更好推進(jìn)我國(guó)量子科技發(fā)展

潘建偉

2020年10月16日，中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)，習(xí)近平總書記在主持學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，“要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢(shì)，下好先手棋?！薄凹涌彀l(fā)展量子科技，對(duì)促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展、保障國(guó)家安全具有非常重要的作用?！?/p>

上世紀(jì)初建立的量子力學(xué)是人類歷史上最偉大的科學(xué)革命之一。隨著量子力學(xué)的建立而催生的第一次量子革命，帶來了原子能、半導(dǎo)體、激光、核磁共振、超導(dǎo)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等重大技術(shù)的發(fā)明，從根本上改變了人類的生活方式和社會(huì)面貌。自上世紀(jì)90年代以來，量子調(diào)控技術(shù)的巨大進(jìn)步使得人們可以對(duì)光子、原子等微觀粒子進(jìn)行主動(dòng)的精確操縱，人類認(rèn)識(shí)和改造世界的實(shí)踐達(dá)到了一個(gè)新的歷史高度。以量子信息科學(xué)為代表的量子科技，可以在保障信息安全、提高運(yùn)算速度、提升測(cè)量精度等方面突破經(jīng)典技術(shù)的瓶頸，成為信息、能源、材料和生命等領(lǐng)域重大技術(shù)創(chuàng)新的源泉，為保障國(guó)家安全和支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供核心戰(zhàn)略力量。

習(xí)近平總書記指出，“量子科技發(fā)展具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值，是一項(xiàng)對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進(jìn)行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向?！碑?dāng)前，以量子信息科學(xué)為代表的量子科技正在不斷形成新的科學(xué)前沿，激發(fā)革命性的科技創(chuàng)新，孕育對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大影響的顛覆性技術(shù)。該領(lǐng)域的迅猛發(fā)展標(biāo)志著第二次量子革命的興起。

什么是量子信息科技

量子信息科技的具體應(yīng)用包括量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量三方面。

量子通信是利用量子比特作為信息載體來進(jìn)行信息交互的通信技術(shù)。量子通信有兩種最典型的應(yīng)用，分別是量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)。量子密鑰分發(fā)是指利用量子態(tài)來加載信息，通過一定的協(xié)議在遙遠(yuǎn)地點(diǎn)的通信雙方共享密鑰。量子力學(xué)基本原理保證了密鑰的不可竊聽，從而可在原理上實(shí)現(xiàn)無條件安全的量子保密通信。量子隱形傳態(tài)是指利用量子糾纏來直接傳輸微觀粒子的量子狀態(tài)（即量子信息），而不用傳輸這個(gè)微觀粒子本身。量子隱形傳態(tài)可以連接量子信息處理單元來構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也是遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)所需的量子中繼的重要環(huán)節(jié)，因此，國(guó)際學(xué)術(shù)界將量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)統(tǒng)稱為量子通信。量子密鑰分發(fā)是最先走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化的量子信息技術(shù)。

量子計(jì)算具有強(qiáng)大的并行計(jì)算和模擬能力，可為人工智能、密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、資源勘探、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案。量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，一臺(tái)操縱50個(gè)粒子的量子計(jì)算機(jī)，對(duì)特定問題的計(jì)算能力就可超過目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)一旦研制成功，將對(duì)基于計(jì)算復(fù)雜度的經(jīng)典信息安全體系帶來巨大沖擊;而量子保密通信的安全性基于物理學(xué)原理，與計(jì)算復(fù)雜度無關(guān)，即使是量子計(jì)算機(jī)也無法破解。

利用量子狀態(tài)對(duì)環(huán)境的高度敏感，可以對(duì)時(shí)間、位置、加速度、電磁場(chǎng)等物理量實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典技術(shù)極限的量子精密測(cè)量，大幅度提升衛(wèi)星導(dǎo)航、水下定位、醫(yī)學(xué)檢測(cè)和引力波探測(cè)等的準(zhǔn)確性和精度。例如，利用目前最好的傳統(tǒng)自主導(dǎo)航技術(shù)，水下航行100天后定位誤差達(dá)數(shù)百公里，需定期上浮用衛(wèi)星修正;而利用原子干涉重力儀、原子陀螺儀等量子自主導(dǎo)航技術(shù)，水下定位精度可大幅提升至100天誤差小于公里量級(jí)，不需要衛(wèi)星修正。

