2021年10月25日 星期一
量子科技,中国按下“快进键”
第25版:量子力学就在身边 2021-01-11

量子科技,中国按下“快进键”

刘朝晖

中科院院士潘建伟在办公室内与“墨子号” 量子卫星模型合影。

2016 年12 月10 日,在西藏阿里观测站,“墨子号” 量子科学实验卫星过境,科研人员在做实验(合成照片)。

科研人员在中国科学技术大学先进技术研究院量子通信“京沪干线” 总控中心工作。

正在建设中的中科院量子信息与量子科技创新研究院。

中国在量子科技从基础研究向应用领域的转化,以及相关的战略布局也在加速。在这场关于未来的激烈竞逐中,中国已经按下了“快进键”。

记者|刘朝晖

“量子就是一切物质分割到最小,其无法再分割的那个单位物质或者能量”。被普通人视为烧脑概念的小小量子,正在从艰深的物理学名词变为最为热门的科技概念之一。量子通信、量子计算、量子测量……作为21 世纪尖端科技的量子科技,成为全球科技大国集中发力的新一轮科技革命和产业变革前沿阵地。

在这一领域,中国近几年取得了一系列重要科学问题和关键核心技术突破,并在部分方向实现国际领先,令全球科技界为之瞩目。与此同时,中国在量子科技从基础研究向应用领域的转化,以及相关的战略布局也在加速。在这场关于未来的激烈竞逐中,中国已经按下了“快进键”。

“墨子” 和“九章” 确立领先身位

量子通信是各国优先发展的重点量子科技领域。量子的独有特性,使其具有不可克隆、测不准等“先天优势”,用量子做成的“密钥” 来传递信息,加密的内容不会被破译,安全性远非传统的通信加密方式可比,因此量子通信被看作信息安全传输的“保护盾”,为破解信息加密“瓶颈” 提供了解决方案。

2016 年的8 月,一颗名为“墨子号” 的卫星在酒泉成功发射升空,揭开了中国量子科技发展的神秘面纱,因为这是世界首颗量子科学实验卫星。“墨子号” 的升空,使中国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建了天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

随后,中国科研人员利用量子卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发等成果。2017 年,全球首条量子保密通信骨干网“京沪干线” 项目通过总技术验收。

就在去年,中国科学家在量子通信领域同样取得诸多成果。3 月,中国科学技术大学潘建伟团队等研究人员实现了500 公里级真实环境光纤的双场量子密钥分发和相位匹配量子密钥分发,传输距离达到509 公里,创造了新的世界纪录。5 月,中国科研团队在国际物理学权威期刊《现代物理评论》上发表论文,22 www.xinminweekly.com.cn系统阐述了量子密码的原理、理论和实验技术,为量子密码的广泛应用以及标准化制定奠定了基础。9 月,郭光灿院士团队与奥地利同行合作,首次实现了高保真度的32 维量子纠缠态,显著提高了量子通信的信道容量,创造了当前世界最高水平。

《自然》杂志对此评价道,在量子通信领域,中国用了不到10年的时间,由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美。

去年12 月初,中国科学技术大学成功构建的76 个光子的量子计算原型机“九章” 问世,迎来了中国量子计算领域的“高光时刻”。2019 年10 月谷歌发布了量子计算机原型机“悬铃木”,谷歌曾为此激动地表示:“最强大的超级计算机在它面前也不过是一个算盘”。然而,中国的 “九章”,速度比谷歌“悬铃木” 快100 亿倍,直接把“悬铃木” 也变成了“算盘”。

一问世就是世界第一,九章成功帮助中国实现了量子计算领域的第一个里程碑——量子计算优越性,即量子计算机对特定问题的计算能力超越超级计算机。通过科学家的奋力追赶,在量子计算领域,中国整体上已经与发达国家处于同一水平线。

