中国为什么要斥巨资发展量子科技？

高冷女王攻I

量子竞赛已经开启。随着科技的进步，对于自身实力，各国将日益守口如瓶。而这场竞赛中冲在最前头的，就是斥巨资发展量子科技的中国。
2016 年 8 月，中国的 " 墨子号 " 作为世界首颗量子卫星从戈壁发射升空，在距地 500 公里处绕地飞行。
2017 年，中国和奥地利科学家利用 " 墨子号 " 卫星，进行了一次量子加密的视频通话。
" 墨子号 " 发射时，该项目首席科学家潘建伟总结了这个项目的重要意义：" 我想，我们开启了一场全球范围的量子太空竞赛。" 潘建伟被《自然》期刊誉为 " 量子之父 "，是中国量子技术取得重大进展的关键人物之一。
这场量子技术竞赛异常激烈。中国和美国等国，以及世界上最大的企业和机构，包括谷歌、美国宇航局（NASA）、微软、洛克希德马丁和阿里巴巴在内，都参与其中。
什么是量子计算？
量子计算机用的不是比特——不是 0 就是 1 ——而是量子比特，能以 0 和 1 的叠加态存在。这就意味着，相较于传统计算机，它们能存储更多信息，且消耗更少的电量。这样一来，那些让普通机器头疼的复杂计算，比如特定化学反应的模拟、质数的计算，或是复杂加密的破解，量子计算机都可以信手拈来。
那么，量子计算机具体可以做什么？科学家想要量子计算解决什么问题？中国目前在全球量子研究领域处于什么地位？
关于这些问题，中国科学技术大学 80 后教授、博导陆朝阳曾在造就的演讲中一一做过生动而有趣的科普：

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陆朝阳在造就的演讲视频
大力投资 " 超级工程 "
随着量子技术的进步，最严密的加密形式都可能被破解，计算能力也会实现飞跃，潜在的政治与经济影响不容小觑。当前保护金融数据和军事机密的加密手段，在量子计算面前或许不堪一击。
中国研究人员就是想通过 " 墨子号 "，利用一种不同于以往的量子技术，开发出无法被破解的新型保密通信。" 墨子号 " 被用于共享密钥，而这些密钥，则是加密和解密通信技术的关键。
通常，这些密钥容易被劫持，但 " 墨子号 " 利用了处于量子叠加态的光子——要么不破译，一旦破译，原信息就会被破坏。所以，以这种方式发送出去的密钥，是无法被复制或劫持的。
而在量子计算这个历来由欧美主导的领域中，中国正奋力追赶。
中国政府将量子技术作为一项 " 超级工程 " 的重点，力争在量子通信和量子计算领域取得重大突破。据报道，中国将投资 100 亿美元，在合肥建立量子信息科学国家实验室。
" 近五年来，中国对量子技术进行了大力投资。" 兰卡斯特大学量子技术中心主任罗伯特 · 扬（Robert Young）表示，" 中国已经进入了领先地位，而且速度比较快。" 罗伯特 · 扬同时还是中国电子科技大学基础与前沿研究院的客座教授。
近几年，中国企业申请的量子计算类专利大幅上升。据专利咨询公司 Patinformatics 的数据，2014 年，美国和中国的专利数量还不相上下；但到 2017 年，中国的专利数已达到美国的近两倍。


