更好推進我國量子科技發展

2020年12月08日 16:26:52
來源: 《紅旗文稿》2020/23 作者: 潘建偉

  2020年10月16日,中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習,習近平總書記在主持學習時強調,“要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性,加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局,把握大趨勢,下好先手棋?!薄凹涌彀l展量子科技,對促進高質量發展、保障國家安全具有非常重要的作用?!?/p>

  上世紀初建立的量子力學是人類歷史上最偉大的科學革命之一。隨著量子力學的建立而催生的第一次量子革命,帶來了原子能、半導體、激光、核磁共振、超導和全球衛星定位系統等重大技術的發明,從根本上改變了人類的生活方式和社會面貌。自上世紀90年代以來,量子調控技術的巨大進步使得人們可以對光子、原子等微觀粒子進行主動的精確操縱,人類認識和改造世界的實踐達到了一個新的歷史高度。以量子信息科學為代表的量子科技,可以在保障信息安全、提高運算速度、提升測量精度等方面突破經典技術的瓶頸,成為信息、能源、材料和生命等領域重大技術創新的源泉,為保障國家安全和支撐國民經濟高質量發展提供核心戰略力量。

  習近平總書記指出,“量子科技發展具有重大科學意義和戰略價值,是一項對傳統技術體系產生沖擊、進行重構的重大顛覆性技術創新,將引領新一輪科技革命和產業變革方向?!碑斍?,以量子信息科學為代表的量子科技正在不斷形成新的科學前沿,激發革命性的科技創新,孕育對人類社會產生巨大影響的顛覆性技術。該領域的迅猛發展標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用包括量子通信、量子計算和量子精密測量三方面。

  量子通信是利用量子比特作為信息載體來進行信息交互的通信技術。量子通信有兩種最典型的應用,分別是量子密鑰分發和量子隱形傳態。量子密鑰分發是指利用量子態來加載信息,通過一定的協議在遙遠地點的通信雙方共享密鑰。量子力學基本原理保證了密鑰的不可竊聽,從而可在原理上實現無條件安全的量子保密通信。量子隱形傳態是指利用量子糾纏來直接傳輸微觀粒子的量子狀態(即量子信息),而不用傳輸這個微觀粒子本身。量子隱形傳態可以連接量子信息處理單元來構建量子網絡,同時也是遠距離量子密鑰分發所需的量子中繼的重要環節,因此,國際學術界將量子密鑰分發和量子隱形傳態統稱為量子通信。量子密鑰分發是最先走向實用化和產業化的量子信息技術。

  量子計算具有強大的并行計算和模擬能力,可為人工智能、密碼分析、氣象預報、資源勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供解決方案。量子計算機的計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長,一臺操縱50個粒子的量子計算機,對特定問題的計算能力就可超過目前最快的超級計算機。量子計算機一旦研制成功,將對基于計算復雜度的經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原理,與計算復雜度無關,即使是量子計算機也無法破解。

  利用量子狀態對環境的高度敏感,可以對時間、位置、加速度、電磁場等物理量實現超越經典技術極限的量子精密測量,大幅度提升衛星導航、水下定位、醫學檢測和引力波探測等的準確性和精度。例如,利用目前最好的傳統自主導航技術,水下航行100天后定位誤差達數百公里,需定期上浮用衛星修正;而利用原子干涉重力儀、原子陀螺儀等量子自主導航技術,水下定位精度可大幅提升至100天誤差小于公里量級,不需要衛星修正。

  我國量子信息科技的發展形勢

  我國高度重視量子信息科技的發展,在量子信息科技領域突破了一系列重要科學問題和關鍵核心技術,產出了一批具有重要國際影響力的成果。習近平總書記在黨的十九大報告中指出,“墨子、大飛機等重大科技成果相繼問世”;“墨子號”量子衛星和光量子計算原型機,習近平總書記在2017年和2018年新年賀詞中分別提到;僅近7年來,量子科技相關成果就3次獲得國家自然科學一等獎??傮w而言,我國在量子通信的研究和應用方面處于國際領先地位,在量子計算方面與發達國家處于同一水平線,在量子精密測量方面發展迅速。

  量子通信的發展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網絡體系。通過光纖實現城域量子通信網絡、通過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連接、通過衛星平臺的中轉實現遙遠區域之間的連接,是廣域量子通信網絡的發展路線。

