更好推进我国量子科技发展

更好推进我国量子科技发展

2020年10月16日,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。”

上世纪初建立的量子力学是人类历史上最伟大的科学革命之一。随着量子力学的建立而催生的第一次量子革命,带来了原子能、半导体、激光、核磁共振、超导和全球卫星定位系统等重大技术的发明,从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌。自上世纪90年代以来,量子调控技术的巨大进步使得人们可以对光子、原子等微观粒子进行主动的精确操纵,人类认识和改造世界的实践达到了一个新的历史高度。以量子信息科学为代表的量子科技,可以在保障信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典技术的瓶颈,成为信息、能源、材料和生命等领域重大技术创新的源泉,为保障国家安全和支撑国民经济高质量发展提供核心战略力量。

习近平总书记指出,“量子科技发展具有重大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,将引领新一轮科技革命和产业变革方向。”当前,以量子信息科学为代表的量子科技正在不断形成新的科学前沿,激发革命性的科技创新,孕育对人类社会产生巨大影响的颠覆性技术。该领域的迅猛发展标志着第二次量子革命的兴起。

什么是量子信息科技

量子信息科技的具体应用包括量子通信、量子计算和量子精密测量三方面。

量子通信是利用量子比特作为信息载体来进行信息交互的通信技术。量子通信有两种最典型的应用,分别是量子密钥分发和量子隐形传态。量子密钥分发是指利用量子态来加载信息,通过一定的协议在遥远地点的通信双方共享密钥。量子力学基本原理保证了密钥的不可窃听,从而可在原理上实现无条件安全的量子保密通信。量子隐形传态是指利用量子纠缠来直接传输微观粒子的量子状态(即量子信息),而不用传输这个微观粒子本身。量子隐形传态可以连接量子信息处理单元来构建量子网络,同时也是远距离量子密钥分发所需的量子中继的重要环节,因此,国际学术界将量子密钥分发和量子隐形传态统称为量子通信。量子密钥分发是最先走向实用化和产业化的量子信息技术。

量子计算具有强大的并行计算和模拟能力,可为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供解决方案。量子计算机的计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长,一台操纵50个粒子的量子计算机,对特定问题的计算能力就可超过目前最快的超级计算机。量子计算机一旦研制成功,将对基于计算复杂度的经典信息安全体系带来巨大冲击;而量子保密通信的安全性基于物理学原理,与计算复杂度无关,即使是量子计算机也无法破解。

利用量子状态对环境的高度敏感,可以对时间、位置、加速度、电磁场等物理量实现超越经典技术极限的量子精密测量,大幅度提升卫星导航、水下定位、医学检测和引力波探测等的准确性和精度。例如,利用目前最好的传统自主导航技术,水下航行100天后定位误差达数百公里,需定期上浮用卫星修正;而利用原子干涉重力仪、原子陀螺仪等量子自主导航技术,水下定位精度可大幅提升至100天误差小于公里量级,不需要卫星修正。

我国量子信息科技的发展形势

我国高度重视量子信息科技的发展,在量子信息科技领域突破了一系列重要科学问题和关键核心技术,产出了一批具有重要国际影响力的成果。习近平总书记在党的十九大报告中指出,“墨子、大飞机等重大科技成果相继问世”;“墨子号”量子卫星和光量子计算原型机,习近平总书记在2017年和2018年新年贺词中分别提到;仅近7年来,量子科技相关成果就3次获得国家自然科学一等奖。总体而言,我国在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位,在量子计算方面与发达国家处于同一水平线,在量子精密测量方面发展迅速。

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。通过光纤实现城域量子通信网络、通过中继器实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的连接,是广域量子通信网络的发展路线。

我国的城域量子通信技术已初步满足实用化要求,自主研制的量子通信装备已经为党的十八大、十九大、纪念抗战胜利70周年阅兵等国家重要活动提供了信息安全保障。在城际量子通信方面,我国建成了国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”,在金融、政务、电力等领域开展远距离量子保密通信的技术验证与应用示范。在卫星量子通信方面,我国研制并发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。“墨子号”量子卫星在国际上率先实现了星地量子通信,首次实现了洲际量子通信,充分验证了基于卫星平台实现全球化量子通信的可行性。

习近平总书记指出,要“统筹基础研究、前沿技术、工程技术研发,培育量子通信等战略性新兴产业,抢占量子科技国际竞争制高点,构筑发展新优势”。量子科技从实验室走向实际应用的过程中,需要经历基础研究、关键技术研发、工程化集成与验证等阶段,然后才能实现规模化商业应用。“京沪干线”和“墨子号”量子卫星等,都是基于我国前期十余年的基础和应用研究成果而进行的工程化集成与验证项目,为核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和未来规模化的应用起到了良好的推动作用。

在未来两到三年,通过关键器件的芯片化,量子加密设备的尺寸有望缩小到手机大小,并大幅降低成本。利用“墨子号”积累的成功经验,低轨量子卫星的研制成本可由数亿元降到千万元量级,地面站的重量也由十几吨降到一百公斤左右,可初步支撑移动量子通信。

量子计算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵。根据相干操纵量子比特的规模,量子计算有如下发展阶段:

第一个阶段是实现“量子优越性”,即量子计算机对特定问题的计算能力超越传统超级计算机,达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。美国谷歌公司已在2019年率先实现“量子优越性”。

第二个阶段是实现专用量子模拟机,即相干操纵数百个量子比特,应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题,指导材料设计、药物开发等。达到该阶段需要5至10年,是当前的主要研究任务。