我國(guó)量子信息科技的發(fā)展形勢(shì)

我國(guó)高度重視量子信息科技的發(fā)展，在量子信息科技領(lǐng)域突破了一系列重要科學(xué)問題和關(guān)鍵核心技術(shù)，產(chǎn)出了一批具有重要國(guó)際影響力的成果。習(xí)近平總書記在黨的十九大報(bào)告中指出，“墨子、大飛機(jī)等重大科技成果相繼問世”;“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星和光量子計(jì)算原型機(jī)，習(xí)近平總書記在2017年和2018年新年賀詞中分別提到;僅近7年來，量子科技相關(guān)成果就3次獲得國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)?？傮w而言，我國(guó)在量子通信的研究和應(yīng)用方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位，在量子計(jì)算方面與發(fā)達(dá)國(guó)家處于同一水平線，在量子精密測(cè)量方面發(fā)展迅速。

量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。通過光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過中繼器實(shí)現(xiàn)鄰近兩個(gè)城市之間的連接、通過衛(wèi)星平臺(tái)的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的連接，是廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線。

我國(guó)的城域量子通信技術(shù)已初步滿足實(shí)用化要求，自主研制的量子通信裝備已經(jīng)為黨的十八大、十九大、紀(jì)念抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵等國(guó)家重要活動(dòng)提供了信息安全保障。在城際量子通信方面，我國(guó)建成了國(guó)際上首條遠(yuǎn)距離光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”，在金融、政務(wù)、電力等領(lǐng)域開展遠(yuǎn)距離量子保密通信的技術(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用示范。在衛(wèi)星量子通信方面，我國(guó)研制并發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”?！澳犹?hào)”量子衛(wèi)星在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了星地量子通信，首次實(shí)現(xiàn)了洲際量子通信，充分驗(yàn)證了基于衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全球化量子通信的可行性。

習(xí)近平總書記指出，要“統(tǒng)籌基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)、工程技術(shù)研發(fā)，培育量子通信等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，搶占量子科技國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)，構(gòu)筑發(fā)展新優(yōu)勢(shì)”。量子科技從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的過程中，需要經(jīng)歷基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、工程化集成與驗(yàn)證等階段，然后才能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用?！熬删€”和“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星等，都是基于我國(guó)前期十余年的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究成果而進(jìn)行的工程化集成與驗(yàn)證項(xiàng)目，為核心器件的自主研發(fā)、相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定和未來規(guī)?；膽?yīng)用起到了良好的推動(dòng)作用。

在未來兩到三年，通過關(guān)鍵器件的芯片化，量子加密設(shè)備的尺寸有望縮小到手機(jī)大小，并大幅降低成本。利用“墨子號(hào)”積累的成功經(jīng)驗(yàn)，低軌量子衛(wèi)星的研制成本可由數(shù)億元降到千萬元量級(jí)，地面站的重量也由十幾噸降到一百公斤左右，可初步支撐移動(dòng)量子通信。

量子計(jì)算研究的核心任務(wù)是多量子比特的相干操縱。根據(jù)相干操縱量子比特的規(guī)模，量子計(jì)算有如下發(fā)展階段：

第一個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，即量子計(jì)算機(jī)對(duì)特定問題的計(jì)算能力超越傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)，達(dá)到這一目標(biāo)需要約50個(gè)量子比特的相干操縱。美國(guó)谷歌公司已在2019年率先實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。

第二個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)專用量子模擬機(jī)，即相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特，應(yīng)用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問題，指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)、藥物開發(fā)等。達(dá)到該階段需要5至10年，是當(dāng)前的主要研究任務(wù)。

