中共政治局学习的“量子科技”有多重要?与美欧日竞争,中国能抢占先机吗?

中国国家高层已经认识到,当今世界大变局,科技创新是一个关键变量,而量子科技发展突飞猛进,成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。中国开始布局量子科技,与美欧西方强国展开竞争。中国能抢占先机吗?

科技改变人类的生活,也在改变全球竞争的模式。

中国国家高层已经认识到,当今世界大变局,科技创新是一个关键变量。

10月16日,中共中央政治局举行集体学习,内容是“量子科技研究和应用前景”。量子科技专家、清华大学副校长、中国科学院院士薛其坤就这个问题进行了讲解,并提出了意见和建议。

中共中央总书记习近平指出,“量子科技发展突飞猛进,成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域”,“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”。

这是量子科技第一次在公开层面进入到中共最高决策层的集体关注视野中。

1 量子科技有多么重要

365j.me 1 量子科技有多么重要 中共政治局学习的“量子科技”有多重要?与美欧日竞争,中国能抢占先机吗?

最近几十年里,几乎每隔十年都会有新技术诞生,催生新的技术革命。

当前,量子技术已成为未来人类的核心技术,有分析称,“支配量子的国家将支配世界”。

上世纪五十年代开始的晶体管、激光、硬盘、GPS和半导体等技术催生了信息时代。这就是第一次量子技术革命,它从认识量子世界、发现量子效应,进入到发展量子技术的应用。

现如今,量子计算、量子通信、量子精密测量和传感技术的兴起和发展,也正在推动信息技术向量子信息技术跨越,将可能引发新的技术革命。这就是我们所说的第二次量子技术革命时代,以量子计算、量子通信和量子测量为代表。

现在进入新一轮量子技术革命时代。量子科技的发展具有重大的科学意义和战略价值,是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新,并将引领新一轮科技革命和产业变革的方向。

量子科技与当下大火的5G、人工智能、大数据、物联网等都是新一轮科技革命的代表。新的技术会引发新的革命,蒸汽机、电力和计算机的出现及应用成为撬动全球政治经济版图的利器,20世纪50年代的晶体管、半导体等技术让人类进入信息时代,量子计算、量子通信等将推动信息技术向量子技术跨越,新的技术革命正在到来。谁能占得此次科技革命的制高点,谁就为自己赢得了一席之地。

从量子科技本身来看,它是一种颠覆性的技术,比如量子计算有朝一日可能彻底破解当前用于保护各国政府以及企业内机密的现代计算机加密算法,量子雷达与传感机制则可能快速发现隐形飞机与水下潜艇的位置,量子导航能够全面摆脱对太空GPS卫星的依赖,同时提供精确的地理定位功能。

英特尔量子硬件部门总监Jim Clarke表示:“量子可能是未来100年最重要的计算机技术,就好像宇宙空间科学一样,它的研究可能要通过一代人的努力才能进步一点点。”

安全的量子通信在国防、军事、金融等领域应用前景广阔。专家预测,量子通信技术可能在20至30年后对人类社会发展产生难以估量的影响。量子通信因其传输高效和绝对安全等特点,被认为是下一代通信和计算机技术的支撑性研究,也已成为全球物理学研究的前沿与焦点领域。

如果未来这样的技术在某个国家实现突破,他国的政治、经济和军事机密等被暴露无遗,一国的“国家安全”也将受到严重的挑战,现下的国际秩序规则也将受到威胁。

大国对量子科技的重视背后是对新一轮工业革命到来所做的准备,它关乎一国的安全,也关乎一国的国际地位。国与国之间的竞争已经不再是正面的战争形式,而是科技之争,这将是决定一国未来的关键之所在。

以量子计算、量子通信、量子精密测量为代表的量子信息技术已成为未来国家科技发展的重要领域,量子科技很有可能在本世纪掀起一场新的产业革命。

2 美欧日英竞相抢占量子科技先机

365j.me 2 美欧日英竞相抢占量子科技先机 中共政治局学习的“量子科技”有多重要?与美欧日竞争,中国能抢占先机吗?

