信,領先國際相關技術水平至少5年。
在量子技術最核心的兩個領域:中美各有所長,但互有競爭。
從技術的本質上來講,量子計算機具有進攻性,而量子通訊更貼近防守。如果説量子計算機是“矛”,那量子通訊就是“盾”。
現在的情況是美國拿着“矛”,中國握着“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:**竊聽量子密鑰會造成量子態潰縮,從而使加密密鑰無法傳輸,那麼加密方就能發現有第三者窺探,可立即終止信號傳輸!**量子通訊有點像“終極之盾”,這是由理論本身決定的,所有的破綻在於工程技術。
經過近20年的努力,中國在這個領域處於領先地位。
我們這裏重點關注量子計算這支“矛”的問題,這個領域競爭更激烈,也是現在各國搶佔“量子霸權”制高點。
從技術原理上講,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,比特運算有一個缺點,在同一時間只能處理一個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”理論,一個“量比特”不僅僅存在於傳統的0和1狀態中,還可以是一種兩者連續或重疊狀態。因為量子具有不確定性,也就是説,普通計算機n比特可以描述2n個整數,但n個量子比特可以同時描述2^n個複數,複數向量意味着什麼,看看下圖就明白,意味着任何一個數都是“何方可化身千億, 一樹梅花一放翁”!
理論上來説,一個Qubit就可以儲存無限信息,“量子計算”是利用平行宇宙來計算,有超強的並行能力。
◆量子計算如果能控制“50個量比特”,計算能力將超越“天河2號”稱霸全球。
◆量子計算如果能控制“80個量比特”,一台量子計算機超過現在全世界所有算力之和。
◆量子計算如果能控制“300個量比特”,就能支持比宇宙中所有粒子數量更多的並行計算。
算力即權力,誰先奪取“量子霸權”,誰就能主導未來的發展方向,這也是中美兩國“深淵下的較量”,也是一場誰都不願輸的競爭。
多國參與“量子霸權”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,還有很多國家都會進入“量子計算”這個領域。
○2018年,歐盟投入10億歐元實施“量子旗艦”計劃。
○一衣帶水的日本,除了企業投入之外,政府也在量子科學中投資3.6億美元。
○英國政府則在牛津大學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成立量子計算公司。
實現“量子霸權”有兩個關鍵性指標:可控數量和相干時長。
① 量子比特可控制數量,50個量比特是“量子大國俱樂部”的標準門檻;
② 量子相干的可控時長,也就是所謂的“量子糾錯容錯能力”。
來自微觀世界的對決,僅僅領先控制量比特的數量是不夠的,還要保證它時間上的“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藍圖,包括5點技術和2個輔助條件:
❶一個能表徵量子比特並可擴展物理系統;
❷能夠把量子比特初始化為一個標準態;
❸保證在系統退相干前完成整個量子計算;
❹構造一系列普適的量子門完成量子計算;
❺具備對量子計算的末態進行測量的能力。
還有兩個輔助條件是:
①在靜止量子比特和飛行量子比特之間實現量子信息的轉換;
②具備在節點間實現量子比特傳輸的能力。
基本的理論技術沒有太大區別,最終的勝負還是在於工程的實現路徑,**所以技術理論上美國珠玉在前,但工程實現上中國有自己的舉國優勢,**誰能實現50個量比特的通用量子計算機,還須時間來進行檢驗。
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”**距今已經近40年,那個時候的中國,剛開始處於改革開放初期,大家剛剛睜開眼睛看世界,很多人還將“量子理論”視為妖術,因為它特別接近於“唯心論”。
一直到很多中國優秀科學家開始研究量子理論時,中國在量子技術的研究上比西方國家晚了20年,不過今天的中國,在量子領域已有舉世矚目的成就。
這些年來中國的量子科學技術發展迅速:
2010年,中國成功實現當時世界上最遠距離16公里的量子態隱形傳輸。
2013年6月,中國科首次成功實現用量子計算機求解線性方程組的實驗。
2016年8月,世界首顆空間量子科學實驗衞星“墨子號”發射升空。
2017年5月,世界上第一台超越經典5量子比特計算機在中國誕生。
2018年7月,中國完成了對18個量子比特的262144種狀態的同時測量。
今天,中國量子科研論文發表量排名全球第一、專利應用排名第二。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”,實現了中國軍團的“量子躍遷”之路。
量子科學:和平時代的“核力量”
談到量子力學,大家想到的都是神秘玄奧的科學知識,還有人在懷疑這是一個“妖言惑眾”的領域。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” 來形容的學科,普通人要完全理解很有難度。
事實上,作為20世紀與相對論並列的偉大理論,量子理論在實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物,可以説沒有量子力學,就沒有現代文明。
現在競爭集中在量子計算上。在一個“算力為王”的互聯網時代,量子計算技術一旦突破,掌握這種能力的國家,會在經濟、軍事、科研、安全等領域崛起成為“超級強國”,相當於掌握和平時期的“核力量”,動用這種力量,現在的銀行安全體系,互聯網賬號體系,各種加密通訊都成了“紙糊的燈籠”。
科學技術的發展不是為了尋求霸權,量子理論的應用是為全人類造福。但只要國家存在,我們必須承認競爭不可避免,而來自於微觀世界的對決,才是未來最宏大的較量……