新領(lǐng)域中的新對抗:中美量子科技發(fā)展競賽全面啟動

中國與美國都將量子技術(shù)視為推動國家安全與經(jīng)濟進步的關(guān)鍵所在。

就在圣誕節(jié)之前幾天,美國總統(tǒng)唐納德-特朗普簽署了一項法案,計劃在未來十年之內(nèi)投入超過12億美元用于在國家層面推動量子信息科學(xué)的發(fā)展。這項《國家量子倡議法案》代表著美國政府之內(nèi)的兩黨代表已經(jīng)達成共識,將與中國以及其它國家保持同步,積極開發(fā)量子計算、量子加密以及量子通信等技術(shù)——而這一切,都有可能在不久的將來給整個世界的經(jīng)濟與軍事力量平衡帶來徹底顛覆。

量子計算之所以受到廣泛關(guān)注,主要是由于其有朝一日或?qū)氐灼平猱?dāng)前用于保護各國政府以及企業(yè)內(nèi)機密的現(xiàn)代計算機加密算法。此外,在量子科學(xué)領(lǐng)域加大投入力度將有望帶來重大突破,從而鞏固美國的技術(shù)領(lǐng)先地位與國家安全水平;而如果未能加以充分關(guān)注,那么一旦其它國家率先摘得量子科技的勝利果實,美國的技術(shù)地位與國家安全則可能面臨嚴(yán)重威脅。值得注意的是,中國特別重視量子科學(xué)領(lǐng)域的投入,并以此作為繞過美國長期以來享有的傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢的有效途徑之一。

華盛頓特區(qū)新美國安全中心(簡稱CNAS)兼職研究員Elsa Kania在最近的一次新聞發(fā)布會上指出,“很明顯,中國正在努力抓住這一重要的歷史性機遇。其不僅希望借此趕上美國,更有意超越美國。”

“中國已經(jīng)啟動了一項極具野心的發(fā)展計劃,歐洲、英國、澳大利亞與加拿大也已經(jīng)有所行動。” —David Awschalom,芝加哥大學(xué)

但Kania同時解釋稱,量子科技的研究更像是一場馬拉松而非短道沖刺。美國國家科學(xué)、工程與醫(yī)學(xué)院在最近發(fā)表的一份報告中也承認(rèn)了這一點,表示通用型量子計算機還需要十多年時間才有可能真正出現(xiàn)。工程師們目前仍在努力弄清該如何構(gòu)建起規(guī)模更大的、由低穩(wěn)定性量子位構(gòu)成的陣列,并確保這些量子位能夠在足夠長的時間周期內(nèi)保持穩(wěn)定以執(zhí)行具備實際意義的計算任務(wù)。

但無論量子計算最終是否能夠?qū)崿F(xiàn)如今宣傳炒作中的假設(shè),其對國家安全與技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位帶來的巨大潛在影響,都迫使美國與中國必須采取行動。

這些影響的意義已經(jīng)遠遠超出了量子計算本身。量子通信與密碼學(xué)層面的進步有望帶來理論上不可能被攻破的網(wǎng)絡(luò)。量子雷達與傳感機制則可能快速發(fā)現(xiàn)隱形飛機與水下潛艇的位置。此外,量子導(dǎo)航能夠全面擺脫對太空GPS衛(wèi)星的依賴,同時提供精確的地理定位功能。

Kania在去年9月與美國國土安全部的John Costello共同撰寫的CNAQS報告當(dāng)中,闡述了中國國內(nèi)對于多個量子技術(shù)研究項目的支持情況。

中國在量子科技領(lǐng)域表現(xiàn)出勃勃野心

Kania表示,中國對于量子科技的興趣,也使得美方愈發(fā)擔(dān)心中國有可能獲得在本國境內(nèi)對美國開展情報收集與監(jiān)控活動的能力。中國領(lǐng)導(dǎo)人習(xí)近平在2018年1月的新年致辭當(dāng)中強調(diào)了量子技術(shù)的重要戰(zhàn)略意義,甚至同時提到了一系列中國在量子計算領(lǐng)域取得的成果。

量子雷達與傳感機制可能快速發(fā)現(xiàn)隱形飛機與水下潛艇的位置。

這種由國家級資金支持下的項目,已經(jīng)轉(zhuǎn)化為一系列廣為人知的中國量子科研里程碑。2016年8月,中國發(fā)射了世界上第一顆量子通信衛(wèi)星,其作為太空與地球之間量子通信鏈路的測試平臺。此外,中國還于2016年完成了一條長達2000公里的光纖骨干網(wǎng)的架設(shè)工作,這條主網(wǎng)將作為地基量子網(wǎng)絡(luò)將北京與上海連接起來。

中國的研究人員們隨后還展示了幾項值得關(guān)注的早期發(fā)展成果,意味著他們正在利用衛(wèi)星測試量子加密能力,并開始在2017年的通信當(dāng)中嘗試通過量子位之間的糾纏態(tài)設(shè)定距離記錄。