目前,世界重要国家纷纷开展了国家级量子科技战略布局,在进行顶层规划、研究应用布局的同时大幅增加投入。

一场量子科技竞赛巨幕已经拉开。

美欧日等科技大国已经尝到了科技发展带来的甜头,也致力于在高新技术层面继续发力,以维持自己在全球中的优先地位。

相比于中国高层还处于“学习”阶段,欧美日已经提前布局量子科技,从国家层面发表了有关“量子”的战略计划和安排。

——美国在量子科技领域的动作不断

2018年6月,美国国家科技委员会(NSTC)在成立了量子信息科学子委员会,协调联邦政府关于量子信息科学的研发活动。

2018年9 月,特朗普政府发布《量子信息科学的国家战略概述》,指出量子测量有望为军事任务提供先进的传感器,发展新的测量科学和量子基准,改善导航和定时技术。

同月,由白宫科技政策办公室主办的量子信息科学峰会宣布成立量子经济发展联盟联合体。

同年12 月21 日,特朗普签署《国家量子倡议法》,全方位加速量子科技的研发与应用,确保美国量子科技领先地位,开启量子领域的“登月计划”。

根据法案,美将制定量子科技长期发展战略,实施为期10年的“国家量子计划”。政府未来5年内将斥资12.75亿美元开展量子信息科技研究,其中美国国家标准与技术研究院获资4亿美元,制定量子科技发展标准;国家科学基金会获资2.5亿美元,支持量子科技人才建设;能源部获资6.25亿美元,成立量子信息科研中心,加速科技攻关。此外,美将成立国家量子协调办公室,协调政府机构、学术和产业界,形成发展合力。

今年2月,特朗普政府在2021年度的政府财政预算提案中提到,希望将更多资金投入到人工智能和量子信息科学当中。

8 月26 日,白宫、美国国家科学基金会和美国能源部宣布,将在全国范围内设立12 个新的人工智能和量子信息科学研发机构,为其提供超过10 亿美元的资金支持。

10月7日,白宫科学和技术政策办公室启用了国家量子协调办公室的官方网站,同时发布了《量子前沿报告》,内容同样有关“量子”。

10月15日,美国发布了《关键与新兴技术国家战略》,在20项关键与新兴技术的清单中,量子信息科学在列。

    ——欧盟早就启动了量子科技研究

2016年3月,欧盟于发布《量子宣言(草案)》,呼吁建立10亿欧元的量子技术旗舰计划,其中量子测量作为重要研究领域,计划在科学研究、产业推广、技术转化、人才培养等方面都给予重要支撑。

2018年10月,欧盟投资10亿欧元启动为期10年的量子技术旗舰计划,并启动首批19个科研类项目,迎接“第二次量子革命”。

当年,德国发布“联邦量子技术计划”,1期投入6.5亿欧元(1欧元约合1.13美元);在新冠肺炎(COVID-19)疫情后的经济刺激计划中,特设“量子专项”,再投入20亿欧元。

今年4月,欧盟有24个成员国承诺,在未来10年共同研发和部署欧盟量子通信基础设施。

10月1日至2日,在欧盟峰会上,各国领导人希望在欧盟预算和复苏计划下,在未来7年向欧盟国家提供的1.8万亿欧元中“相当大的一部分”投资于超级计算机和量子计算、区块链、以人为本的人工智能、微处理器、5G移动网络或网络威胁防护及安全通信领域。

——日本更早进入量子科技领域

2012年,日本就计划成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构,未来10 年内投资400亿日元(1日元约合0.0094美元),支持量子通信和量子信息领域的研发。

今年1月,日本统合创新战略推进会议发布《量子技术创新战略(最终报告)》,并在8月宣布将建8个量子研发基地。

——英俄印也在将目光投向量子技术

英国:2015年,发布《英国量子技术路线图》,正式启动“国家量子技术计划”。该路线图对原子钟、量子传感器、量子惯性导航和量子增强成像等技术领域可能的商业化时间和发展路线图进行了分析和研究,并且在《量子技术国家战略》中强调了量子领域基础研究、技术应用、人才培养和国际合作方面的发展战略。

2018年10月,英国联合新加坡启动了量子卫星项目。

目前已累计投资超过5亿英镑建立量子技术研发中心。

俄罗斯:2019年12月6日,俄罗斯副总理阿基莫夫(Maxim Akimov)在索契举行的技术论坛上提出(俄罗斯)国家量子行动计划,拟5年内投资约7.9亿美元,打造一台实用的量子计算机,并希望在实用量子技术领域赶上其他国家。

今年9月4日,俄罗斯政府委员会批准了俄罗斯铁路公司牵头制定的俄联邦量子通信发展路线图。

印度

今年3月,印度财政部长斯塔拉曼(Nirmala Sitharaman)在政府2020年预算中宣布了一项国家量子技术与应用任务,任务为期五年,总预算支出为800亿卢比(约11亿美元) ,由科技部实施。相比印度政府在过去5年里量子计算研究的预算2,790万美元,投入增加了40倍。

3 中国在量子科技领域的地位如何

365j.me 3 中国在量子科技领域的地位如何 中共政治局学习的“量子科技”有多重要?与美欧日竞争,中国能抢占先机吗?

