直面“微型曼哈頓計劃”的挑戰(zhàn)

量子信息技術(shù)是后摩爾時代的技術(shù)，方興未艾，極具前景。在一批具前瞻性眼光的科研工作者的努力下，目前還保持與國際先進水平同步，甚至部分技術(shù)處于領(lǐng)先狀態(tài)。中國科技大學(xué)郭光燦院士通過提前部署，為我國量子信息技術(shù)的發(fā)展做出了突出貢獻。他指出:在這事關(guān)國家利益的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)上，我國絕不能步電子計算機的后塵，輸在起跑線上。

相關(guān)資料顯示:電子計算機時代，當(dāng)國外開始大力發(fā)展晶體管的時候，我們還裹足不前，在落后的真空管中掙扎，失去了最好的歷史機遇期，從而一步落后，步步落后。如今，傳統(tǒng)電子計算機的絕大部分戰(zhàn)略利益已被西方發(fā)達(dá)國家所攝取;我國每年要從國外花費巨額外匯進口大量的計算機芯片。

量子信息技術(shù)是一個在不遠(yuǎn)的將來深具產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景的產(chǎn)業(yè)。郭光燦院士在90年代初國際還不怎么重視的情況下，就關(guān)注和致力于量子信息技術(shù)研究。初期，在少量科研經(jīng)費的支持下，他“板凳甘坐十年冷”，堅持了下來。2001年，國家開始認(rèn)識到量子信息的重要性，郭光燦也拿到了科技部第一個“973”項目。而后各級領(lǐng)導(dǎo)英明決策，在國家制定中長期科技規(guī)劃中把“量子調(diào)控”作為基礎(chǔ)研究的重大前沿方向，量子信息技術(shù)也迎來了發(fā)展的春天。如今，郭光燦帶領(lǐng)的國家重點實驗室在量子技術(shù)上已足以與國際先進水平比肩。

當(dāng)前，量子信息已清晰了三個產(chǎn)業(yè)化方向:第一個是技術(shù)相對簡單、已到產(chǎn)業(yè)化邊緣的量子密碼，第二個是量子因特網(wǎng)，第三個是量子計算機。

令國外震驚的量子密碼技術(shù)

量子密碼是通過量子的方法來傳遞密鑰，使安全性得以保證。量子密碼技術(shù)將會為加密保護、身份認(rèn)證、信息完整性驗證等方面需求帶來新的技術(shù)操作模式，已臨近產(chǎn)業(yè)化。據(jù)Global Industry Analysts公司預(yù)測:量子密碼技術(shù)的認(rèn)知度和實際應(yīng)用有可能在最近3-5年內(nèi)出現(xiàn)快速增長， 2015年全球的量子密碼產(chǎn)品市場將達(dá)到8.42億美元。量子密碼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將形成光學(xué)、光電子行業(yè)、計算機行業(yè)等上下游產(chǎn)業(yè)的增長點，進而發(fā)展成為一個全新的龐大產(chǎn)業(yè)鏈。

賽迪顧問2009年發(fā)布的《2008—2009中國信息安全產(chǎn)品市場研究報告》分析指出，2008年中國信息安全產(chǎn)品市場規(guī)模達(dá)到79.28億元，比2007年增長了18.6%。報告同時預(yù)測，2009年—2011年，中國信息安全產(chǎn)品市場將以18.3%的年均復(fù)合增長率增長，市場規(guī)模也將從2008年的79.28億元擴大到131.33億元。目前及未來幾年國內(nèi)信息安全市場仍處于高成長期，在2012年國內(nèi)信息安全產(chǎn)品市場有望達(dá)到190.71億元。而據(jù)IDC預(yù)測，到2011年中國將占亞太地區(qū)安全解決方案市場的30%，達(dá)到近18億美元，超過澳大利亞成為亞太地區(qū)最大的安全市場。

