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量子科技上升为国家战略,产业即将迎来第二次发展浪潮

量子科技上升为国家战略,产业即将迎来第二次发展浪潮

量子科技上升为国家战略,产业即将迎来第二次发展浪潮

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10月16日下午,中共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,量子科技上升为国家战略。我们认为,量子信息技术在面向“十四五”乃至更长远的未来,有望成为中国在全球科技产业中“换道超车”、掌握产业链话语权的重要核心技术。从产业技术演进来看,第一次量子产业浪潮诞生了包括激光、半导体和磁共振成像(MRI)等具有划时代的重大科技突破。随着基础研究带来技术突破,量子科技产业即将迎来第二次发展浪潮。当前量子科技主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大领域。

1.量子科技产业即将迎来第二次浪潮

量子力学的发展促使量子科技产业第一次浪潮兴起。量子是构成物质的基本单元,是不可分割的微观粒子(譬如光子和电子等)的统称。量子力学研究和描述微观世界基本粒子的结构、性质及其相互作用,与相对论一起构成了现代物理学的两大理论基础,上世纪中叶,随着量子力学的蓬勃发展,以现代光学、电子学和凝聚态物理为代表的量子科技第一次浪潮兴起。其中诞生了激光器、半导体和原子能等具有划时代意义的重大科技突破,为现代信息社会的形成和发展奠定了基础。然而,受限于对微观物理系统的观测与操控能力不足,这一阶段的主要技术特征是认识和利用微观物理学规律,例如能级跃迁、受激辐射和链式反应,但对于物理介质的观测和操控仍然停留在宏观层面,例如电流、电压和光强。

基础研究带来技术突破,量子科技产业即将迎来第二次发展浪潮。进入二十一世纪,随着激光原子冷却、单光子探测和单量子系统操控等微观调控技术的突破和发展,以精确观测和调控微观粒子系统,利用叠加态和纠缠态等独特量子力学特性为主要技术特征的量子科技第二次浪潮即将来临。量子科技浪潮的演进,有望改变和提升人类获取、传输和处理信息的方式和能力,为未来信息社会的演进和发展提供强劲动力。量子科技将与通信、计算和传感测量等信息学科相融合,形成全新的量子信息技术领域。

当前量子科技主要应用于量子计算、量子通信和量子测量三大领域。量子信息技术是指通过对光子、电子和冷原子等微观粒子系统及其量子态进行精确的人工调控和观测,借助量子叠加和量子纠缠等独特物理现象,以经典理论无法实现的方式获取、传输和处理信息。当前量子科技主要包括量子计算、量子通信和量子测量三大技术领域。

2.从量子计算的前世今生,看量子计算优势何在?

上世纪50年代提出量子计算概念,当前处于第二次“量子革命”。1959年,美国理论物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)提出利用量子效应进行计算的概念。从技术趋势上来看,第一次量子革命启动了基于量子力学原理的最初一轮技术革命,人类开始认识和掌握微观物质世界的物理规律并加以应用,诞生了包括激光、半导体和磁共振成像(MRI)等具有划时代的重大科技突破。本轮的量子科技创新属于第二次“量子革命”。受益于激光原子冷却、单光子探测和单量子系统操控等微观调控技术的突破和发展,人类得以精确观测和调控微观粒子系统。

量子计算是一种基于量子力学的计算模式,量子计算机拥有的计算能力存在远超传统计算机的潜力。经典计算机在执行某些任务时遇到瓶颈,例如:1)大数因数分解;2)数据库随机搜索。而量子计算中提出的大数质因子(Shor算法)、随机数据库搜索(Grover算法)就很好的解决了这两个问题。

从量子计算的路线图来看,短期目标是实现量子霸权,即代表量子计算装置在特定测试案例上表现出超越所有经典计算机的计算能力;中期实现量子模拟计算机,即使用经典计算机来模拟某些量子算法;远期实现量子通用计算机。

从“薛定谔的猫”,到“叠加态”理论,再到量子比特。“薛定谔的猫”实验是这样描述的:把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子连接到一个装置,其中包含一个原子核和毒气设施。设想这个原子核有50%的可能性发生衰变。衰变时发射出一个粒子,这个粒子将会触发毒气设施,从而杀死这只猫。根据量子力学的原理,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,因此,这只可怜的猫就应该相应地处于“死”和“活”的叠加态。非死非活,又死又活,状态不确定,直到有人打开盒子观测它。科研人员在物理世界中的电子自旋中也找到了这样的叠加态,电子可以同时是“上” 和“下”,电子的自旋状态是“上”和“下”按一定几率的叠加。物理学家们把电子的这种混合状态,称为叠加态。量子比特在状态编码时就具有这样的特性。

量子计算就是在量子力学允许的范围内操纵量子比特。量子计算是基于量子力学的新型计算方式,利用量子叠加和纠缠等物理特性,以微观粒子构成的量子比特为基本单元,通过量子态的受控演化实现计算处理。随着量子比特数量增加,量子计算算力可呈指数级规模拓展,理论上具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力。为什么量子计算有这样的优势?由于量子比特可以同时处于比特0和比特1的状态,量子门操纵它时,实际上同时操纵了其中的比特0和比特1的状态。操纵1个量子比特的量子计算机可以同时操纵2个状态。

为什么说量子计算就可以实现并行运算。经典计算机中的传统Bit位,一位只能编码一个状态。量子计算可以在一个量子位上, 操控2个比特位,因此当一个量子计算机同时操控N个量子比特的时候,它实际上能够同时操控2N个状态,其中每个状态都是一个N位的经典比特,QPU算力随比特数n的增长呈幂指数2n增长,这就是量子计算机的并行计算能力。

3.量子计算目前进展到了什么程度?

各国政府都非常重视量子科技,国外巨头纷纷投入量子计算研发。政府层面上来看,目前全球主要的经济体都计划保持对量子信息的投资。美国近十年来,已通过“量子信息科学和技术发展规划”等项目,以每年约2亿美元的投入力度,持续支持量子信息各领域研究。欧盟2016年推出“量子宣言”旗舰计划,在未来十年投资10亿欧元,支持量子计算、通信、模拟和传感四大领域的研究和应用推广,并在2018年11月正式启动首批20个研究项目。日本文部科学省2013年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,计划未来十年内投资400亿日元,支持量子通信和量子信息领域的研发。

量子计算是国家战略,我国目前的参与者以科研机构和高校为主。我国将量子科技确定为国家战略。高校和科研机构方面,我国主要有中国科学技术大学、浙江大学、中国科学院、清华大学、南京大学、北京计算科学研究中心等高校和机构参与量子计算的产业发展,在相关领域已取得一定成果。从各国高水平SCI 论文总量和热点论文来看,美国位列第一,我国、德国分列第二和第三位。

企业方面,阿里巴巴、腾讯、百度和华为等也积极参与产业生态建设,纷纷建立相关实验室,阿里与中科大联合发布量子计算云平台,华为宣布了由量子计算模拟器和编程框架组成的云平台。今年9月,百度、本源量子等企业先后发布了自己的最新量子计算云平台,使普通用户也能通过云技术使用量子计算。我国在量子计算方面未来需要在 算法、器件、生态方向实现突破。在量子计算领域的细分领域,我国的科研机构已经取得了一些研究成果,具有一定的国际地位,同时也要意识到我国与美国及欧洲主要国家之间,仍然存在差距。

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