中国作为新兴国家,在过去的三次工业革命中都被边缘化,如今面临量子科技新的机遇,更为迫切地希望抓住。

中国在量子科技领域的地位如何?

量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科,主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等;量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。

今年5月,《华尔街日报》曾对美中两国在五大科技领域的优势进行对比,其中包括量子计算领域的优势比较。对比的结果是,就建造量子计算机而言,美国无疑是全球领导者。中国的科学家也已建造量子计算机,但仍落后美国很多年。但是,在量子通讯方面,中国领先于美国。

腾讯网10月19日刊载的文章也说,中国在量子通信及量子计算两个领域都有不错的科技实力,尤其是量子通信更是在全世界领跑。同时坦承,中国在量子计算方面并没有太突出的优势,与世界领先水平有一定的距离,不过中国方面正在追赶。

欧洲量子通信泰斗、日内瓦大学教授、瑞士IDQuantique公司创始人、董事长尼古拉斯·吉森(Nicolas Gisin)对第一财经记者表示:“中国在量子通信方面的技术非常领先,但是在量子计算机和量子芯片等领域还有进一步提升的空间。”

中国在量子通信领域的基础科研成果走在世界前列。2016年8月,中国成功发射人类历史上首颗量子卫星“墨子号”。2017年,星地量子密钥分发的成码率已达到10kbps量级,成功验证了星地量子密钥分发的可行性。目前经过系统优化,密钥分发成码率已能够达到100kbps量级,具备了初步的实用价值。

相关专家估计,目前中国在卫星量子通信方向领先美欧等发达国家五年左右时间。但国际上的技术竞争相当激烈,不进步就会被超过。

相关资料显示,在彰显国家基础科研实力的论文数量方面,量子计算机方面先行一步的美国,2014年到2018年共发表该领域研究论文1948篇,高居全球第一;排名第二的中国1495篇。另一方面,中国在与安全保障相关的量子密码相关领域占据优势。在论文数量上,中国发表了2169篇,约为美国的两倍;包括涉及传感器在内的总体论文数量中国也是排在第一位。

业内人士认为,中国在量子计算领域刚刚起步,仍处于落后追赶的地位。有关专家指出,由于研发投入不足,人才和设备缺乏,都导致中国在量子计算方面远落后于美国。

有关资料显示,中国目前能做量子计算的人不超过百位数量级,有能力做量子计算的团队不超过十位数量级。

近日,知识产权产业媒体IPRdaily与incoPat创新指数研究中心发布的一项全球量子计算技术发明专利排行榜显示,美国公司在榜单中占比高达43%,中国公司占比12%。入榜企业前6位都被美国公司占领,分别是IBM、DWave、谷歌、微软、Northrop Grumman、英特尔,而中国本源量子以77项专利排名第7。尽管包括阿里巴巴、腾讯、百度和华为在内的中国科技巨头都在布局量子计算,但是都处于初期阶段。

4 中国量子科技研究还有很长的路要走

365j.me 4 中国量子科技研究还有很长的路要走 中共政治局学习的“量子科技”有多重要?与美欧日竞争,中国能抢占先机吗?

依据目前掌握的资料,中国量子科技研究起步于2011年开始。

2011年底,中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队,联合中科院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等经过艰苦攻关,最终研制成功了“墨子号”量子科学实验卫星。

该成果发表《科学》《自然》等国际顶级学术刊物上,被誉为“令人钦佩的成就”“本领域的一个里程碑”。

2013年,中国科学院院士,中国科学院物理研究所研究员薛其坤首次发现了量子反常霍尔效应。这一消息一经发布,就被杨振宁等人评价为诺贝尔奖级别的发现。

2016年是中国在量子科技领域取得重大进展的一年。

当年,中国在国家重点研发计划中设立“量子调控与量子信息”重点专项,将量子调控与量子信息技术纳入国家发展战略,将量子精密测量定为重点研究领域,提出支持量子精密测量技术的“原子陀螺仪”、“空间量子成像技术”、“原子磁强计”和“芯片原子钟”诸项目。