量子科技迈向产业化

作为量子科技的基础,科学家对于量子力学的研究已经有逾百年的历史,量子力学为信息革命提供了硬件基础。激光、半导体晶体管,芯片的原理都源于量子力学。量子力学也使得磁盘和光盘的信息存储、发光二极管、卫星定位导航等新技术成为可能。因此,量子科技并不小众,距离民众并不遥远。眼下知名度大增的量子通信和量子计算,以及量子精密测量等,则是量子科技的新的方向和新的领域,被视为量子科技当前最主要的应用方向。这些技术的加速落地,标志着人类正在迎来量子革命的第二次高潮。

量子通信的产业化方向主要在“保密通信”,中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟表示,量子保密通信是在传统通信中使用量子密钥以提升安全性,它并不是要取代现有的通信方式,而是以一种新的途径来大幅提高现有信息系统的安全性。量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。

墨子号量子卫星的发射和量子通信京沪干线的建设,让中国的量子通信接近了产业化和实用阶段,使中国成为世界量子通信应用的领先者。两者结合,中国与奥地利实现了世界首次洲际量子保密通信,构建出了天地一体化的广域量子通信网络雏形。据悉,我国计划2030 年左右率先建成全球化的广域量子保密通信网络,并在此基础上,构建信息充分安全的“量子互联网”。

实际上,这种听上去概念还比较抽象的量子通信,已经从“天地一体化” 开始走向我们更为直观密切的大众生活。去年11 月初,中国电信在2020 天翼智能生态博览会上展出了两台分别根据华为和中兴的现有手机型号改造而来的“量子手机” 样机,其技术提供方科大国盾量子技术股份有限公司,产品已经被部署在“京沪干线” 在内的量子保密通信骨干网等项目。

这种手机的量子密钥的分发,一方面通过建设量子保密通信网络进行广域的分发,同时也可以借助基于国产密码芯片和国密算法的量子安全SIM 卡,完成在手机里的植入,手机借助植入的密钥进行量子安全通话。用户可在通话过程中一键选择“加密通话” 或“普通通话” 模式。中国电信表示,未来该手机会从中国电信的渠道向消费者分发。国盾量子方面透露,除了安全手机,他们还已开发出了量子安全U 盾等产品,未来将有更多产品走入大众生活。

量子计算机运算能力的指数级增长,使之被视为下一代信息革命的关键动力,让社会生活的诸多领域发生深刻改变——提高农作物产量、指导科学的城市交通规划、促进新药研发、实现高精度的天气预报……尽管潘建伟院士认为现在的量子计算原型机更像是一个“玩具”,要实现可以成为“工具” 的通用量子计算机可能需要20 年甚至更久,但是百度、阿里巴巴、腾讯、华为等科技企业已经相继出台了量子计算研究计划。

去年9 月,由中国科学技术大学郭光灿院士团队的成果转化企业合肥本源量子计算科技有限公司研发的6 比特超导量子计算云平台正式上线。这个云平台基于自主研发的量子计算机“悟源”,保真度、相干时间等技术指标达到国际先进水平,全球用户可以在线体验来自中国的量子计算服务。本源量子计算公司表示,他们正在研发下一代量子芯片,预计2021 年底推出20 比特的量子计算机,未来3 年实现50 比特到100 比特的量子计算机。

有专家表示,云服务将是量子计算可提供的服务新形态,量子计算将极大促进当前人工智能及其应用的发展,将融入人工智能,渗透进智能制造、智能物流与智能零售、智慧金融等各行业。只有超越经典计算的量子计算,才能成为人工智能突破极限的坚强后盾。特别是依赖大规模数据处理的机器学习技术,将大大受益于量子计算,产生无限可能。

应用涵盖科研、医疗、地质、能源、灾害预防等领域的量子精密测量,也取得了产业突破。

国仪量子(合肥)技术有限公司是国内最早成立的量子测量企业,技术源于中科院院士杜江峰领导的科研团队。“量子测量的精度可以达到原子量级。” 该公司副总经理张伟介绍,传统测量技术最小只能探测到微米量级,而量子技术可以精细千倍、万倍到纳米、亚纳米量级,带来革命性的技术进步。比如将量子测量用于电网,可以精确监测电流、电压。用于探矿,可以边钻井边测量周边地质成分。用于医疗,可以精确分析血液微量物质含量。国仪量子开发的脉冲式电子顺磁共振波谱仪等产品已上市,与能源和电力行业进行了合作研发。

