來(lái)源：IT時(shí)報(bào)/孫鵬飛

1、中國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國(guó)家，此前，中國(guó)發(fā)射了全球首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”，并開(kāi)通了世界第一條量子保密通信干線——“京滬干線”。

2、當(dāng)量子技術(shù)大規(guī)模商用后，未來(lái)會(huì)怎樣？你可能不會(huì)再為信息安全、數(shù)據(jù)泄露而犯難，也不會(huì)抱怨預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)。一沙一世界。你可以從一粒沙中窺見(jiàn)整個(gè)世界，你也可以從物理世界的最小能量單位——量子中感受未來(lái)全球科技的變遷。

量子時(shí)代正在走近。北京時(shí)間12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、陸朝陽(yáng)等學(xué)者組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所與信息技術(shù)研究所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

據(jù)悉，九章針對(duì)高斯波色采樣問(wèn)題，處理5000萬(wàn)個(gè)樣本只需200秒，而目前世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)處理相同問(wèn)題需要6億年。由此，中國(guó)首次實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國(guó)家。而在2016年至2017年間，中國(guó)分別發(fā)射了全球首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”，并開(kāi)通了世界第一條量子保密通信干線——“京滬干線”，預(yù)示著中國(guó)在量子通信方面處于世界領(lǐng)先地位。

“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”工作示意圖（圖源/網(wǎng)絡(luò)）

對(duì)很多人而言，量子神秘又耳熟能詳。如今，這項(xiàng)前沿技術(shù)正成為“國(guó)之重器”。10月16日，第十九屆第二十四次中央政治局集體學(xué)習(xí)會(huì)議的議題正是“量子科技研究和應(yīng)用前景”。

據(jù)《IT時(shí)報(bào)》記者了解，目前國(guó)內(nèi)量子通信主要運(yùn)營(yíng)于政務(wù)等領(lǐng)域，并有望在“十四五規(guī)劃”期間走進(jìn)C端，而量子計(jì)算方面，中國(guó)與美國(guó)、德國(guó)等多國(guó)間的競(jìng)爭(zhēng)已拉開(kāi)序幕，但距離量子通用計(jì)算機(jī)的誕生還需要等待新材料、新技術(shù)的同步發(fā)展。

01、計(jì)算與通信——量子技術(shù)的“矛”與“盾”

“沒(méi)有人能真正理解量子力學(xué)?！?1964年，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼如是說(shuō)。

這個(gè)奇異的微觀世界，無(wú)法用經(jīng)典物理理論解釋。量子作為物理世界的最小能量單位，具有不可分割性。當(dāng)一對(duì)量子發(fā)生糾纏時(shí)，兩者無(wú)論分離多遠(yuǎn)，只要一方運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變，另一方同步做出相應(yīng)變化。

圖源/Pixabay

與此同時(shí)，不同于宏觀世界中，你可以通過(guò)物體的速度測(cè)量出其對(duì)應(yīng)位置，量子則具有測(cè)不準(zhǔn)特性。你不可能同時(shí)知道一個(gè)量子的位置和速度數(shù)據(jù)。

量子不可分割、不可復(fù)制、測(cè)不準(zhǔn)的特性，構(gòu)成了量子通信的基礎(chǔ)。

“量子通信本質(zhì)上是量子密鑰的傳輸，利用量子糾纏可以將量子信息傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地點(diǎn)，而不是傳送信息載體本身，一旦密鑰被竊聽(tīng)，便會(huì)馬上被發(fā)現(xiàn)，屬于被嚴(yán)格證明的‘無(wú)條件安全通信方式’。”潘建偉公開(kāi)表示。已有的通信加密方式主要依賴計(jì)算復(fù)雜性，但無(wú)法避免被竊聽(tīng)。這也是為什么發(fā)生銀行卡被盜刷、賬號(hào)被盜用等情況時(shí)，通常事后才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

量子加密通信能有效避免上述情況。任何竊聽(tīng)、復(fù)制、測(cè)量行為，都會(huì)改變量子狀態(tài)，被通信雙方所獲知，從而可以切換傳輸路徑，防患于未然。如果說(shuō)量子加密通信是為了鑄成一道安全盾牌，那么，量子計(jì)算則是為了破解密碼。

你一定聽(tīng)說(shuō)過(guò)“虐貓達(dá)人”薛定諤的實(shí)驗(yàn)：把一只貓被放在裝有鐳和氰化物的密閉容器，如果發(fā)生衰變會(huì)打碎氰化物瓶子，貓會(huì)死亡，反之貓會(huì)存活。在沒(méi)有打開(kāi)容器前，貓會(huì)處于生和死疊加狀態(tài)。