第三个阶段是实现可编程通用量子计算机,即相干操纵至少数百万个量子比特,能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。由于量子比特不可避免地会受到环境噪声的影响而出错,对于规模化的量子比特系统,通过量子纠错来保证整个系统的正确运行是必然要求,也是一段时期内面临的主要挑战。由于技术上的难度,何时实现通用量子计算机尚不明确,国际学术界一般认为还需要20年左右甚至更长时间。

目前,国际上正在对各种有望实现可扩展量子计算的物理体系开展系统性研究。我国已完成了所有重要量子计算体系的研究布局,成为包括欧盟、美国在内的三个具有完整布局的国家(地区)之一。

根据各物理体系的优势,学术界一般认为在光量子、超导和超冷原子等体系有望率先实现实用化的专用量子模拟机。我国在光量子体系实现了首个超越早期经典计算机能力的光量子计算原型机,将在近期实现超越谷歌的“量子优越性”;在超导体系近期也有望实现超越谷歌的“量子优越性”;在超冷原子体系,我国目前整体上与欧美发达国家处于并跑状态,在规模化原子纠缠的制备与操纵,对自旋轨道耦合、超冷分子反应等的量子模拟方面取得了系列重要成果,为解决若干经典计算机难以胜任的复杂问题奠定了基础。

离子、硅基量子点等物理体系同样具有多比特扩展和容错性的潜力,也是目前国际量子计算研究的热点方向。我国在这些体系的量子计算基本要素方面积累了大量关键技术,与国际主要研究力量处于并跑水平。此外,由于拓扑量子计算在容错能力上的优越性,利用拓扑体系实现通用量子计算机是国际上面向长远的重要研究目标。目前国内外均在为实现单个拓扑量子比特这一“0到1”的突破而努力。

量子精密测量的主要应用包括高精度光频标与时间频率传递、量子陀螺仪、原子重力仪等量子导航技术,量子雷达、痕量原子示踪、弱磁场探测等量子灵敏探测技术等。这些技术的应用价值已比较明朗,将在惯性导航、下一代时间基准、隐身目标识别、全球地形测绘、医学检验、物理学基本问题等广泛领域发挥重要作用。我国在量子精密测量领域起步较晚,整体上相比发达国家存在一定的差距,但近年来已经迅速缩小了差距,在部分方向上与公开报道的国际最高水平相当。

量子科技发展呈现出激烈的国际竞争态势

目前,量子科技已进入到深化发展、快速突破的历史新阶段,迫切需要多学科的密切交叉以及各项关键技术的系统集成。欧美发达国家的政府、科研机构和产业资本正在加速进行战略部署,大幅度增加研发投入,对我国取得的局部领先优势发起强烈冲击。

2018年12月,美国启动了为期10年的“国家量子行动法案”,在2019-2023年期间增加投入约13亿美元,连同其它常规性投入,5年政府投入达30亿美元;美国还将在2022年之前把量子科技的研发资金增加一倍,以确保美国的全球领导地位;欧盟于2018年10月正式实施“量子技术旗舰项目”,连同各成员国的配套,总经费超过40亿欧元;英国于2016年启动“国家量子技术专项”,迄今总投入已超过10亿英镑;2018年9月,德国政府通过“量子技术:从基础到市场”国家量子技术框架计划,在2018—2022年内投入6.5亿欧元,在新冠疫情后又追加了20亿欧元。

谷歌于2013年与美国国家航天局、加州大学圣芭芭拉分校联合成立了量子人工智能实验室;IBM于2014年宣布未来5年投资30亿美元开展量子计算等下一代计算技术开发;微软于2014年与哈佛大学、玻尔研究所等组建量子设计与量子计算研究中心;英特尔于2016年宣布与荷兰代尔夫特理工大学合作开发新型量子计算机。值得指出的是,由于量子计算机研发存在一定的不确定性,我国企业对这一领域的投入热情相比美国明显不足。

2017年,美国商务部将“专门设计(或改造)以用于实现或使用量子密码”的商品明确列入出口管制清单;美国商务部于2018年11月开始管制14项涉及国家安全和前沿科技的技术出口,其中包括量子密码、量子计算及量子传感。其他一些北约国家也开始将相关关键设备和器件列入对我国禁运范围。

抢占量子科技国际竞争制高点

为应对量子科技领域激烈的国际竞争,牢固掌握未来的发展主动权和创新主动权,党中央高度重视该领域的资源整合和协同创新,在“十四五”规划中明确指出,要瞄准量子信息等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。我国量子领域未来10到15年的总体发展目标是:

在量子通信方面,继续保持和扩大我国的领跑优势,构建完整的空地一体广域量子通信网络技术体系,实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接,为形成具有国际引领地位的战略性新兴产业和下一代国家信息安全生态系统奠定基础。

在量子计算方面,确立和巩固我国在全球第一方阵的地位,有效解决大尺度量子系统的效率问题,研制对特定问题的求解能力全面超越经典超级计算机的专用量子模拟机,并为最终实现通用量子计算机探索出一条切实可行的道路。

在量子精密测量方面,力争进入国际先进水平行列,突破与导航、环境监测、医学检验、科学研究等领域密切相关的一系列量子精密测量关键技术,研制一批重要的量子精密测量设备。

综上所述,以量子信息为主导的第二次量子革命正在向我们走近,它给了我国一个从经典信息技术时代的跟随者和模仿者转变为未来信息技术引领者的历史机遇。在国际上率先掌握能够形成先发优势、引领未来发展的颠覆性技术,率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技术体系,推动我国的信息技术和产业核心竞争力实现跨越式提升,迅速赶超世界传统强国,实现“弯道超车”,是我国量子科技领域的重要使命。

(作者:中科院院士、九三学社中央副主席、中国科技大学常务副校长)

责任编辑:刘宇同校对:刘佳星最后修改:
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