量子密碼是目前人類能想出來的最安全的保密通信手段。郭光燦院士自豪的說，雖然我國起步稍晚，但經(jīng)10多年的潛心研究，我國已與國際先進水平同步，甚至掌握的部分關(guān)鍵技術(shù)比國外強，令國外震驚。在不依靠國外的情況下，我們已可以建立自已的量子保密通訊網(wǎng)絡(luò)體系。

在成本增加不多的情況下兼容于傳統(tǒng)光纖，是量子密碼應(yīng)用的前提。而現(xiàn)在，量子信息重點實驗室只要在量子光纖上做點小手術(shù)，就能保證量子密碼的傳輸，應(yīng)用成本大大降低了，為今后應(yīng)用提供了可能。他們國際首創(chuàng)的解決了量子密碼光纖應(yīng)用的穩(wěn)定性，并申請了國際專利，國外同行現(xiàn)在都紛紛改用他們的方案。

由于量子不能測量識別，所以研發(fā)不需識別又能自動尋址的量子路由器是關(guān)鍵難題。郭光燦帶領(lǐng)帶領(lǐng)研究團隊發(fā)明了量子路由器，能很好實現(xiàn)光量子自動尋址，是目前國際最好的解決方案，現(xiàn)已申請了國際專利。2009年應(yīng)用這些成果做成蕪湖政務(wù)網(wǎng)，并在《科學(xué)通報》發(fā)表了文章。結(jié)果美國同行寫了一封長信邀請郭光燦院士去今年在美國舉辦的國際光纖和纖維光學(xué)工程大會上做特邀報告，講政務(wù)網(wǎng)的量子密碼。后來，實驗室安排一位教授去做報告，參加會議的密碼專家非常興奮，紛紛跟他握手，祝賀中國取得了這樣的成果，在國際上產(chǎn)生了巨大反響。這項成果解決了光纖網(wǎng)絡(luò)量子密碼研究中的關(guān)鍵問題，一個路由器可以帶100—200個用戶，做成一個城域網(wǎng)，應(yīng)用非常安全。

量子密碼的今后發(fā)展，只要做到小型化、集成化、智能化，提高可靠性就能夠大面積普及?，F(xiàn)在我國國產(chǎn)化進展順利，只要用戶確認(rèn)，就能立馬投入市場。不久前，量子信息重點實驗室已將技術(shù)轉(zhuǎn)讓給博士生創(chuàng)辦的安徽問天量子信息技術(shù)公司。該公司已做出一些小型化、集成化器件，把量子密碼推向了市場。這意味著這項國家長期支持下的技術(shù)成果，已走出了實驗室，走上了實際應(yīng)用。

量子因特網(wǎng)就相對困難一點了，做的人也比較少，重點實驗室也在研究。他們現(xiàn)在有望在短時間內(nèi)通過量子路由器做一個小型的量子因特網(wǎng)的演示系統(tǒng)。該演示系統(tǒng)用的是糾纏的辦法，通過量子通道，在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)對接。郭光燦信心滿滿的說:“因為擁有最核心的技術(shù)——量子路由器，我們有望在全世界最先做出來?，F(xiàn)在還處于基礎(chǔ)研究階段，如果做成了，我們就可以保證銀行等相關(guān)重要系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕^對安全，但這一切都需要時間?！?/p>

“微型曼哈頓計劃”

有專家指出:誰最先研制出量子計算機，就能在世界上最早攀上量子信息技術(shù)的至高點。按照歷史經(jīng)驗，重大技術(shù)突破所帶來的絕大部分附加值將被發(fā)明國所消化。

量子計算機概念提出至今已20多年。目前，量子計算機原理已在小量的量子處理器的系統(tǒng)里得以成功驗證。但量子計算機的成功研制還是面臨著兩大技術(shù)瓶頸:一是把少數(shù)的量子處理器做成大量的，也就得尋找良好的物理可拓展性材料的問題，第二個是保持量子相干性，避免脆弱量子性的消失問題?，F(xiàn)在，科學(xué)家們還沒有發(fā)現(xiàn)哪個物理體系能夠非?？煽康陌堰@兩個問題解決掉，大家都在從離子阱、超導(dǎo)、量子點、微腔等各個相關(guān)方面嘗試可行性，尋找最有可能的方向。

