量子科技：中國按下“快進鍵”

科技輿情分析研究所

焦點縱橫

近年來，量子科技發(fā)展突飛猛進，成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域。加快發(fā)展量子科技，對促進高質(zhì)量發(fā)展、保障國家安全具有非常重要的作用。

自從問世以來，量子科學(xué)已經(jīng)先后孕育出原子彈、激光、核磁共振等新技術(shù)，成為20世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。進入21世紀(jì)，量子科技革命的第二次浪潮即將來臨。

第二次量子科技革命將催生量子計算、量子通信和量子測量等一批新興技術(shù)，將極大地改變和提升人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力。

人類對量子世界的探索已經(jīng)從單純的“探測時代”走向主動“調(diào)控時代”。

搶抓發(fā)展機遇，中國量子崛起

在量子科技領(lǐng)域，一場激烈的競賽正在展開。量子通信、量子計算、量子測算……如今，量子科技已成為全球科技大國集中發(fā)力的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革前沿陣地。搶抓量子科技發(fā)展機遇，中國已按下“快進鍵”。

2016年8月，中國發(fā)射了自主研制的世界上首顆空間量子科學(xué)實驗衛(wèi)星——“墨子號”?！蹲匀弧冯s志曾評價道，在量子通信領(lǐng)域，中國用了不到10年的時間，由一個不起眼的國家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美。

量子通信是各國優(yōu)先發(fā)展的重點量子科技領(lǐng)域。傳統(tǒng)的通信方式中，加密方式依靠的是計算的“復(fù)雜性”，有被竊聽的風(fēng)險。而量子的獨有特性，使其具有不可克隆、測不準(zhǔn)等“先天優(yōu)勢”。用量子做成的“密鑰”來傳遞信息，加密的內(nèi)容不會被破譯，竊聽者必然會被“抓包”。量子通信因此被看作信息安全傳輸?shù)摹氨Ｗo盾”，為破解信息加密“瓶頸”提供了解決方案。

近年來，中國量子通信技術(shù)取得多項突破性進展。“墨子號”的發(fā)射為通過太空“量子傳密”提供了可能。與此同時，中國科研人員還利用量子衛(wèi)星在國際上率先成功實現(xiàn)了千公里級的星地雙向量子糾纏分發(fā)等成果。2017年，全球首條量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”項目通過總技術(shù)驗收。

今年，中國科學(xué)家在量子通信領(lǐng)域同樣取得諸多成果。

3月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊等研究人員實現(xiàn)了500公里級真實環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(fā)和相位匹配量子密鑰分發(fā)，傳輸距離達到509公里，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

5月，中國科研團隊在國際物理學(xué)權(quán)威期刊《現(xiàn)代物理評論》上發(fā)表論文，系統(tǒng)闡述了量子密碼的原理、理論和實驗技術(shù)，為量子密碼的廣泛應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)化制定奠定了基礎(chǔ)。

9月，郭光燦院士團隊與奧地利同行合作，首次實現(xiàn)了高保真度的32維量子糾纏態(tài)，顯著提高了量子通信的信道容量，創(chuàng)造了當(dāng)前世界最高水平。

與傳統(tǒng)計算機相比，量子計算機有獨特優(yōu)勢。如果計算機操縱的量子數(shù)目增多，就會以指數(shù)級增長提升計算機的運算速度，計算能力潛力巨大。

隨著運算能力的提升，社會生活的諸多領(lǐng)域都有望迎來“革命”——提高農(nóng)作物產(chǎn)量、指導(dǎo)科學(xué)的城市交通規(guī)劃、促進新藥研發(fā)、實現(xiàn)高精度的天氣預(yù)報……專家表示，量子計算將極大促進當(dāng)前人工智能及其應(yīng)用的發(fā)展，深刻地改變包括基礎(chǔ)教育在內(nèi)的眾多領(lǐng)域。

近年來，在量子計算領(lǐng)域，世界各個科技發(fā)達國家群雄逐鹿，IBM、谷歌、微軟等企業(yè)你追我趕，通過不同技術(shù)路徑實現(xiàn)對更多量子比特的操縱。去年10月，谷歌研究人員在《自然》雜志發(fā)表論文稱，已成功演示“量子霸權(quán)”，讓量子系統(tǒng)花費約200秒完成傳統(tǒng)超級計算機要1萬年才能完成的任務(wù)。