中国还耗资100亿美元,在华东地区建设巨大的量子信息科学实验室。

当年最重要的成果就是发射了“墨子号”量子卫星。这是中国完全自主研制的世界上第一颗量子科学实验卫星。这颗卫星被起名为“墨子号”,是为了纪念2000多年前崇尚科学的中国古代思想家墨子-他是世界上第一位开展光学实验的科学家。

“墨子号”开启了全球化量子通信、空间量子物理学和量子引力实验检验的大门,为中国在国际上抢占了量子科技创新制高点,成为了国际同行的标杆。

当年6月16日,“墨子号”的第一个重要成果-国际上率先实现千公里级的量子纠缠分发以封面论文的形式发表在《科学》杂志上。这个实验证明量子纠缠,这种令爱因斯坦都感到困惑的“遥远地点间的诡异互动”,在这样大的尺度上依然存在。

    当年8月10日,《自然》杂志刊登了“墨子号”取得的另外两项成果:星地量子密钥分发和地星量子隐形传态。《自然》杂志物理科学主编卡尔·齐姆勒斯说,这一系列实验表明,量子技术已经突破了天空的限制。

在不到一年的时间内,“墨子号”完成了原计划开展两年的科学实验目标。中国科学院院长白春礼说,这标志着中国量子通信研究在国际上达到全面领先的优势地位。

2017年5月,“墨子号”在国际上首次成功实现了千公里级的星地双向量子通信。中国科学家利用“墨子号”开展的卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态,为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了坚实的科学和技术基础,同时向着空间尺度的量子物理和量子引力的实验探索迈出了第一步。

“墨子号”首席科学家、中国科学院院士潘建伟说,这表明中国正从经典信息技术的跟随者,转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者。他说,以星地量子密钥分发为基础,将卫星作为可信中继,可以实现地球上任意两点的密钥共享,将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外,将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网(如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线)互联,可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。

  目前,奥地利已经与中科院科研团队展开合作,德国、意大利等国家的科研团队也申请加入,“领跑”的量子卫星所产生的聚合效应已经显现。

    与此同时,中国在量子计算机研究方面也取得了突破性进展,构建出世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机,为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了坚实基础,国际学术界将这一目标称为“量子称霸”。

  这个量子计算机尚处在“婴儿”阶段的成果,诞生在上海的中科院量子信息和量子科技创新研究院实验室内三平米的工作台上。专家预计,中国有望在今年年底制造出能与通用手提电脑计算能力相比拟的量子计算机,并计划在2020年制造出超越目前最强大的超级计算机的量子计算机,实现“量子称霸”。

截止目前,尚未看到“超越目前最强大的超级计算机的量子计算机”面世的报道。

目前, 中国科学技术大学潘建伟团队正在三个很有希望的方向上努力推进:光子量子计算、超冷原子量子计算和超导量子计算。

2019年9月,杨振宁在墨子奖的颁奖典礼上,称赞量子力学促成了现代计算机和互联网产业,这些在20世纪为人类产生了决定性的影响。并且杨振宁重点提到了量子计算和量子通信,称量子计算和量子通信“将主宰21世纪”。

今年5月26日,中国科研团队在国际物理学界最权威的综述性期刊《现代物理评论》(Reviews of Modern Physics)上发表了一篇题为“基于现实器件的安全量子密钥分发”的长篇综述论文,系统阐述了量子密码的原理、理论和实验技术,回答了“量子密码破译者能否通过利用辅助渠道成功破解真实系统”以及“量子密码制造者是否能够设计创新对策来挫败量子密码破坏者”等问题。这篇综述中所涉及的技术理论和实验,将为量子密码的广泛应用以及标准化制定奠定基础。

今年10月16日,国家明确提出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。量子科技迎来重大利好。

总体而言,目前中国在量子通信产业化方面走在全球前列,但是在量子计算和量子模拟传感方面仍然落后于欧美国家。

实际上,中国科技企业真正的短板,在于短期效益遮住了中国科技企业的眼光,不论就其科技视野和战略策划方面,都远远不及西方企业。

中国科技企业要迎头赶上美欧日等发达国家,还有很长的路要走。关键是要改变自己,着眼于长远战略的谋划与布局,短期则要卧薪尝胆,加大投资和广招人才,脚踏实地潜心研究。

还是那句老话:千里之行始于足下!弹跳的力量基于腰腿的强劲!