前幾年科學(xué)界有觀點認(rèn)為，量子計算機的研制能在10—15年內(nèi)突破，20年后形成產(chǎn)業(yè)。而美國人最近提出了個新觀點可能讓量子計算機的研制提早得以突破。美國的軍方譯演局，常常提出意義非常重大，但具有冒險性、挑戰(zhàn)性的大風(fēng)險項目。但那些看似不可能的計劃，做成后都產(chǎn)生了巨大的震動效果，給美國帶來了豐厚的戰(zhàn)略收益，如因特網(wǎng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、隱形飛機等?，F(xiàn)在他們又把目光瞄向了量子計算機，作為戰(zhàn)略研討的一個重點內(nèi)容。08年該計劃就已啟動，稱為 “微型曼哈頓計劃”。

眾所周知，美國1942年開始實施的“曼哈頓計劃”幾乎改變了國際格局，給美國帶來了巨大的戰(zhàn)略利益。由于他們充分意識到量子計算機可帶來的戰(zhàn)略意義，而該計劃采用的正是微電子定型加工技術(shù)，所以叫“微型曼哈頓計劃”。這計劃的宗旨就是要突破量子計算機的研制。

美國人意識到按照傳統(tǒng)研發(fā)老路做量子計算機，就算做出來了，要先把原理性在實驗室驗證，然后走工業(yè)化路線，最后制成商品，相當(dāng)漫長，就像電子計算機一樣沒有二三十年上不了市場。

他們認(rèn)為，微電子在摩爾定理上雖然注定要走向終點，但微電子技術(shù)經(jīng)過二三十年積累，已擁有了非常成熟的微加工技術(shù)。如果能利用微加工技術(shù)把量子芯片做出來，那么突破后就能很快進入市場了;不需要從頭到尾，另起爐灶搞一套。該計劃的核心就是通過政府引導(dǎo)花費五年到十年，做七個到十個量子比特的芯片，證明微加工的技術(shù)可以做量子芯片。從而誘使所有掌握微加工技術(shù)的國際化大公司大財團蜂擁而至，大大加快研發(fā)速度，美國也能借此機會掌控量子計算機的核心利益。2008年開始，美國把大學(xué)與研究機構(gòu)的核心研究人員都集中了起來，每年投入超過1.3億美元來推進此項計劃。該計劃要求參與研究人員專注于預(yù)定目標(biāo)，一步步往前推進。日本、歐洲了解到美國的這個方案后，也制定了相對應(yīng)的計劃，現(xiàn)都已開始執(zhí)行。有了這個計劃后，郭光燦院士就估計量子計算機研制速度要比預(yù)期快很多。因為找到這樣的方向，一旦突破，就能立馬形成商品。

不能落后的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)

當(dāng)美國利用曼哈頓計劃的積累擁有核威懾后，我國政府和國家領(lǐng)導(dǎo)人英明決策，積極應(yīng)對，實施了“兩彈一星”計劃，提升了國家地位與話語權(quán)，改變了國際形象。但長期以后，我國還是無法扭轉(zhuǎn)核電等應(yīng)用領(lǐng)域落后尾隨的局面。

量子信息技術(shù)方面如歐美發(fā)達(dá)國家借助“微型曼哈頓計劃”把中國遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在后面，那我國在該領(lǐng)域的命運將會跟微電子計算機一樣，關(guān)鍵技術(shù)只能是國外的。郭光燦院士說，這是個決定國家未來話語權(quán)的戰(zhàn)略問題，不能坐視產(chǎn)業(yè)的核心利益又將被發(fā)達(dá)國家所吞噬。因此，提前戰(zhàn)略布控以應(yīng)對“微型曼哈頓計劃”的沖擊顯得格外關(guān)鍵。