不光是量子科学领域，在人工智能领域，中国的投资力度也丝毫不减。在一定程度上，这都是为了在未来几十年引领科技进步。" 中国基本错过了数字革命，这给中国和中国经济拖了后腿。" 罗伯特 · 扬表示，" 中国不想再错失良机了。"
潘建伟也认同这一观点。" 在现代信息科学方面，中国一直是学习者和模仿者。" 他说，" 现在，在量子技术领域，若能竭尽全力，我们有望成为主要玩家。"
从量子保密通信到量子计算
一开始，中国的进展主要都在量子保密通信领域——比如 " 墨子号 " 这样的项目，以及山东省的地面量子网络。" 在量子通信领域，我们领先于世界同行。" 潘建伟说。
但在量子计算领域，局面就没那么明晰了。构建量子计算机的难度非常大，哪怕是最细微的环境干扰，都可能破坏量子比特的叠加态。而要绘制复杂的概率路径，这种叠加态不可或缺。
量子计算机要被防护得严严实实才行，而且，构建它们所需的技术，大多都需要一个接近绝对零度的环境。目前，最先进的量子计算机——谷歌、IBM 和 D-Wave 等企业正在研发的那些——还未迈过 100 量子比特的大关，而且由于 " 量子比特哑火 " 现象的存在，错误率或高达 50%。" 只要越过 100 量子比特关卡，事情就会变得有趣；但可能得突破 1000 量子比特，才会真正让人兴奋。" 罗伯特 · 扬表示。
美国企业称，未来五至十年，它们就可以研发出可运转的量子计算机。但中国的估计更为保守。" 我们必须解决那些根本性的问题。" 潘建伟说，" 依我看，估计还要二三十年。"
一些中国企业，比如腾讯、阿里巴巴和百度也加入了量子竞赛，但略微晚了些。" 几年前，要说服中国电商投资这类研究，难度还是很大的。" 潘建伟说，" 但在谷歌、IBM、英特尔和微软等公司的影响下，如今，这些中国电商都有了自己的量子技术项目。"
若论量子处理器包含的量子比特数，中国还不是美国的对手。不过去年，中国科学家创下了一项世界纪录：实现了 18 个量子比特的纠缠。这种纠缠是一种相互联结的状态，是量子计算中必不可少的一环。
这跟大体的技术发展规律相符。" 并没有证据表明，中国在生成量子的方式上有什么新的突破——那属于最根本的基础科学，实现方式就那么几种。"Patinformatics 董事总经理托尼 · 特莱普（Tony Trippe）说，" 过去四年里，中国对专利的主导，主要是在应用方面。"
尽管中国在量子硬件的构建方面处于落后地位，但在量子计算机问世后的实际应用方面，中国一直在进步。据罗伯特 · 扬所言，至于前景最光明的用途是什么，现在并不清楚——量子计算的一些潜在用途，我们现在也许都不曾想到。不过，个人电脑或是笔记本电脑不太可能装上量子芯片——我们也许会通过云端，访问一台中央量子计算机。其实，IBM 已经在提供这样的服务。
在量子计算的下一个阶段，中国的财力有望发挥关键作用。" 要想在中国营造一个量子环境，财力非常关键。" 牛津大学量子力学教授阿图尔 · 埃克特（Artur Ekert）说，" 墨子号 " 背后的理论就是他提出的。" 打个比方，光是发明电话是不够的——光你一个人有电话，你打给谁？你得有整套基础设施、整个金字塔，你不能只有一帮物理学怪才，还要有量子工程师、计算机科学家、加密学家，以及推销的好手。"


埃克特将中国的做法比作 NASA 的阿波罗登月计划。" 具体哪种量子技术最好用——是超导环路、囚禁离子，还是别的什么——我们不清楚。" 他说。你要把很多不同领域的专家聚到同一个屋檐下才行。
要竞争，也要协作
我们很容易将量子计算和加密技术的发展视为零和游戏，但事实并不是如此。
潘建伟在这项技术上的基础是在欧洲打下的。中国研究人员也在与奥地利同行密切合作，研发 " 墨子号 " 等技术。
但随着量子技术从学术界转移到应用领域，这种态度或许会略有转变。" 放在五年前，我会说，这是协作性的；但这五年里，出现了些许泡沫。" 埃克特说。
网络安全专家们时时恐惧着 "Q 日 "（量子日）的到来——那一天，首台量子计算机诞生于世，它足以破解当代绝大多数的加密标准。如果某个国家率先实现，问题就会产生——所谓 " 量子惊诧 "，说的就是某个国家发展出一种全新的量子技术，让别国措手不及。
" 适当程度的担忧还是有必要的。" 埃克特说，" 量子领域实在是太重要了，绝不能让世界某个区域遥遥领先。" 但对罗伯特 · 扬而言，量子领域的挑战是如此复杂、且耗时耗力，任何国家都难以捷足先登。" 我想，这年头，要保密是很难办到的。"
在这个领域，不同的研究团队尝试着各种不同的方法，各国将资源投入各式各样的项目。2016 年，中国政府将量子技术置于第十三个 " 五年规划 " 的核心，自此，欧洲和美国也纷纷投资起了自己的项目。
欧盟将向量子技术旗舰计划（Quantum Technologies Flagship）投资 10 亿欧元，该计划已于 11 月初启动，目前已公布了二十个新项目的拨款。美国也组建了一支跨党派团队，致力于推动立法，欲投资 12.5 亿美元用于量子研发。
中国正着眼于构建多卫星量子网络，及一台量子模拟器，用以破解科学难题。在美国，科技巨头们聚焦于提升处理器的量子比特数，同时降低量子计算机的错误率。在量子算法领域，英国是目前的领头羊。
" 真正激动人心的，以及中国投资于此的原因，是他们不知道潜力有多大。" 罗伯特 · 扬表示，" 这显然会是下一项革命性的技术，显然会有一大批有趣的设备出现，而他们所投资的，正是这种潜力。"


毋庸置疑，大量的投资使中国处在了有利地位，至于哪种量子技术会奏效，这种技术会带来怎样的结果，目前没人清楚——最大的突破可能来自合肥的 100 亿美元量子枢纽，也可能来自一个相对较小的投资项目。
但量子技术要成为真正的革命性技术，全球协作必不可少。" 仅凭一国之力是发展不出量子技术的。" 潘建伟说，" 我们可以开展一场竞赛，但相互交流与协作不可或缺。"
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文字 | 雁行
来源 |  wired.co.uk
校对 | 其奇
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