中國在量子計算領(lǐng)域整體上與發(fā)達國家處于同一水平線，多支科研團隊取得了階段性成果。去年年底，潘建偉等學(xué)者與德國、荷蘭的科學(xué)家合作，在國際上首次實現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，在四大關(guān)鍵指標(biāo)上均大幅刷新國際紀(jì)錄，逼近實現(xiàn)量子計算研究的重要目標(biāo)“量子霸權(quán)”。

而在企業(yè)方面，百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業(yè)也相繼出臺了量子計算研究計劃。今年9月，中國企業(yè)自主研發(fā)的6比特超導(dǎo)量子計算云平臺正式上線，全球用戶可以在線體驗來自中國的量子計算服務(wù)。

各國競爭激烈，爭奪技術(shù)制高點

當(dāng)前，在量子科技領(lǐng)域整合科技資源、集中力量突破，已在主要發(fā)達國家中形成廣泛共識。歐美發(fā)達國家的政府、科研機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)資本正在加速進行戰(zhàn)略部署，大幅度增加研發(fā)投入，量子科技領(lǐng)域的國際競爭日益激烈。

全球主要科技強國均出臺了國家層面的量子信息技術(shù)戰(zhàn)略計劃。美國正在建設(shè)量子網(wǎng)絡(luò)；英國建成了連接布里斯托、劍橋等地的量子網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)合新加坡啟動了量子衛(wèi)星項目；德國、法國等19個歐盟成員國簽署了未來10年開發(fā)和部署歐盟范圍內(nèi)量子通信基礎(chǔ)設(shè)施的聲明。

在歐洲，歐盟早在2016年就宣布將量子技術(shù)作為新的旗艦科研項目，迎接“第二次量子革命”。德國日前表示，計劃在2021年建成該國首臺量子計算機，并在5到10年后推動相關(guān)新技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

美國于2018年啟動“國家量子行動法案”，全方位加速量子科技的研發(fā)與應(yīng)用。今年7月，美國能源部公布了量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略藍圖，提出要確保美國處于全球量子競賽的前列，引領(lǐng)通信新時代。隨后將成立5個專注于量子信息科技的研究中心。近日，美國還開通了國家量子協(xié)調(diào)辦公室網(wǎng)站，并發(fā)布了聚焦八大研究領(lǐng)域的《量子前沿報告》。

日本為了加強科技實力，今年宣布對其文部科學(xué)省機構(gòu)進行大幅調(diào)整，加速基礎(chǔ)研究和國際競爭日益激烈的前沿技術(shù)的研發(fā)工作。設(shè)置專門機構(gòu)推動科研工作，對包括量子技術(shù)在內(nèi)的新興領(lǐng)域進行統(tǒng)一管理。10月19日，日本東芝宣布將推出通過現(xiàn)有光纖線路提供“量子加密通信”的服務(wù)。這種服務(wù)不用鋪設(shè)專用線路，有助于量子加密通信的普及。

近年來，我國科技工作者在量子科技上奮起直追，取得了一批具有國際影響力的重大創(chuàng)新成果。經(jīng)過30多年努力，中國已崛起為國際量子科研版圖上的重要力量，在多個戰(zhàn)略方向上實現(xiàn)領(lǐng)跑或進入第一陣營。

市場前景廣闊，美好未來可期

從目前的發(fā)展情況來看，量子計算還處于原型機研發(fā)階段，技術(shù)上仍面臨多項挑戰(zhàn)，距離技術(shù)成熟還有很長的一段路要走，但是一旦技術(shù)得到突破，那么市場前景將會異常的廣闊。波士頓咨詢預(yù)測稱，保守估算，到2035年，量子計算市場將達到20億美元。到2050年，市場規(guī)模將飆升至2600億美元。

對于量子通信市場，從長期來看，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場景十分廣泛，包括網(wǎng)絡(luò)信息安全、量子通信干線、量子城域網(wǎng)、金融、國防和科教應(yīng)用等方面。若僅考慮量子干線以及量子城域網(wǎng)的建設(shè)，量子通信建設(shè)投資規(guī)模有望達到百億級別。考慮長期在國防、金融、政府等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，量子通信整體市場規(guī)模有望超過千億。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)顯示，2018年，中國量子通信行業(yè)市場規(guī)模達到320億元左右，預(yù)計到2024年能夠達到912億元。

量子科技正進入“產(chǎn)業(yè)化前夜”，通過促進產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，未來將為人們生活增添無限可能。