中美对决“量子霸权”?
2019-03-27 08:00

中美对决“量子霸权”?

本文来自微信公众号:量子学派(ID: quantumschool),作者:李刚,编辑:Hypercube。头图来自:视觉中国


来自于微观世界的对决,才是未来最宏大的较量。


量子世界,再起波澜


2019年3月初,一篇题为“量子加密惊现破绽”文章出现后,半天点击破15万,评论数超过300条,宣称“量子加密技术隐藏着重大缺陷”,搞得中国五位量子通信专家不得不出来辟谣,苦口婆心跟大家解释《关于量子保密通信现实安全性的讨论》。


经证实该文源于美国《麻省理工科技评论》一篇报道,该报道援引了上海交大某研究组的一篇尚未正式发表的内容,搞得该研究组的同学也心惊胆战,赶紧出来声明“我们没有否定量子密钥分发安全性,只是担心源端出现问题”。


一句话总结就是:理论没有问题,工程技术可能有漏洞。


也就是说:万有引力没有问题,卫星制造可能会出问题。


像过去100年一样,量子科学虽然经常被质疑,但每次都是虚惊一场。虽然是一件小事情,但也能看得出社会对量子科学的关注。同时,从国家层面来讲,对于这种前瞻性又备受争议的技术,必须非常谨慎。一方面担心有些公司可能在里面混水摸鱼,骗取国家经费,另一方面又要认识到量子技术是“国之利器”,它会在经济、军事、科研、安全等领域迅速建立全方位的科技优势。


量子科学属于时代最前沿的方向,实力强大的国家都在这个领域投入“兵力”,现在这个领域能够正面对决的,仍然是中美两个大国。



技术布局:美国持“矛”,中国握“盾”


量子理论始于1900年,由物理学家普朗克提出来,那个时候中国人还扎着辫子,当然也就只能当现代文明的看客了。


20世纪初,量子理论在玻尔、海森堡、狄拉克、玻恩、爱因斯坦、薛定谔等大科学家的努力下逐渐变得完善。


到了20世纪下半叶进入应用时代,“第一次量子革命”为能源、信息科学、生命科学和材料科学作出巨大贡献,美国成为“第一次量子革命”领跑者,硅谷就是量子技术的“结晶”。


进入21世纪后,量子理论的应用更加成熟,以量子通信和量子计算机为代表的“第二次量子革命”处于临界点,站上世界舞台的中国“量子军团”开始崛起。


时至2019年,谁先攻克量子理论在“计算”和“通讯”这两方面的应用,谁就有可能赢得未来。


在量子计算机方面,美国处于领跑状态。


2017年,美国企业IBM发布“50比特量子计算机样机”,全世界为之震动。


2018年,美国企业英特尔发布“49比特量子芯片”,开始朝产业落地方向发力。


2018年,美国谷歌公司宣布推出一款72个量子比特的通用量子计算机Bristlecone。


美国各大公司仍然在宣布自己的“新量子技术”,迫不及待抢占话语权,目的就在抢占行业方向,制定未来标准。


而在量子通讯方面,中国则稍微领先半个身位。


2016年,中国研制的世界首颗量子实验卫星“墨子号”成功发射,并首次成功实现千公里级的星地双向量子通信,领先国际相关技术水平至少5年。


在量子技术最核心的两个领域:中美各有所长,但互有竞争。


从技术的本质上来讲,量子计算机具有进攻性,而量子通讯更贴近防守。如果说量子计算机是“矛”,那量子通讯就是“盾”。


现在的情况是美国拿着“矛”,中国握着“盾”。虽未正面硬刚,但也各忖机锋。



量子计算机:算力即权力


量子通讯的理论基石是“量子退相干”理论,具体可以解释为:窃听量子密钥会造成量子态溃缩,从而使加密密钥无法传输,那么加密方就能发现有第三者窥探,可立即终止信号传输。量子通讯有点像“终极之盾”,这是由理论本身决定的,所有的破绽在于工程技术。


经过近20年的努力,中国在这个领域处于领先地位。


我们这里重点关注量子计算这支“矛”的问题,这个领域竞争更激烈,也是现在各国抢占“量子霸权”制高点。


从技术原理上讲,量子计算机在原理上颠覆了传统计算机。


在传统计算机的经典模型中,0或是1这就是传统计算机底层的世界,比特运算有一个缺点,在同一时间只能处理一个Bit,计算能力受到限制。而在量子计算机中,利用的是“量子叠加态”理论,一个“量比特”不仅仅存在于传统的0和1状态中,还可以是一种两者连续或重叠状态。因为量子具有不确定性,也就是说,普通计算机n比特可以描述2n个整数,但n个量子比特可以同时描述2^n个复数,复数向量意味着什么,看看下图就明白,意味着任何一个数都是“何方可化身千亿, 一树梅花一放翁”!



