中美对决“量子霸权”？

本文来自微信公众号：量子学派（ID: quantumschool），作者：李刚，编辑：Hypercube。头图来自：视觉中国

来自于微观世界的对决，才是未来最宏大的较量。

量子世界，再起波澜

2019年3月初，一篇题为“量子加密惊现破绽”文章出现后，半天点击破15万，评论数超过300条，宣称“量子加密技术隐藏着重大缺陷”，搞得中国五位量子通信专家不得不出来辟谣，苦口婆心跟大家解释《关于量子保密通信现实安全性的讨论》。

经证实该文源于美国《麻省理工科技评论》一篇报道，该报道援引了上海交大某研究组的一篇尚未正式发表的内容，搞得该研究组的同学也心惊胆战，赶紧出来声明“我们没有否定量子密钥分发安全性，只是担心源端出现问题”。

一句话总结就是：理论没有问题，工程技术可能有漏洞。

也就是说：万有引力没有问题，卫星制造可能会出问题。

像过去100年一样，量子科学虽然经常被质疑，但每次都是虚惊一场。虽然是一件小事情，但也能看得出社会对量子科学的关注。同时，从国家层面来讲，对于这种前瞻性又备受争议的技术，必须非常谨慎。一方面担心有些公司可能在里面混水摸鱼，骗取国家经费，另一方面又要认识到量子技术是“国之利器”，它会在经济、军事、科研、安全等领域迅速建立全方位的科技优势。

量子科学属于时代最前沿的方向，实力强大的国家都在这个领域投入“兵力”，现在这个领域能够正面对决的，仍然是中美两个大国。

技术布局：美国持“矛”，中国握“盾”

量子理论始于1900年，由物理学家普朗克提出来，那个时候中国人还扎着辫子，当然也就只能当现代文明的看客了。

20世纪初，量子理论在玻尔、海森堡、狄拉克、玻恩、爱因斯坦、薛定谔等大科学家的努力下逐渐变得完善。

到了20世纪下半叶进入应用时代，“第一次量子革命”为能源、信息科学、生命科学和材料科学作出巨大贡献，美国成为“第一次量子革命”领跑者，硅谷就是量子技术的“结晶”。

进入21世纪后，量子理论的应用更加成熟，以量子通信和量子计算机为代表的“第二次量子革命”处于临界点，站上世界舞台的中国“量子军团”开始崛起。

时至2019年，谁先攻克量子理论在“计算”和“通讯”这两方面的应用，谁就有可能赢得未来。

在量子计算机方面，美国处于领跑状态。

2017年，美国企业IBM发布“50比特量子计算机样机”，全世界为之震动。

2018年，美国企业英特尔发布“49比特量子芯片”，开始朝产业落地方向发力。

2018年，美国谷歌公司宣布推出一款72个量子比特的通用量子计算机Bristlecone。

美国各大公司仍然在宣布自己的“新量子技术”，迫不及待抢占话语权，目的就在抢占行业方向，制定未来标准。

而在量子通讯方面，中国则稍微领先半个身位。

2016年，中国研制的世界首颗量子实验卫星“墨子号”成功发射，并首次成功实现千公里级的星地双向量子通信，领先国际相关技术水平至少5年。

在量子技术最核心的两个领域：中美各有所长，但互有竞争。

从技术的本质上来讲，量子计算机具有进攻性，而量子通讯更贴近防守。如果说量子计算机是“矛”，那量子通讯就是“盾”。

现在的情况是美国拿着“矛”，中国握着“盾”。虽未正面硬刚，但也各忖机锋。

量子计算机：算力即权力

量子通讯的理论基石是“量子退相干”理论，具体可以解释为：窃听量子密钥会造成量子态溃缩，从而使加密密钥无法传输，那么加密方就能发现有第三者窥探，可立即终止信号传输。量子通讯有点像“终极之盾”，这是由理论本身决定的，所有的破绽在于工程技术。

经过近20年的努力，中国在这个领域处于领先地位。

我们这里重点关注量子计算这支“矛”的问题，这个领域竞争更激烈，也是现在各国抢占“量子霸权”制高点。

从技术原理上讲，量子计算机在原理上颠覆了传统计算机。

在传统计算机的经典模型中，0或是1这就是传统计算机底层的世界，比特运算有一个缺点，在同一时间只能处理一个Bit，计算能力受到限制。而在量子计算机中，利用的是“量子叠加态”理论，一个“量比特”不仅仅存在于传统的0和1状态中，还可以是一种两者连续或重叠状态。因为量子具有不确定性，也就是说，普通计算机n比特可以描述2n个整数，但n个量子比特可以同时描述2^n个复数，复数向量意味着什么，看看下图就明白，意味着任何一个数都是“何方可化身千亿, 一树梅花一放翁”！