5 最重要的是尊重人才和招揽人才

365j.me 5 最重要的是尊重人才和招揽人才 中共政治局学习的“量子科技”有多重要?与美欧日竞争,中国能抢占先机吗?

中国要在量子科技领域赶超美欧日发达国家,最重要的是人才,要尊重人才,制定有利于人才培养和招揽的政策。

正如中国领导人最近指出的,加强量子科技发展顶层设计和前瞻布局、健全政策支持体系、加快基础研究突破和关键核心技术攻关、培养造就高水平人才队伍以及促进产学研协同创新。

好在中国已经有一批量子科技方面的领军人才,如享有多国院士头衔的清华大学交叉信息研究院院长、清华大学-麻省理工学院-香港中文大学理论计算机科学研究中心主任,世界顶尖计算机学家、归国公民姚期智。他最先提出量子通信复杂性,提出分布式量子计算模式,后来成为分布式量子算法和量子通讯协议安全性的基础。他创建理论计算机科学的重要次领域、奠定现代密码学基础、量子计算领域,是世界现代密码学基础的奠基人。

2010年,姚期智教授意识到未来量子信息和量子科技将成为新的发展点,中国必须跟上并且走在世界前列,开始着手在清华组建一支能在量子计算领域做出创新工作的团队。

中国更有一批中青年领军人物,如大家熟知的,发现了量子反常霍尔效应的60后中国科学院院士薛其坤,“墨子号”首席科学家、70后的中国科学院院士潘建伟等。

还有一个70后的清华大学教授段路明,曾是中科大最年轻的教授、博士生导师之一,也是《Physical Review Letter》的特邀审稿人和《Nature》的特约审稿人。2000年底,段路明在《Physical Review Letter》上发表《纠缠与压缩原子束》一文,提出了在量子通信领域极富应用价值的新观点、新方法,从而在量子科学整个领域享有盛名。

段路明在姚期智邀约下,毅然放弃在美国的优厚待遇,决定加盟了清华大学,报效祖国。

特别值得一提的是,现在出现了80后青年领军人物:中国科学技术大学陆朝阳教授。

资料显示,出生于1982年的陆朝阳,2007年24岁的他做为第一作者在国际上首次实验实现了六光子纠缠“薛定谔猫态”和“簇态”,刷新了光量子纠缠的两项世界记录;2008年,潘建伟主动推荐陆朝阳进入剑桥大学卡文迪许实验室转向固态量子光学的研究,博士一毕业,陆朝阳便回归潘建伟的量子信息团队,在量子计算、量子通信、多光子纠缠、光子操控等方向上获得突破。

2016年,陆朝阳参与的“多光子纠缠及干涉度量”项目获中国国家自然科学一等奖;2017年6月,欧洲物理学会宣布,授予陆朝阳2017年度菲涅尔奖,以表彰其“在量子光源、量子隐形传态和光学量子计算方面的杰出贡献”。他也成为第三位获该奖项的中国科学家;2019年12月,日本仁科纪念基金会宣布,将2019年度“仁科芳雄亚洲奖”授予中陆朝阳,以表彰他在“基于单光子的量子信息科学方面的杰出贡献”。

今年2月,美国光学学会将2020年度阿道夫隆奖章陆朝阳,以表彰他“在光学量子信息技术领域做出的贡献。这也是中国国内首位获此奖项的科学家。

10月6日,美国物理学会宣布,授予中国科学技术大学陆朝阳教授2021年度“兰道尔—本内特量子计算奖”,表彰他“在光学量子信息科学,特别是在固态量子光源、量子隐形传态和光量子计算方面的重要贡献”。

国际顶级科学期刊《自然》杂志推出中国特辑,选出10位中国“科学家之星”,陆朝阳在列。在《自然》杂志的新闻特稿中,奥地利维也纳大学教授、沃尔夫物理学奖获得者安东·蔡林格(Anton Zeilinger)将陆朝阳称为“量子巫师”。

推荐阅读
Share on facebook
Facebook 脸书
Share on twitter
Twitter 推特
Share on reddit
Reddit
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email 邮件
Share on print
PRINT 打印

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注