第三個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)可編程通用量子計(jì)算機(jī)，即相干操縱至少數(shù)百萬個(gè)量子比特，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。由于量子比特不可避免地會(huì)受到環(huán)境噪聲的影響而出錯(cuò)，對(duì)于規(guī)?；牧孔颖忍叵到y(tǒng)，通過量子糾錯(cuò)來保證整個(gè)系統(tǒng)的正確運(yùn)行是必然要求，也是一段時(shí)期內(nèi)面臨的主要挑戰(zhàn)。由于技術(shù)上的難度，何時(shí)實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)尚不明確，國(guó)際學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為還需要20年左右甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

目前，國(guó)際上正在對(duì)各種有望實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的物理體系開展系統(tǒng)性研究。我國(guó)已完成了所有重要量子計(jì)算體系的研究布局，成為包括歐盟、美國(guó)在內(nèi)的三個(gè)具有完整布局的國(guó)家（地區(qū)）之一。

根據(jù)各物理體系的優(yōu)勢(shì)，學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為在光量子、超導(dǎo)和超冷原子等體系有望率先實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的專用量子模擬機(jī)。我國(guó)在光量子體系實(shí)現(xiàn)了首個(gè)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)能力的光量子計(jì)算原型機(jī)，將在近期實(shí)現(xiàn)超越谷歌的“量子優(yōu)越性”;在超導(dǎo)體系近期也有望實(shí)現(xiàn)超越谷歌的“量子優(yōu)越性”;在超冷原子體系，我國(guó)目前整體上與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家處于并跑狀態(tài)，在規(guī)模化原子糾纏的制備與操縱，對(duì)自旋軌道耦合、超冷分子反應(yīng)等的量子模擬方面取得了系列重要成果，為解決若干經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以勝任的復(fù)雜問題奠定了基礎(chǔ)。

離子、硅基量子點(diǎn)等物理體系同樣具有多比特?cái)U(kuò)展和容錯(cuò)性的潛力，也是目前國(guó)際量子計(jì)算研究的熱點(diǎn)方向。我國(guó)在這些體系的量子計(jì)算基本要素方面積累了大量關(guān)鍵技術(shù)，與國(guó)際主要研究力量處于并跑水平。此外，由于拓?fù)淞孔佑?jì)算在容錯(cuò)能力上的優(yōu)越性，利用拓?fù)潴w系實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)是國(guó)際上面向長(zhǎng)遠(yuǎn)的重要研究目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外均在為實(shí)現(xiàn)單個(gè)拓?fù)淞孔颖忍剡@一“0到1”的突破而努力。

量子精密測(cè)量的主要應(yīng)用包括高精度光頻標(biāo)與時(shí)間頻率傳遞、量子陀螺儀、原子重力儀等量子導(dǎo)航技術(shù)，量子雷達(dá)、痕量原子示蹤、弱磁場(chǎng)探測(cè)等量子靈敏探測(cè)技術(shù)等。這些技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值已比較明朗，將在慣性導(dǎo)航、下一代時(shí)間基準(zhǔn)、隱身目標(biāo)識(shí)別、全球地形測(cè)繪、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、物理學(xué)基本問題等廣泛領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。我國(guó)在量子精密測(cè)量領(lǐng)域起步較晚，整體上相比發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定的差距，但近年來已經(jīng)迅速縮小了差距，在部分方向上與公開報(bào)道的國(guó)際最高水平相當(dāng)。

量子科技發(fā)展呈現(xiàn)出激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)

目前，量子科技已進(jìn)入到深化發(fā)展、快速突破的歷史新階段，迫切需要多學(xué)科的密切交叉以及各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)集成。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的政府、科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)資本正在加速進(jìn)行戰(zhàn)略部署，大幅度增加研發(fā)投入，對(duì)我國(guó)取得的局部領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)發(fā)起強(qiáng)烈沖擊。

