中美對決“量子霸權”？_風聞

本文首發於量子學派微信公眾號，ID：quantumschool

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……