薛定諤的貓 圖源/網(wǎng)絡(luò)

如果說(shuō)，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)以0和1兩個(gè)狀態(tài)作為信息處理單元，一次只能處理一個(gè)非0即1的單一狀態(tài)。那么一個(gè)量子位就如同沒(méi)有打開(kāi)容器時(shí)“薛定諤的貓”，計(jì)算過(guò)程中可以同時(shí)疊加0和1的狀態(tài)。也就是說(shuō)，當(dāng)計(jì)算過(guò)程有10個(gè)量子位時(shí)，計(jì)算機(jī)有了“分身”，量子比特記錄的不再是一個(gè)10位二進(jìn)制數(shù)，而是2的10次方個(gè)二進(jìn)制數(shù)。

根據(jù)相關(guān)理論，超過(guò)50個(gè)量子比特后，量子計(jì)算被認(rèn)為具有量子優(yōu)越性，即在開(kāi)展特定任務(wù)時(shí)，具有超過(guò)傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的算力。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)院士郭光燦曾比喻：“量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力同電子計(jì)算機(jī)相比，等同于電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力同算盤(pán)相比?！?span>傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)行業(yè)正面臨摩爾定律失效的窘境。每18個(gè)月計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度翻倍的摩爾定律，得益于芯片中硅晶體指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。但如今，一枚晶體管尺寸已遠(yuǎn)小于一個(gè)流感病毒，逼近物理極限。當(dāng)達(dá)到物理極限后，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度又該如何保證？

華安證券分析師尹沿技的答案是：只有超越經(jīng)典計(jì)算的量子計(jì)算。

02、最大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手——美國(guó)和歐盟

既然量子通信和量子計(jì)算互為矛盾，兩者發(fā)展上是否有先后側(cè)重？

中國(guó)的量子通信發(fā)展從2016年起開(kāi)始有全球領(lǐng)先成果，似乎早于量子計(jì)算的發(fā)展。在科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司項(xiàng)目總監(jiān)周雷看來(lái)，2010年，國(guó)內(nèi)量子計(jì)算和量子通信開(kāi)始并行發(fā)展。但目前量子計(jì)算成熟度低于量子通信。

目前量子計(jì)算仍處于發(fā)展早期，即便“九章”也只能在處理特定問(wèn)題上有優(yōu)勢(shì)，而量子保密通信已可以實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)技術(shù)來(lái)保護(hù)信息安全。對(duì)于量子通信先行，周雷表示“盾”在手，可以更長(zhǎng)期有效抵御計(jì)算破譯，其中包括量子計(jì)算破譯。

圖源/包圖網(wǎng)

不止國(guó)內(nèi)，目前量子作為前沿技術(shù)已獲德國(guó)、美國(guó)等多個(gè)國(guó)家的追捧，競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。

早在2016年，歐盟宣布將量子技術(shù)作為新的旗艦科研項(xiàng)目。不久前，德國(guó)表示計(jì)劃2021年建成當(dāng)?shù)厥着_(tái)量子計(jì)算機(jī)，并在5 到10 年后推動(dòng)相關(guān)新技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

美國(guó)于2018年啟動(dòng)“國(guó)家量子行動(dòng)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(guó)能源部公布量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略藍(lán)圖，提出要確保美國(guó)處于全球量子競(jìng)賽的前列，并計(jì)劃成立5個(gè)專注于量子信息科技的研究中心。

一位業(yè)內(nèi)人士告訴《IT時(shí)報(bào)》記者，“九章”是我國(guó)在光量子體系實(shí)現(xiàn)首個(gè)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)能力的光量子計(jì)算原型機(jī)，而在超冷原子體系，目前我國(guó)與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家處于并跑狀態(tài)，“從整體上看，我們的量子計(jì)算與美國(guó)相比還差一點(diǎn)距離，還在趕超他們”。

圖源/CCTV2

量子通信方面，周雷認(rèn)為，我國(guó)高度重視量子信息科技的發(fā)展，在“新舉國(guó)體制”下，我國(guó)在量子科技領(lǐng)域突破了一系列重要科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵核心技術(shù)，并初步形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，建設(shè)了一些量子通信基礎(chǔ)設(shè)施。

據(jù)悉，我國(guó)計(jì)劃2030年左右率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建信息充分安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”。目前國(guó)家廣域量子骨干網(wǎng)、山東“齊魯干線”、廣東粵港澳量子通信骨干網(wǎng)、江淮量子網(wǎng)、國(guó)防領(lǐng)域量子通信項(xiàng)目、量子通信衛(wèi)星等多個(gè)重大工程仍處于在建狀態(tài)。