2018年12月，美國(guó)啟動(dòng)了為期10年的“國(guó)家量子行動(dòng)法案”，在2019-2023年期間增加投入約13億美元，連同其它常規(guī)性投入，5年政府投入達(dá)30億美元;美國(guó)還將在2022年之前把量子科技的研發(fā)資金增加一倍，以確保美國(guó)的全球領(lǐng)導(dǎo)地位;歐盟于2018年10月正式實(shí)施“量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目”，連同各成員國(guó)的配套，總經(jīng)費(fèi)超過40億歐元;英國(guó)于2016年啟動(dòng)“國(guó)家量子技術(shù)專項(xiàng)”，迄今總投入已超過10億英鎊;2018年9月，德國(guó)政府通過“量子技術(shù)：從基礎(chǔ)到市場(chǎng)”國(guó)家量子技術(shù)框架計(jì)劃，在2018—2022年內(nèi)投入6.5億歐元，在新冠疫情后又追加了20億歐元。

谷歌于2013年與美國(guó)國(guó)家航天局、加州大學(xué)圣芭芭拉分校聯(lián)合成立了量子人工智能實(shí)驗(yàn)室;IBM于2014年宣布未來5年投資30億美元開展量子計(jì)算等下一代計(jì)算技術(shù)開發(fā);微軟于2014年與哈佛大學(xué)、玻爾研究所等組建量子設(shè)計(jì)與量子計(jì)算研究中心;英特爾于2016年宣布與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)合作開發(fā)新型量子計(jì)算機(jī)。值得指出的是，由于量子計(jì)算機(jī)研發(fā)存在一定的不確定性，我國(guó)企業(yè)對(duì)這一領(lǐng)域的投入熱情相比美國(guó)明顯不足。

2017年，美國(guó)商務(wù)部將“專門設(shè)計(jì)（或改造）以用于實(shí)現(xiàn)或使用量子密碼”的商品明確列入出口管制清單;美國(guó)商務(wù)部于2018年11月開始管制14項(xiàng)涉及國(guó)家安全和前沿科技的技術(shù)出口，其中包括量子密碼、量子計(jì)算及量子傳感。其他一些北約國(guó)家也開始將相關(guān)關(guān)鍵設(shè)備和器件列入對(duì)我國(guó)禁運(yùn)范圍。

搶占量子科技國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)

為應(yīng)對(duì)量子科技領(lǐng)域激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，牢固掌握未來的發(fā)展主動(dòng)權(quán)和創(chuàng)新主動(dòng)權(quán)，黨中央高度重視該領(lǐng)域的資源整合和協(xié)同創(chuàng)新，在“十四五”規(guī)劃中明確指出，要瞄準(zhǔn)量子信息等前沿領(lǐng)域，實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國(guó)家重大科技項(xiàng)目。我國(guó)量子領(lǐng)域未來10到15年的總體發(fā)展目標(biāo)是：

在量子通信方面，繼續(xù)保持和擴(kuò)大我國(guó)的領(lǐng)跑優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建完整的空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的無縫銜接，為形成具有國(guó)際引領(lǐng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代國(guó)家信息安全生態(tài)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

在量子計(jì)算方面，確立和鞏固我國(guó)在全球第一方陣的地位，有效解決大尺度量子系統(tǒng)的效率問題，研制對(duì)特定問題的求解能力全面超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的專用量子模擬機(jī)，并為最終實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)探索出一條切實(shí)可行的道路。

在量子精密測(cè)量方面，力爭(zhēng)進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)水平行列，突破與導(dǎo)航、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域密切相關(guān)的一系列量子精密測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)，研制一批重要的量子精密測(cè)量設(shè)備。

綜上所述，以量子信息為主導(dǎo)的第二次量子革命正在向我們走近，它給了我國(guó)一個(gè)從經(jīng)典信息技術(shù)時(shí)代的跟隨者和模仿者轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥硇畔⒓夹g(shù)引領(lǐng)者的歷史機(jī)遇。在國(guó)際上率先掌握能夠形成先發(fā)優(yōu)勢(shì)、引領(lǐng)未來發(fā)展的顛覆性技術(shù)，率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技術(shù)體系，推動(dòng)我國(guó)的信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力實(shí)現(xiàn)跨越式提升，迅速趕超世界傳統(tǒng)強(qiáng)國(guó)，實(shí)現(xiàn)“彎道超車”，是我國(guó)量子科技領(lǐng)域的重要使命。

（作者：中科院院士、九三學(xué)社中央副主席、中國(guó)科技大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)）

責(zé)任編輯：高天鼎