理论上来说,一个Qubit就可以储存无限信息,“量子计算”是利用平行宇宙来计算,有超强的并行能力。


  • 量子计算如果能控制“50个量比特”,计算能力将超越“天河2号”称霸全球。


  • 量子计算如果能控制“80个量比特”,一台量子计算机超过现在全世界所有算力之和。


  • 量子计算如果能控制“300个量比特”,就能支持比宇宙中所有粒子数量更多的并行计算。


算力即权力,谁先夺取“量子霸权”,谁就能主导未来的发展方向,这也是中美两国“深渊下的较量”,也是一场谁都不愿输的竞争。


多国参与“量子霸权”之争


一旦谁先拥有了量子算力,谁就有可能成为新的世界玩家。 


除了中美两国之外,还有很多国家都会进入“量子计算”这个领域。 


  • 2018年,欧盟投入10亿欧元实施“量子旗舰”计划。


  • 一衣带水的日本,除了企业投入之外,政府也在量子科学中投资3.6亿美元。


  • 英国政府则在牛津大学等高校建立量子研究中心,投入约2.5亿美元培养人才。


  • 荷兰向代尔夫特理工大学投资1.4亿美元研究量子计算。


  • 加拿大已投入2.1亿美元资助滑铁卢大学的量子研究。


  • 澳大利亚政府、银行等出资8300万澳元在新南威尔士大学成立量子计算公司。



实现“量子霸权”有两个关键性指标:可控数量和相干时长。


1. 量子比特可控制数量,50个量比特是“量子大国俱乐部”的标准门槛;


2. 量子相干的可控时长,也就是所谓的“量子纠错容错能力”。


来自微观世界的对决,仅仅领先控制量比特的数量是不够的,还要保证它时间上的“相干性”。


现在全世界参考的仍然是美国建造量子计算机的技术蓝图,包括5点技术和2个辅助条件


1. 一个能表征量子比特并可扩展物理系统;


2. 能够把量子比特初始化为一个标准态; 


3. 保证在系统退相干前完成整个量子计算;


4. 构造一系列普适的量子门完成量子计算;


5. 具备对量子计算的末态进行测量的能力。




还有两个辅助条件是:


1. 在静止量子比特和飞行量子比特之间实现量子信息的转换;


2. 具备在节点间实现量子比特传输的能力。


基本的理论技术没有太大区别,最终的胜负还是在于工程的实现路径,所以技术理论上美国珠玉在前,但工程实现上中国有自己的举国优势,谁能实现50个量比特的通用量子计算机,还须时间来进行检验。


中国的“量子跃迁”之路


20世纪80年代,诺奖得主理查德·费曼提出“量子计算”距今已经近40年,那个时候的中国,刚开始处于改革开放初期,大家刚刚睁开眼睛看世界,很多人还将“量子理论”视为妖术,因为它特别接近于“唯心论”。


一直到很多中国优秀科学家开始研究量子理论时,中国在量子技术的研究上比西方国家晚了20年,不过今天的中国,在量子领域已有举世瞩目的成就。


这些年来中国的量子科学技术发展迅速:


2010年,中国成功实现当时世界上最远距离16公里的量子态隐形传输。


2013年6月,中国科首次成功实现用量子计算机求解线性方程组的实验。


2016年8月,世界首颗空间量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。


2017年5月,世界上第一台超越经典5量子比特计算机在中国诞生。


2018年7月,中国完成了对18个量子比特的262144种状态的同时测量。


今天,中国量子科研论文发表量排名全球第一、专利应用排名第二。在“第二次量子革命”的起步阶段,中国异军突起,跃入国际“第一阵营”,实现了中国军团的“量子跃迁”之路。



量子科学:和平时代的“核力量”


谈到量子力学,大家想到的都是神秘玄奥的科学知识,还有人在怀疑这是一个“妖言惑众”的领域。这不能怪普通人,这可是被爱因斯坦和玻尔用 “上帝跟宇宙玩掷骰子” 来形容的学科,普通人要完全理解很有难度。


事实上,作为20世纪与相对论并列的伟大理论,量子理论在实际生活中的应用十分广泛。


电脑中的硅基芯片、二极管、三极管、原子钟、激光都是量子理论的产物,可以说没有量子力学,就没有现代文明。



现在竞争集中在量子计算上。在一个“算力为王”的互联网时代,量子计算技术一旦突破,掌握这种能力的国家,会在经济、军事、科研、安全等领域崛起成为“超级强国”,相当于掌握和平时期的“核力量”,动用这种力量,现在的银行安全体系,互联网账号体系,各种加密通讯都成了“纸糊的灯笼”。


科学技术的发展不是为了寻求霸权,量子理论的应用是为全人类造福。但只要国家存在,我们必须承认竞争不可避免,而来自于微观世界的对决,才是未来最宏大的较量。


本文来自微信公众号:量子学派(ID: quantumschool),作者:李刚,编辑:Hypercube

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