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中国斥巨资发展量子科技

发布时间:2018/12/5 10:30:17 访问次数:25377

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2016年,中国政府将量子技术置于第十三个“五年规划”的核心,自此,欧洲和美国也纷纷投资起了自己的项目。

欧盟将向量子技术旗舰计划(quantum technologies flagship)投资10亿欧元,该计划已于11月初启动,目前已公布了二十个新项目的拨款。美国也组建了一支跨党派团队,致力于推动立法,欲投资12.5亿美元用于量子研发。

中国正着眼于构建多卫星量子网络,及一台量子模拟器,用以破解科学难题。在美国,科技巨头们聚焦于提升处理器的量子比特数,同时降低量子计算机的错误率。在量子算法领域,英国是目前的领头羊。

“真正激动人心的,以及中国投资于此的原因,是他们不知道潜力有多大。”罗伯特·扬表示,“这显然会是下一项革命性的技术,显然会有一大批有趣的设备出现,而他们所投资的,正是这种潜力。”

毋庸置疑,大量的投资使中国处在了有利地位,至于哪种量子技术会奏效,这种技术会带来怎样的结果,目前没人清楚——最大的突破可能来自合肥的100亿美元量子枢纽,也可能来自一个相对较小的投资项目。

但量子技术要成为真正的革命性技术,全球协作必不可少。“仅凭一国之力是发展不出量子技术的。”潘建伟说,“我们可以开展一场竞赛,但相互交流与协作不可或缺。”http://hwdz2.51dzw.com


2016年8月,中国的“墨子号”作为世界首颗量子卫星从戈壁发射升空,在距地500公里处绕地飞行。

2017年,中国和奥地利科学家利用“墨子号”卫星,进行了一次量子加密的视频通话。

“墨子号”发射时,该项目首席科学家潘建伟总结了这个项目的重要意义:“我想,我们开启了一场全球范围的量子太空竞赛。”潘建伟被《自然》期刊誉为“量子之父”,是中国量子技术取得重大进展的关键人物之一。

这场量子技术竞赛异常激烈。中国和美国等国,以及世界上最大的企业和机构,包括谷歌、美国宇航局(nasa)、微软、洛克希德马丁和阿里巴巴在内,都参与其中。

什么是量子计算?

量子计算机用的不是比特——不是0就是1——而是量子比特,能以0和1的叠加态存在。这就意味着,相较于传统计算机,它们能存储更多信息,且消耗更少的电量。这样一来,那些让普通机器头疼的复杂计算,比如特定化学反应的模拟、质数的计算,或是复杂加密的破解,量子计算机都可以信手拈来。

那么,量子计算机具体可以做什么?科学家想要量子计算解决什么问题?中国目前在全球量子研究领域处于什么地位?

关于这些问题,中国科学技术大学80后教授、博导陆朝阳曾在造就的演讲中一一做过生动而有趣的科普:

大力投资“超级工程”

随着量子技术的进步,最严密的加密形式都可能被破解,计算能力也会实现飞跃,潜在的政治与经济影响不容小觑。当前保护金融数据和军事机密的加密手段,在量子计算面前或许不堪一击。

中国研究人员就是想通过“墨子号”,利用一种不同于以往的量子技术,开发出无法被破解的新型保密通信。“墨子号”被用于共享密钥,而这些密钥,则是加密和解密通信技术的关键。

通常,这些密钥容易被劫持,但“墨子号”利用了处于量子叠加态的光子——要么不破译,一旦破译,原信息就会被破坏。所以,以这种方式发送出去的密钥,是无法被复制或劫持的。

而在量子计算这个历来由欧美主导的领域中,中国正奋力追赶。

中国政府将量子技术作为一项“超级工程”的重点,力争在量子通信和量子计算领域取得重大突破。据报道,中国将投资100亿美元,在合肥建立量子信息科学国家实验室。

“近五年来,中国对量子技术进行了大力投资。”兰卡斯特大学量子技术中心主任罗伯特·扬(robert young)表示,“中国已经进入了领先地位,而且速度比较快。”罗伯特·扬同时还是中国电子科技大学基础与前沿研究院的客座教授。

近几年,中国企业申请的量子计算类专利大幅上升。据专利咨询公司patinformatics的数据,2014年,美国和中国的专利数量还不相上下;但到2017年,中国的专利数已达到美国的近两倍。

不光是量子科学领域,在人工智能领域,中国的投资力度也丝毫不减。在一定程度上,这都是为了在未来几十年引领科技进步。“中国基本错过了数字革命,这给中国和中国经济拖了后腿。”罗伯特·扬表示,“中国不想再错失良机了。”

