中國為什麼要斥巨資發展量子科技？

量子競賽已經開啟。 隨著科技的進步，對於自身實力，各國將日益守口如瓶。 而這場競賽中沖在最前頭的，就是斥巨資發展量子科技的中國。

2016年8月，中國的“墨子號”作為世界首顆量子衛星從戈壁發射升空，在距地500公里處繞地飛行。

2017年，中國和奧地利科學家利用“墨子號”衛星，進行了一次量子加密的視頻通話。

“墨子號”發射時，該項目首席科學家潘建偉總結了這個項目的重要意義：“我想，我們開啟了一場全球範圍的量子太空競賽。”潘建偉被《自然》期刊譽為“量子之父 ”，是中國量子技術取得重大進展的關鍵人物之一。

這場量子技術競賽異常激烈。 中國和美國等國，以及世界上最大的企業和機構，包括谷歌、美國宇航局、微軟、洛克希德馬丁和阿里巴巴在內，都參與其中。

什麼是量子計算？

量子計算機用的不是比特——不是0就是1——而是量子比特，能以0和1的疊加態存在。 這就意味著，相較於傳統計算機，它們能存儲更多信息，且消耗更少的電量。 這樣一來，那些讓普通機器頭疼的複雜計算，比如特定化學反應的模擬、質數的計算，或是複雜加密的破解，量子計算機都可以信手拈來。

那麼，量子計算機具體可以做什麼？ 科學家想要量子計算解決什麼問題？ 中國目前在全球量子研究領域處於什麼地位？

關於這些問題，中國科學技術大學80後教授、博導陸朝陽曾在造就的演講中一一做過生動而有趣的科普：

大力投資“超級工程”

隨著量子技術的進步，最嚴密的加密形式都可能被破解，計算能力也會實現飛躍，潛在的政治與經濟影響不容小覷。 當前保護金融數據和軍事機密的加密手段，在量子計算面前或許不堪一擊。

中國研究人員就是想通過“墨子號”，利用一種不同於以往的量子技術，開發出無法被破解的新型保密通信。 “墨子號”被用於共享密鑰，而這些密鑰，則是加密和解密通信技術的關鍵。

通常，這些密鑰容易被劫持，但“墨子號”利用了處於量子疊加態的光子——要么不破譯，一旦破譯，原信息就會被破壞。 所以，以這種方式發送出去的密鑰，是無法被複製或劫持的。

而在量子計算這個歷來由歐美主導的領域中，中國正奮力追趕。

中國政府將量子技術作為一項“超級工程”的重點，力爭在量子通信和量子計算領域取得重大突破。 據報導，中國將投資100億美元，在合肥建立量子信息科學國家實驗室。

“近五年來，中國對量子技術進行了大力投資。”蘭卡斯特大學量子技術中心主任羅伯特·揚表示，“中國已經進入了領先地位，而且速度比較快。”羅伯特·揚同時還是中國電子 科技大學基礎與前沿研究院的客座教授。

近幾年，中國企業申請的量子計算類專利大幅上升。 據專利諮詢公司Patinformatics的數據，2014年，美國和中國的專利數量還不相上下；但到2017年，中國的專利數已達到美國的近兩倍。

不光是量子科學領域，在人工智能領域，中國的投資力度也絲毫不減。 在一定程度上，這都是為了在未來幾十年引領科技進步。 “中國基本錯過了數字革命，這給中國和中國經濟拖了後腿。”羅伯特·揚表示，“中國不想再錯失良機了。”

潘建偉也認同這一觀點。 “在現代信息科學方面，中國一直是學習者和模仿者。”他說，“現在，在量子技術領域，若能竭盡全力，我們有望成為主要玩家。”

從量子保密通信到量子計算

一開始，中國的進展主要都在量子保密通信領域——比如“墨子號”這樣的項目，以及山東省的地面量子網絡。 “在量子通信領域，我們領先於世界同行。”潘建偉說。

但在量子計算領域，局面就沒那麼明晰了。 構建量子計算機的難度非常大，哪怕是最細微的環境干擾，都可能破壞量子比特的疊加態。 而要繪製複雜的概率路徑，這種疊加態不可或缺。

量子計算機要被防護得嚴嚴實實才行，而且，構建它們所需的技術，大多都需要一個接近絕對零度的環境。 目前，最先進的量子計算機——谷歌、IBM和D-Wave等企業正在研發的那些——還未邁過100量子比特的大關，而且由於“量子比特啞火”現象的存在，錯誤率或高達 50%。 “只要越過100量子比特關卡，事情就會變得有趣；但可能得突破1000量子比特，才會真正讓人興奮。”羅伯特·揚表示。

美國企業稱，未來五至十年，它們就可以研發出可運轉的量子計算機。 但中國的估計更為保守。 “我們必須解決那些根本性的問題。”潘建偉說，“依我看，估計還要二三十年。”