理论上来说，一个Qubit就可以储存无限信息，“量子计算”是利用平行宇宙来计算，有超强的并行能力。

• 量子计算如果能控制“50个量比特”，计算能力将超越“天河2号”称霸全球。

• 量子计算如果能控制“80个量比特”，一台量子计算机超过现在全世界所有算力之和。

• 量子计算如果能控制“300个量比特”，就能支持比宇宙中所有粒子数量更多的并行计算。

算力即权力，谁先夺取“量子霸权”，谁就能主导未来的发展方向，这也是中美两国“深渊下的较量”，也是一场谁都不愿输的竞争。

多国参与“量子霸权”之争

一旦谁先拥有了量子算力，谁就有可能成为新的世界玩家。

除了中美两国之外，还有很多国家都会进入“量子计算”这个领域。

• 2018年，欧盟投入10亿欧元实施“量子旗舰”计划。

• 一衣带水的日本，除了企业投入之外，政府也在量子科学中投资3.6亿美元。

• 英国政府则在牛津大学等高校建立量子研究中心，投入约2.5亿美元培养人才。

• 荷兰向代尔夫特理工大学投资1.4亿美元研究量子计算。

• 加拿大已投入2.1亿美元资助滑铁卢大学的量子研究。

• 澳大利亚政府、银行等出资8300万澳元在新南威尔士大学成立量子计算公司。

实现“量子霸权”有两个关键性指标：可控数量和相干时长。

1. 量子比特可控制数量，50个量比特是“量子大国俱乐部”的标准门槛；

2. 量子相干的可控时长，也就是所谓的“量子纠错容错能力”。

来自微观世界的对决，仅仅领先控制量比特的数量是不够的，还要保证它时间上的“相干性”。

现在全世界参考的仍然是美国建造量子计算机的技术蓝图，包括5点技术和2个辅助条件：

1. 一个能表征量子比特并可扩展物理系统；

2. 能够把量子比特初始化为一个标准态；

3. 保证在系统退相干前完成整个量子计算；

4. 构造一系列普适的量子门完成量子计算；

5. 具备对量子计算的末态进行测量的能力。

还有两个辅助条件是：

1. 在静止量子比特和飞行量子比特之间实现量子信息的转换；

2. 具备在节点间实现量子比特传输的能力。

基本的理论技术没有太大区别，最终的胜负还是在于工程的实现路径，所以技术理论上美国珠玉在前，但工程实现上中国有自己的举国优势，谁能实现50个量比特的通用量子计算机，还须时间来进行检验。

中国的“量子跃迁”之路

20世纪80年代，诺奖得主理查德·费曼提出“量子计算”距今已经近40年，那个时候的中国，刚开始处于改革开放初期，大家刚刚睁开眼睛看世界，很多人还将“量子理论”视为妖术，因为它特别接近于“唯心论”。

一直到很多中国优秀科学家开始研究量子理论时，中国在量子技术的研究上比西方国家晚了20年，不过今天的中国，在量子领域已有举世瞩目的成就。

这些年来中国的量子科学技术发展迅速：

2010年，中国成功实现当时世界上最远距离16公里的量子态隐形传输。

2013年6月，中国科首次成功实现用量子计算机求解线性方程组的实验。

2016年8月，世界首颗空间量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。

2017年5月，世界上第一台超越经典5量子比特计算机在中国诞生。

2018年7月，中国完成了对18个量子比特的262144种状态的同时测量。

今天，中国量子科研论文发表量排名全球第一、专利应用排名第二。在“第二次量子革命”的起步阶段，中国异军突起，跃入国际“第一阵营”，实现了中国军团的“量子跃迁”之路。

量子科学：和平时代的“核力量”

谈到量子力学，大家想到的都是神秘玄奥的科学知识，还有人在怀疑这是一个“妖言惑众”的领域。这不能怪普通人，这可是被爱因斯坦和玻尔用 “上帝跟宇宙玩掷骰子” 来形容的学科，普通人要完全理解很有难度。

事实上，作为20世纪与相对论并列的伟大理论，量子理论在实际生活中的应用十分广泛。

电脑中的硅基芯片、二极管、三极管、原子钟、激光都是量子理论的产物，可以说没有量子力学，就没有现代文明。

现在竞争集中在量子计算上。在一个“算力为王”的互联网时代，量子计算技术一旦突破，掌握这种能力的国家，会在经济、军事、科研、安全等领域崛起成为“超级强国”，相当于掌握和平时期的“核力量”，动用这种力量，现在的银行安全体系，互联网账号体系，各种加密通讯都成了“纸糊的灯笼”。

科学技术的发展不是为了寻求霸权，量子理论的应用是为全人类造福。但只要国家存在，我们必须承认竞争不可避免，而来自于微观世界的对决，才是未来最宏大的较量。