潘建伟也认同这一观点。“在现代信息科学方面,中国一直是学习者和模仿者。”他说,“现在,在量子技术领域,若能竭尽全力,我们有望成为主要玩家。”

从量子保密通信到量子计算

一开始,中国的进展主要都在量子保密通信领域——比如“墨子号”这样的项目,以及山东省的地面量子网络。“在量子通信领域,我们领先于世界同行。”潘建伟说。

但在量子计算领域,局面就没那么明晰了。构建量子计算机的难度非常大,哪怕是最细微的环境干扰,都可能破坏量子比特的叠加态。而要绘制复杂的概率路径,这种叠加态不可或缺。

量子计算机要被防护得严严实实才行,而且,构建它们所需的技术,大多都需要一个接近绝对零度的环境。目前,最先进的量子计算机——谷歌、ibm和d-wave等企业正在研发的那些——还未迈过100量子比特的大关,而且由于“量子比特哑火”现象的存在,错误率或高达50%。“只要越过100量子比特关卡,事情就会变得有趣;但可能得突破1000量子比特,才会真正让人兴奋。”罗伯特·扬表示。

美国企业称,未来五至十年,它们就可以研发出可运转的量子计算机。但中国的估计更为保守。“我们必须解决那些根本性的问题。”潘建伟说,“依我看,估计还要二三十年。”

一些中国企业,比如腾讯、阿里巴巴和百度也加入了量子竞赛,但略微晚了些。“几年前,要说服中国电商投资这类研究,难度还是很大的。”潘建伟说,“但在谷歌、ibm、英特尔和微软等公司的影响下,如今,这些中国电商都有了自己的量子技术项目。”http://szjhc.51dzw.com

若论量子处理器包含的量子比特数,中国还不是美国的对手。不过去年,中国科学家创下了一项世界纪录:实现了18个量子比特的纠缠。这种纠缠是一种相互联结的状态,是量子计算中必不可少的一环。

这跟大体的技术发展规律相符。“并没有证据表明,中国在生成量子的方式上有什么新的突破——那属于最根本的基础科学,实现方式就那么几种。”patinformatics董事总经理托尼·特莱普(tony trippe)说,“过去四年里,中国对专利的主导,主要是在应用方面。”

尽管中国在量子硬件的构建方面处于落后地位,但在量子计算机问世后的实际应用方面,中国一直在进步。据罗伯特·扬所言,至于前景最光明的用途是什么,现在并不清楚——量子计算的一些潜在用途,我们现在也许都不曾想到。不过,个人电脑或是笔记本电脑不太可能装上量子芯片——我们也许会通过云端,访问一台中央量子计算机。其实,ibm已经在提供这样的服务。

在量子计算的下一个阶段,中国的财力有望发挥关键作用。“要想在中国营造一个量子环境,财力非常关键。”牛津大学量子力学教授阿图尔·埃克特(artur ekert)说,“墨子号”背后的理论就是他提出的。“打个比方,光是发明电话是不够的——光你一个人有电话,你打给谁?你得有整套基础设施、整个金字塔,你不能只有一帮物理学怪才,还要有量子工程师、计算机科学家、加密学家,以及推销的好手。”

埃克特将中国的做法比作nasa的阿波罗登月计划。“具体哪种量子技术最好用——是超导环路、囚禁离子,还是别的什么——我们不清楚。”他说。你要把很多不同领域的专家聚到同一个屋檐下才行。

要竞争,也要协作

我们很容易将量子计算和加密技术的发展视为零和游戏,但事实并不是如此。

潘建伟在这项技术上的基础是在欧洲打下的。中国研究人员也在与奥地利同行密切合作,研发“墨子号”等技术。

但随着量子技术从学术界转移到应用领域,这种态度或许会略有转变。“放在五年前,我会说,这是协作性的;但这五年里,出现了些许泡沫。”埃克特说。

网络安全专家们时时恐惧着“q日”(量子日)的到来——那一天,首台量子计算机诞生于世,它足以破解当代绝大多数的加密标准。如果某个国家率先实现,问题就会产生——所谓“量子惊诧”,说的就是某个国家发展出一种全新的量子技术,让别国措手不及。

“适当程度的担忧还是有必要的。”埃克特说,“量子领域实在是太重要了,绝不能让世界某个区域遥遥领先。”但对罗伯特·扬而言,量子领域的挑战是如此复杂、且耗时耗力,任何国家都难以捷足先登。“我想,这年头,要保密是很难办到的。”

文章出自:深度黑科技

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