一些中國企業，比如騰訊、阿里巴巴和百度也加入了量子競賽，但略微晚了些。 “幾年前，要說服中國電商投資這類研究，難度還是很大的。”潘建偉說，“但在谷歌、IBM、英特爾和微軟等公司的影響下，如今，這些中國電商都有了自己 的量子技術項目。”

若論量子處理器包含的量子比特數，中國還不是美國的對手。 不過去年，中國科學家創下了一項世界紀錄：實現了18個量子比特的糾纏。 這種糾纏是一種相互聯結的狀態，是量子計算中必不可少的一環。

這跟大體的技術發展規律相符。 “並沒有證據表明，中國在生成量子的方式上有什麼新的突破——那屬於最根本的基礎科學，實現方式就那麼幾種。”Patinformatics董事總經理托尼·特萊普說，“過去四 年裡，中國對專利的主導，主要是在應用方面。”

儘管中國在量子硬件的構建方面處於落後地位，但在量子計算機問世後的實際應用方面，中國一直在進步。 據羅伯特·揚所言，至於前景最光明的用途是什麼，現在並不清楚——量子計算的一些潛在用途，我們現在也許都不曾想到。 不過，個人電腦或是筆記本電腦不太可能裝上量子芯片——我們也許會通過雲端，訪問一台中央量子計算機。 其實，IBM已經在提供這樣的服務。

在量子計算的下一個階段，中國的財力有望發揮關鍵作用。 “要想在中國營造一個量子環境，財力非常關鍵。”牛津大學量子力學教授阿圖爾·埃克特說，“墨子號”背後的理論就是他提出的。 “打個比方，光是發明電話是不夠的——光你一個人有電話，你打給誰？你得有整套基礎設施、整個金字塔，你不能只有一幫物理學怪才，還要有量子 工程師、計算機科學家、加密學家，以及推銷的好手。”

埃克特將中國的做法比作NASA的阿波羅登月計劃。 “具體哪種量子技術最好用——是超導環路、囚禁離子，還是別的什麼——我們不清楚。”他說。 你要把很多不同領域的專家聚到同一個屋簷下才行。

要競爭，也要協作

我們很容易將量子計算和加密技術的發展視為零和遊戲，但事實並不是如此。

潘建偉在這項技術上的基礎是在歐洲打下的。 中國研究人員也在與奧地利同行密切合作，研發“墨子號”等技術。

但隨著量子技術從學術界轉移到應用領域，這種態度或許會略有轉變。 “放在五年前，我會說，這是協作性的；但這五年裡，出現了些許泡沫。”埃克特說。

網絡安全專家們時時恐懼著“Q日”的到來——那一天，首台量子計算機誕生於世，它足以破解當代絕大多數的加密標準。 如果某個國家率先實現，問題就會產生——所謂“量子驚詫”，說的就是某個國家發展出一種全新的量子技術，讓別國措手不及。

“適當程度的擔憂還是有必要的。”埃克特說，“量子領域實在是太重要了，絕不能讓世界某個區域遙遙領先。”但對羅伯特·揚而言，量子領域的挑戰是如此 複雜、且耗時耗力，任何國家都難以捷足先登。 “我想，這年頭，要保密是很難辦到的。”

在這個領域，不同的研究團隊嘗試著各種不同的方法，各國將資源投入各式各樣的項目。 2016年，中國政府將量子技術置於第十三個“五年規劃”的核心，自此，歐洲和美國也紛紛投資起了自己的項目。

歐盟將向量子技術旗艦計劃投資10億歐元，該計劃已於11月初啟動，目前已公佈了二十個新項目的撥款。 美國也組建了一支跨黨派團隊，致力於推動立法，欲投資12.5億美元用於量子研發。

中國正著眼於構建多衛星量子網絡，及一台量子模擬器，用以破解科學難題。 在美國，科技巨頭們聚焦於提升處理器的量子比特數，同時降低量子計算機的錯誤率。 在量子算法領域，英國是目前的領頭羊。

“真正激動人心的，以及中國投資於此的原因，是他們不知道潛力有多大。”羅伯特·揚表示，“這顯然會是下一項革命性的技術，顯然會有一大批有趣的設備出現， 而他們所投資的，正是這種潛力。”

毋庸置疑，大量的投資使中國處在了有利地位，至於哪種量子技術會奏效，這種技術會帶來怎樣的結果，目前沒人清楚——最大的突破可能來自合肥的100億美元量子樞紐 ，也可能來自一個相對較小的投資項目。

但量子技術要成為真正的革命性技術，全球協作必不可少。 “僅憑一國之力是發展不出量子技術的。”潘建偉說，“我們可以開展一場競賽，但相互交流與協作不可或缺。”