  我國的城域量子通信技術已初步滿足實用化要求,自主研制的量子通信裝備已經為黨的十八大、十九大、紀念抗戰勝利70周年閱兵等國家重要活動提供了信息安全保障。在城際量子通信方面,我國建成了國際上首條遠距離光纖量子保密通信骨干網“京滬干線”,在金融、政務、電力等領域開展遠距離量子保密通信的技術驗證與應用示范。在衛星量子通信方面,我國研制并發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”?!澳犹枴绷孔有l星在國際上率先實現了星地量子通信,首次實現了洲際量子通信,充分驗證了基于衛星平臺實現全球化量子通信的可行性。

  習近平總書記指出,要“統籌基礎研究、前沿技術、工程技術研發,培育量子通信等戰略性新興產業,搶占量子科技國際競爭制高點,構筑發展新優勢”。量子科技從實驗室走向實際應用的過程中,需要經歷基礎研究、關鍵技術研發、工程化集成與驗證等階段,然后才能實現規?;虡I應用?!熬删€”和“墨子號”量子衛星等,都是基于我國前期十余年的基礎和應用研究成果而進行的工程化集成與驗證項目,為核心器件的自主研發、相關應用標準的制定和未來規?;膽闷鸬搅肆己玫耐苿幼饔?。

  在未來兩到三年,通過關鍵器件的芯片化,量子加密設備的尺寸有望縮小到手機大小,并大幅降低成本。利用“墨子號”積累的成功經驗,低軌量子衛星的研制成本可由數億元降到千萬元量級,地面站的重量也由十幾噸降到一百公斤左右,可初步支撐移動量子通信。

  量子計算研究的核心任務是多量子比特的相干操縱。根據相干操縱量子比特的規模,量子計算有如下發展階段:

  第一個階段是實現“量子優越性”,即量子計算機對特定問題的計算能力超越傳統超級計算機,達到這一目標需要約50個量子比特的相干操縱。美國谷歌公司已在2019年率先實現“量子優越性”。

  第二個階段是實現專用量子模擬機,即相干操縱數百個量子比特,應用于組合優化、量子化學、機器學習等特定問題,指導材料設計、藥物開發等。達到該階段需要5至10年,是當前的主要研究任務。

  第三個階段是實現可編程通用量子計算機,即相干操縱至少數百萬個量子比特,能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發揮巨大作用。由于量子比特不可避免地會受到環境噪聲的影響而出錯,對于規?;牧孔颖忍叵到y,通過量子糾錯來保證整個系統的正確運行是必然要求,也是一段時期內面臨的主要挑戰。由于技術上的難度,何時實現通用量子計算機尚不明確,國際學術界一般認為還需要20年左右甚至更長時間。

  目前,國際上正在對各種有望實現可擴展量子計算的物理體系開展系統性研究。我國已完成了所有重要量子計算體系的研究布局,成為包括歐盟、美國在內的三個具有完整布局的國家(地區)之一。

  根據各物理體系的優勢,學術界一般認為在光量子、超導和超冷原子等體系有望率先實現實用化的專用量子模擬機。我國在光量子體系實現了首個超越早期經典計算機能力的光量子計算原型機,將在近期實現超越谷歌的“量子優越性”;在超導體系近期也有望實現超越谷歌的“量子優越性”;在超冷原子體系,我國目前整體上與歐美發達國家處于并跑狀態,在規?;蛹m纏的制備與操縱,對自旋軌道耦合、超冷分子反應等的量子模擬方面取得了系列重要成果,為解決若干經典計算機難以勝任的復雜問題奠定了基礎。

  離子、硅基量子點等物理體系同樣具有多比特擴展和容錯性的潛力,也是目前國際量子計算研究的熱點方向。我國在這些體系的量子計算基本要素方面積累了大量關鍵技術,與國際主要研究力量處于并跑水平。此外,由于拓撲量子計算在容錯能力上的優越性,利用拓撲體系實現通用量子計算機是國際上面向長遠的重要研究目標。目前國內外均在為實現單個拓撲量子比特這一“0到1”的突破而努力。