“量子互聯(lián)網(wǎng)”正成為各國(guó)發(fā)展的目標(biāo)。今年5月，歐盟表示，將推動(dòng)量子通信與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用相結(jié)合，開(kāi)發(fā)可用于全球安全密鑰分發(fā)、基于衛(wèi)星的量子密碼，為未來(lái)“量子互聯(lián)網(wǎng)”遠(yuǎn)景奠定基礎(chǔ)。

圖源/Pixabay

美國(guó)國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室今年2月發(fā)布《美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略構(gòu)想》,明確了構(gòu)建世界首個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)，并提出未來(lái)5 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)從量子互連、量子中繼器、量子存儲(chǔ)器到高通量量子信道和探索跨洲際距離的天基糾纏分發(fā)，未來(lái)20年內(nèi)，推動(dòng)量子互聯(lián)網(wǎng)鏈路利用網(wǎng)絡(luò)化量子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)經(jīng)典技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新功能。

這場(chǎng)前沿技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的勝者將抓住行業(yè)的話語(yǔ)權(quán)和廣闊的市場(chǎng)。根據(jù)BCG預(yù)測(cè)，到2030年，量子計(jì)算的應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到500多億美元。

03、未來(lái)，“十四五”有望進(jìn)入C端

“九章”實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，是目前我國(guó)量子計(jì)算發(fā)展的一大步，但競(jìng)爭(zhēng)仍在繼續(xù)。

去年谷歌率先宣布量子計(jì)算機(jī)“懸鈴木”在處理“隨機(jī)線路采樣”問(wèn)題上實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。而九章針對(duì)的是“高斯玻色取樣”問(wèn)題。兩者針對(duì)的都是特定任務(wù)。

“（這些問(wèn)題）都有利于證明量子優(yōu)越性，目前還沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。”中原證券在一份研報(bào)中指出。

事實(shí)上，這只是量子計(jì)算發(fā)展的第一階段。中原證券稱，接下來(lái)量子計(jì)算需要經(jīng)過(guò)實(shí)現(xiàn)一種專用的量子模擬機(jī)，可以解決比如高溫超導(dǎo)機(jī)制、特殊材料設(shè)計(jì)等目前計(jì)算機(jī)無(wú)法處理但具有實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題，預(yù)計(jì)需要幾百個(gè)量子比特級(jí)，而后才是可編程的通用量子計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì)需要百萬(wàn)級(jí)以上量子比特。

這是一條漫漫長(zhǎng)路。

距離通用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)入千家萬(wàn)戶還要等多久？這需要相關(guān)技術(shù)同步發(fā)展，其中超導(dǎo)材料是重要部分。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)展突飛猛進(jìn)，正是得益于晶體管到硅片的躍遷。

量子通信方面，華安證券認(rèn)為，中國(guó)量子通信將采取三步走策略，通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)量子通信城域網(wǎng)，通過(guò)量子中繼器實(shí)現(xiàn)城際網(wǎng)，再通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)。同樣，周雷表示，量子通信技術(shù)發(fā)展需要在光學(xué)、微電子學(xué)、軟件和集成技術(shù)、材料等各方面技術(shù)都同步發(fā)展，超導(dǎo)材料同樣重要。

盡管國(guó)內(nèi)量子通信處于領(lǐng)先地位，接下來(lái)需要解決的還有著商業(yè)化的掣肘。據(jù)了解，目前量子通信帶寬有限。目前量子通信的密鑰分發(fā)的速率可以達(dá)到幾kbps到幾百kbps，以國(guó)盾量子為例，QKD（量子密鑰分發(fā)）設(shè)備在某些距離成碼率為80Kbps，可以滿足在傳輸某些文件和語(yǔ)音數(shù)據(jù)時(shí)使用“一次一密”。而一套QKD加密設(shè)備約30萬(wàn)元，一套量子城域網(wǎng)需要成百上千套QKD，意味著更高的投入成本。

周雷認(rèn)為，隨著產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)，技術(shù)迭代，量子通信商用化正漸行漸近，十四五規(guī)劃期間有望率先用于政務(wù)、金融、電力等關(guān)系國(guó)計(jì)民生領(lǐng)域。

當(dāng)量子技術(shù)大規(guī)模商用后，未來(lái)會(huì)怎樣？

你可能不會(huì)再為信息安全、數(shù)據(jù)泄露而犯難，也不會(huì)抱怨預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)。更多答案已經(jīng)刻在粒子身上，等量子時(shí)代到來(lái)時(shí)，密閉容器將被揭開(kāi)。