2021 新年伊始,华中科技大学引力中心团队宣布,其研制出的实用化高精度铷原子绝对重力仪装备,近日成功交付给中国地震局地震研究所。该团队历经15 年潜心研究,攻克了物质波干涉、超低频隔振、装备小型化等量子重力仪的关键技术,于2013 年将量子重力仪的分辨率提升至国际最好水平,并保持至今。作为首台为行业部门研制的量子重力仪,其成功交付,将打破高精度重力仪国外技术垄断的局面,为我国高端量子装备的发展提供新途径,也为行业部门的仪器使用提供具有我国自主知识产权的新选项,更能够保障核心数据的安全。

中国加速战略布局

2020 年10 月16 日,中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习,习近平总书记在主持学习时强调,“要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。”“加快发展量子科技,对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。”

国家对量子科技的重视和顶层设计,让中国的量子科技研究与应用驶上了“快车道”。根据《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》,量子信息被定位为“十四五” 科技创新 7 个重要的发展领域之一。公开资料显示,不少省市的“新基建” 政策方案和项目计划中,都出现了“量子” 的身影。

例如,《北京市加快新型基础设施建设行动方案(2020-2022 年)》指出,“围绕脑科学、量子科学、人工智能等前沿领域,加快推动北京量子信息科学研究院、北京脑科学与类脑研究中心、北京智源人工智能研究院、北京应用数学研究院等新型研发机构建设”;《重庆市新型基础设施重大项目建设行动方案(2020—2022 年)》指出,“提前布局量子通信网,探索量子通信信息安全加密服务应用”;《2020 年浙江省政府工作报告》也指出,“超前布局量子信息”。在安徽“十四五” 规划建议中也明确,支持建设量子信息创新成果策源地和产业发展集聚区,在技术源头、技术溢出和产业孵化、产业扩增等环节加快形成量子信息产业创新链,打造具有全球影响力的 “量子中心”。

北京量子院院长、清华大学副校长薛其坤院士介绍,2017年底,北京市就联合中国科学院、清华大学、北京大学等国内顶尖高校和科研机构,成立了北京量子院。成立三年来,已在全球招聘全职科研人员150 余人,组建了10 余个科研团队,初步完成了微纳加工和综合测试两个平台的建设,在若干领域已处于国际引领位置。

而在致力于打造成为全球科创中心的上海,早在2016 年就已经将 “量子通信” 列入上海科创中心建设“22 条” 意见确定的重大战略项目,“十三五” 科技创新规划也已经将“量子材料与量子通信” 作为重要战略方向作了部署。2019 年6 月,以中国科学技术大学上海研究院为基础,联合在沪相关量子科研力量,上海市与中科院共同成立了上海量子科学研究中心,加快在相关领域内的前瞻性布局。从2003 年以来,上海在量子科技领域已累计投入数亿元。

与此同时,资本的目光也瞄向了量子科技产业的风口,一大批中国企业正为拥抱产业化浪潮加速“奔跑”。天眼查专业版数据显示,2016 年以来,我国量子领域相关企业注册总量迅猛增长,85% 的相关企业新增于5 年之内。目前,量子领域相关企业注册总量是5 年前的6 倍。在刚刚过去的2020 年,我国已新增近700 家量子领域相关企业。以工商登记为准,我国目前有超过4200 家量子领域相关企业,52% 的相关企业注册资本在500 万元以上。

潘建伟指出,量子科技是事关国家安全和社会经济高质量发展的战略性领域。当前,对于量子科技领域的战略布局已成全球共识,对于经过30 多年努力,已经在量子科技多个战略方向上实现领跑或进入第一阵营的中国来说,必须将创新主动权和发展主动权牢牢掌握在自己手中。

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