中國國家戰(zhàn)略的另一大現(xiàn)實體現(xiàn),落地于量子雷達科研領(lǐng)域。2016年9月,中國研究人員報告一項量子雷達的開發(fā)新紀(jì)錄,其能夠在檢測100公里以外目標(biāo)時帶來更高的準(zhǔn)確度——根據(jù)報道,這一檢測范圍水平已經(jīng)達到2015年國際科研團隊開發(fā)出的實驗室原型的五倍。中方研究人員們表示,他們下一版本的量子雷達將能夠探測到隱形轟炸機,甚至有望追蹤彈道導(dǎo)彈。

芝加哥大學(xué)自旋電子學(xué)與量子信息學(xué)教授David Awschalom指出,“中國已經(jīng)啟動了一項極具野心的發(fā)展計劃,歐洲、英國、澳大利亞與加拿大也已經(jīng)有所行動。所有這些都擁有對應(yīng)的國家級計劃,因此美國現(xiàn)在是時候同樣投身于這場競賽了?!?/p>

美國組裝量子構(gòu)建組件

對于別國的研究人員而言,他們往往很難準(zhǔn)確評估中國國家量子科學(xué)與技術(shù)計劃的當(dāng)前水平。但可以肯定的是,美國的國家級計劃完全有望在量子科技發(fā)展的各個領(lǐng)域幫助自身保持競爭優(yōu)勢。Awschalom舉例稱,美國的量子通信與傳感應(yīng)用有可能在未來五年之內(nèi)成為現(xiàn)實。

在這方面,美國已經(jīng)開始在中距離水平之上建立量子加密與通信網(wǎng)絡(luò)。其中最值得關(guān)注的例子,在于長度為48公里、連接阿貢國家實驗室與費米國家加速器實驗室的量子網(wǎng)絡(luò)。配合芝加哥大學(xué)的協(xié)助,兩家國家實驗室已經(jīng)建立起由Awschalom負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)的芝加哥量子交換體系。

“很明顯,中國正在努力抓住這一重要的歷史性機遇。其不僅希望借此趕上美國,更有意超越美國。”—Elsa Kania, CNAS

去年12月,美國眾議院與參議院在兩黨的共同支持之下,共同出臺了新的量子科研支持法案??紤]到兩黨長久以來一直就政府預(yù)算問題開展廣泛的政治斗爭,此次共識無疑意味著雙方已經(jīng)深刻意識到發(fā)展量子科技的重要性與緊迫性。

美國國家量子倡議將向各類政府機構(gòu)——包括美國宇航局以及國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所——提供資金,用于為量子科學(xué)及技術(shù)制定發(fā)展路線圖。另外,這項工作不僅僅代表著政府層面的指導(dǎo)性推動,Awschalom表示倡議本身同時也是美國工業(yè)界與學(xué)術(shù)界精心設(shè)計之下的產(chǎn)物。

這項國家級計劃還要求美國國家科學(xué)基金會與美國能源部各自建立兩到五座專項中心,致力于實現(xiàn)量子信息科學(xué)基礎(chǔ)研究以及相關(guān)教育等能力。

走出實驗室環(huán)境

Awschalom強調(diào)稱,邀請企業(yè)研究人員參與進來,從而幫助各實驗室將其發(fā)現(xiàn)與原型設(shè)計轉(zhuǎn)化為商業(yè)性產(chǎn)品與服務(wù),同樣是一項極為重要的工作。曾在IBM公司任職的他最近觀察到,硅谷近年來對于量子計算以及相關(guān)技術(shù)的關(guān)注為企業(yè)層面的基礎(chǔ)研究提供了健康的環(huán)境與有力支持。

Awschalom表示,“IBM、英特爾、谷歌以及微軟——這四大科技巨頭企業(yè)都在以深刻且極具現(xiàn)實意義的方式積極參與量子信息科學(xué)的探索?!?/p>

此外,對于任何國家來講,培養(yǎng)人才對于量子科學(xué)的研究也都至關(guān)重要。根據(jù)CNAS報告所言,美國的國家級量子科學(xué)與技術(shù)計劃有望建立“統(tǒng)一且具有基礎(chǔ)性保障的資金水平”,從而吸引并留住主要研究人員。

這份報告還建議美國國家科學(xué)基金會建立對應(yīng)的獎學(xué)金計劃,從而鼓勵更多學(xué)生從事與量子科學(xué)相關(guān)的職業(yè)。此外,報告還提議設(shè)立新的美國國家量子科學(xué)與技術(shù)實驗室,從而促進私營-公共部門間的合作,并為長期研究項目提供資金。

Awschalom總結(jié)稱,“我們的學(xué)生及研究生不應(yīng)該全部集中在學(xué)術(shù)界——他們的身影應(yīng)該遍布各個國家實驗室與相關(guān)企業(yè)。我自己的很多學(xué)生都在IBM以及谷歌公司任職,他們也很喜歡這樣的研究環(huán)境?!?/p>

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2019-01-16
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