  量子精密測量的主要應用包括高精度光頻標與時間頻率傳遞、量子陀螺儀、原子重力儀等量子導航技術,量子雷達、痕量原子示蹤、弱磁場探測等量子靈敏探測技術等。這些技術的應用價值已比較明朗,將在慣性導航、下一代時間基準、隱身目標識別、全球地形測繪、醫學檢驗、物理學基本問題等廣泛領域發揮重要作用。我國在量子精密測量領域起步較晚,整體上相比發達國家存在一定的差距,但近年來已經迅速縮小了差距,在部分方向上與公開報道的國際最高水平相當。

  量子科技發展呈現出激烈的國際競爭態勢

  目前,量子科技已進入到深化發展、快速突破的歷史新階段,迫切需要多學科的密切交叉以及各項關鍵技術的系統集成。歐美發達國家的政府、科研機構和產業資本正在加速進行戰略部署,大幅度增加研發投入,對我國取得的局部領先優勢發起強烈沖擊。

  2018年12月,美國啟動了為期10年的“國家量子行動法案”,在2019-2023年期間增加投入約13億美元,連同其它常規性投入,5年政府投入達30億美元;美國還將在2022年之前把量子科技的研發資金增加一倍,以確保美國的全球領導地位;歐盟于2018年10月正式實施“量子技術旗艦項目”,連同各成員國的配套,總經費超過40億歐元;英國于2016年啟動“國家量子技術專項”,迄今總投入已超過10億英鎊;2018年9月,德國政府通過“量子技術:從基礎到市場”國家量子技術框架計劃,在2018—2022年內投入6.5億歐元,在新冠疫情后又追加了20億歐元。

  谷歌于2013年與美國國家航天局、加州大學圣芭芭拉分校聯合成立了量子人工智能實驗室;IBM于2014年宣布未來5年投資30億美元開展量子計算等下一代計算技術開發;微軟于2014年與哈佛大學、玻爾研究所等組建量子設計與量子計算研究中心;英特爾于2016年宣布與荷蘭代爾夫特理工大學合作開發新型量子計算機。值得指出的是,由于量子計算機研發存在一定的不確定性,我國企業對這一領域的投入熱情相比美國明顯不足。

  2017年,美國商務部將“專門設計(或改造)以用于實現或使用量子密碼”的商品明確列入出口管制清單;美國商務部于2018年11月開始管制14項涉及國家安全和前沿科技的技術出口,其中包括量子密碼、量子計算及量子傳感。其他一些北約國家也開始將相關關鍵設備和器件列入對我國禁運范圍。

  搶占量子科技國際競爭制高點

  為應對量子科技領域激烈的國際競爭,牢固掌握未來的發展主動權和創新主動權,黨中央高度重視該領域的資源整合和協同創新,在“十四五”規劃中明確指出,要瞄準量子信息等前沿領域,實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目。我國量子領域未來10到15年的總體發展目標是:

  在量子通信方面,繼續保持和擴大我國的領跑優勢,構建完整的空地一體廣域量子通信網絡技術體系,實現量子通信網絡和經典通信網絡的無縫銜接,為形成具有國際引領地位的戰略性新興產業和下一代國家信息安全生態系統奠定基礎。

  在量子計算方面,確立和鞏固我國在全球第一方陣的地位,有效解決大尺度量子系統的效率問題,研制對特定問題的求解能力全面超越經典超級計算機的專用量子模擬機,并為最終實現通用量子計算機探索出一條切實可行的道路。

  在量子精密測量方面,力爭進入國際先進水平行列,突破與導航、環境監測、醫學檢驗、科學研究等領域密切相關的一系列量子精密測量關鍵技術,研制一批重要的量子精密測量設備。

  綜上所述,以量子信息為主導的第二次量子革命正在向我們走近,它給了我國一個從經典信息技術時代的跟隨者和模仿者轉變為未來信息技術引領者的歷史機遇。在國際上率先掌握能夠形成先發優勢、引領未來發展的顛覆性技術,率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技術體系,推動我國的信息技術和產業核心競爭力實現跨越式提升,迅速趕超世界傳統強國,實現“彎道超車”,是我國量子科技領域的重要使命。

 ?。ㄗ髡撸褐锌圃涸菏?、九三學社中央副主席、中國科技大學常務副校長)

  責任編輯:高天鼎

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