據(jù)相關(guān)資料表明，量子信息技術(shù)蘊含著龐大的產(chǎn)業(yè)鏈。因為如果真的作出了這種芯片，就可以在高性能計算方面占有很大的市場，甚至完全替代現(xiàn)在的芯片，這也就是為什么Intel公司說下一代處理器的核心是量子處理器。 有專家提供了一種估算方法指出:半導(dǎo)體芯片的發(fā)明在20世紀(jì)下半葉興起了一場信息技術(shù)的革命，以芯片為基礎(chǔ)和核心技術(shù)的。現(xiàn)代計算機、軟件、網(wǎng)絡(luò)、通信、消費電子等現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造的產(chǎn)值已經(jīng)超過3萬億美金，其中半導(dǎo)體芯片業(yè)的產(chǎn)值為4557.9億美元(2009年數(shù)據(jù))，成為全球最為活躍的生產(chǎn)要素和主要支柱，并將繼續(xù)保持快速發(fā)展的勢頭。信息產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟基礎(chǔ)性，先導(dǎo)性和第一大產(chǎn)業(yè)，總產(chǎn)值超過50166億元人民幣(2009年數(shù)據(jù))，其中半導(dǎo)體芯片業(yè)的產(chǎn)值為5557.9億元人民幣(2009年數(shù)據(jù))。按照信息產(chǎn)業(yè)部賽迪研究中心的估計，在初期，一般高技術(shù)產(chǎn)品替代率為10%左右，以后逐步升高:因此在初期，如果量子芯片對傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片的替代率為10%(按一般估計)，這樣世界上量子芯片業(yè)的產(chǎn)值為460億美元，而我國量子芯片業(yè)的產(chǎn)值為555億元人民幣。

中國應(yīng)如何回應(yīng)

當(dāng)前，我國沒有幾家單位在真正在從事量子計算機研究，基礎(chǔ)相當(dāng)薄弱?，F(xiàn)在美歐日都在搞“微型曼哈頓計劃”，如果按部就班的往下走，西方發(fā)達(dá)國家成功時，我們還沒有起步，那就一定落后，差距會越拉越大。作為引領(lǐng)我國量子信息技術(shù)發(fā)展的權(quán)威，郭光燦院士始終關(guān)注前沿方向。他希望我國在量子信息領(lǐng)域能長期走在國際前沿，而這需要政府強有力的政策與投入支撐，引導(dǎo)國內(nèi)研究團隊往這一方向去。

郭院士指出:利用微加工技要做量子計算機，材料的制備加工都是非常困難的，必定需要幾年老老實實的基礎(chǔ)積累?，F(xiàn)有的科技評價體系不利于創(chuàng)新性強，風(fēng)險高的課題研究，研究人員也受不了幾年沒有成果的“冷板凳”，這就導(dǎo)致大家追求“短、平、快”，量子計算機這項意義重大的課題沒有多少人做。

院士發(fā)揮科學(xué)決策的智囊作用對國家落實科學(xué)發(fā)展觀具有積極意義。郭光燦說，現(xiàn)在迫切需要做到提前部署。他們與美國差不多同時看到利用微加工技術(shù)開發(fā)量子計算機的可能性。那時沒有足夠的經(jīng)費來支撐這項研究，他們就跟學(xué)校兩次借了800萬，然后成功建立了一套微加工的裝置。06年國際剛關(guān)注一種新材料叫石墨烯，將來有望代替硅，這對于微電子產(chǎn)業(yè)來說相當(dāng)?shù)闹匾?。郭光燦馬上想到利用其良好的相干性，做成量子點，應(yīng)用到量子計算機上。他們在“微型曼哈頓計劃”執(zhí)行前就把這個方向作為開發(fā)的重點，并專門安排了個科研小組，來踏踏實實做這件事情。現(xiàn)在，他們發(fā)現(xiàn)了“微型曼哈頓計劃”跟這個項目的雷同之處，但以一個研究小組的力量來做這么大的一項工程實在顯得有些勢單力薄。目前國外在做一個量子比特，量子信息重點實驗室已用購買的二手設(shè)備加工石墨烯器件，爭取用最短的時間把兩個量子比特做成，但要制備出能糾纏、可操作的量子門尚需時日。

郭光燦的實驗室是國際上第一個提出并發(fā)表了《用石墨烯做量子計算機》的相關(guān)論文的，這引起了國際上很大的學(xué)術(shù)反響，眾多專型專業(yè)網(wǎng)站都刊登了評論。這引導(dǎo)了更多的人試圖用這套可行性方案去研制量子計算機。郭光燦自豪的說，我們還有其他一些方案，目前希望盡快在實驗上得以突破。實驗室經(jīng)常與國際上同步做一些正在關(guān)注的熱點，但我們需要花很多的時間去積累，要有坐冷板凳的決心與魄力。還有涉及到微觀的單電子測量，還需要做大量工作積累，但一切正按預(yù)定軌道前行，目前跟國際差距不大。

但對我國量子信息技術(shù)的前景也不能盲目樂觀。郭光燦坦言，國內(nèi)到現(xiàn)在為止，隊伍也不夠強大，專業(yè)研究人員比較有限;國家雖然投入，但相對于其重大戰(zhàn)略地位來說，現(xiàn)在的投入還是顯得有些單薄，增長速度遠(yuǎn)不及國外。

這兩年來，郭院士四處呼吁，對于這項事關(guān)國家戰(zhàn)略意義的大產(chǎn)業(yè)，需設(shè)立一支穩(wěn)定精干的研究團隊，組織各方面精干研究人員在穩(wěn)定的科研支持下沒有干擾的從事這項創(chuàng)造性強、周期漫長的艱苦研究。我國目前有“量子調(diào)控”的重大專項，但這個專項涵蓋的內(nèi)容比較寬，而量子計算機的突發(fā)性的新動態(tài)并沒有考量在內(nèi)。在保持“量子調(diào)控”重大專項的基礎(chǔ)上，迫切需要一個跟“微型曼哈頓計劃”類似的，有一定冒險性的與“量子調(diào)控”并行的小專項，提供足夠強力的支持，加強基礎(chǔ)上積累，實打?qū)崄韺で笸黄啤?/p>

在高技術(shù)領(lǐng)域，投入與產(chǎn)出必然成正比關(guān)系。1985 年，英特爾公司繼摩托羅拉后，第二個研制出 32 位的微處理器 80386，開始擴大它在整個半導(dǎo)體工業(yè)的市場份額。這個芯片的研制費用超過三億美元，雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)在英特爾新的處理器芯片的研制成本，但在當(dāng)時確實是一場豪賭，這筆研制費超過中國當(dāng)時在一個五年計劃中對半導(dǎo)體科研全部投入的好幾倍。

郭光燦代表重點實驗室表態(tài):只要有足夠的經(jīng)費支持，我們有設(shè)備，有隊伍的積累，有信心同樣做出成果來應(yīng)對微型曼哈頓計劃的沖擊。量子密碼已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研新技術(shù)的試點。量子計算機要把科研單位與可能應(yīng)用的單位一起來做，一旦突破了，生產(chǎn)單位就會主動推進，盡快形成一個產(chǎn)業(yè)。而現(xiàn)在是以基礎(chǔ)研究為主，需先有國家行為，吸引可能應(yīng)用制造的產(chǎn)業(yè)單位參與。就避免了后期對接產(chǎn)業(yè)化的的一個環(huán)節(jié)，加快產(chǎn)業(yè)化的進展。

有了這樣一批從國家利益出發(fā)，潛心科研的專家學(xué)者，我國的量子信息技術(shù)沒有理由落后在起跑線上。對于量子信息帶給我國的巨大戰(zhàn)略利益，我們翹首以待。