重磅!量子科技成为国家战略!通用量子计算机研制难度堪比登月

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中央表态!量子科技上升为国家战略

10月16日,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。

领导人在主持学习时指出,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

同时,领导人的讲话中还从政策、资金、人才、科研、技术等方面,对大力推动量子科技发展做出了更进一步的要求:

这也意味着,继区块链之后,量子科技这一前沿科技也成为国家战略,得到中央层面的大力支持,成为中国增强在科技领域国际核心竞争力的一步「先手棋」

清华大学副校长、中国科学院院士薛其坤就量子科技相关问题进行了讲解,提出了意见和建议。

那么,量子科技究竟是什么呢?

量子科技多重要?不仅是国防利器!还能带你「穿越时空」

这个略微抽象、被网友调侃「遇事不决,量子力学」的技术为何被中央重视,并上升到国家战略的高度呢?

实际上,量子技术是基于量子力学原理来结合工程学中的控制论,计算机科学,电子学方法等来实现对量子系统有效控制。

目前的量子技术大致可以划分为如下四个领域:

量子科技有多重要?让世界各国都「恐惧」的量子计算机或许就可以说明

现在的计算机是以二进制为基础,二量子计算机在0和1之间有无数种可能,一台真正的量子计算机运算能力可能超过现在世界上所有计算机运算能力之和

量子计算机一旦被率先突破,那么现在所有的加密算法都会被马上破解,全世界的信息将没有安全可言。

这也是网络安全专家们时时恐惧着“Q日”(量子日)的到来——那一天,首台量子计算机诞生,它足以破解当代绝大多数的加密标准

而在一些研究者认为,量子纠缠理论甚至可能帮助人类实现「时空旅行」的梦想。

根据量子纠缠理论:如果两个或两个以上粒子组成一个系统,那系统中粒子将会相互影响,无论这些粒子在时空中相隔多大的距离。

由此,如果光子A和光子B均能和另一个时空范围的粒子产生「量子纠缠」,意味着两个光子是在同一系统中。因此,时间旅行在量子领域或许可行。

自21世纪以来,以量子通信和量子计算为代表的量子信息学蓬勃发展, 相关领域已经囊括了多项国际物理学最高奖项,包括两次诺贝尔奖(2005年、2012年)和三次沃尔夫奖(2010年、2013年、2018年)。

量子通信和量子计算的重要科学意义已经得到了国际学术界的广泛认可

抢占制高点!不只中国,美、欧等多个国家都在布局

为什么中央如此重视量子科技?

从国际意义上来看,「当今世界正经历百年未有之大变局,科技创新是其中一个关键变量。我们要于危机中育先机、于变局中开新局,必须向科技创新要答案。」

「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。」

从国内发展意义上来看,「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。」

「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。」

实际上,作为一项具有重大颠覆性的技术创新,量子科技近年来受到了许多国家的高度重视。

美国、日本、以及欧洲的一些国家近几年来都在加快量子科技领域的布局

就在中央政治局学习的前一天,美国国务院在10月15日发布了《关键与新兴技术国家战略》(National Strategy for Critical and Emerging Technology)。文中详细介绍了美国为保持全球领导力而强调发展“关键与新兴技术”,明确了20项关键与新兴技术的清单,其中就包括量子信息科学。

而此前在2018年12月,美国总统特朗普还正式签署了《国家量子计划法案》并生效,计划未来十年内向量子研究注入12亿美元资金,并由美国能源部、国家标准与技术研究院、国家科学基金会配合联邦政府共同落实量子计划相关项目。

另外据路透社消息,欧盟各国领导人将宣布,他们希望在欧盟预算和复苏计划下,在未来7年向欧盟国家提供的1.8万亿欧元中「相当大的一部分」投资于超级计算机和量子计算、区块链、人工智能、5G移动网络及安全通信等领域

日本也在2016年10月宣布要发展量子神经网络等量子计算解决方案,并在2017年11月宣布推出量子神经网络(QNN)装置。

可以看到,在「量子计算」这项可能改变未来世界的颠覆性技术面前,世界主要国家都已高度重视,纷纷布局,抢占制高点。

中国自然也不能落后。

「墨子号」首战告捷,实现洲际量子保密通信

事实上,中国在量子科技领域,是具有先发优势的,并且已经在量子通讯等取得了可观的成果。

2016年8月,中国成功发射人类历史上首颗量子卫星「墨子号」。到2017年,星地量子密钥分发的成码率已达到10kbps量级,成功验证了星地量子密钥分发的可行性。目前经过系统优化,密钥分发成码率已能够达到100kbps量级,具备了初步的实用价值。

2017年9月,世界首条量子保密通信干线——「京沪干线」正式开通;结合『京沪干线」与「墨子号」的天地链路,中国成功实现了洲际量子保密通信。

2018年1月,中国科技大学与奥地利科学院合作,利用「墨子号」量子卫星,实现7600公里的洲际量子秘钥分发,并利用共享秘钥技术,完成加密数据传输和视频通讯。

目前国内也有一批在量子科技领域具有相当实力的上市公司,如国盾量子、中天科技、神州量子、享通光电等。

相关专家估计,总体来看,目前我国在卫星量子通信方向领先美欧等发达国家五年左右时间。但国际上的技术竞争相当激烈,不进步就会被超过。

第二次量子革命兴起,全球互联网进入量子时代!

处在科研革命的前夜,想象力都开始变得匮乏。

量子信息技术是新一代战略性信息技术,具有真正颠覆世界的重大意义。

成立于2017年的北京量子科学研究院,瞄准世界量子物理与量子信息学最前沿和国家量子领域战略急需,有国内外顶级人才的加盟,代表着量子领域全球科学的最前沿。

在刚结束的创新之源大会上,清华大学副校长、北京量子信息科学研究院院长薛其坤院士也深度剖析了未来的量子技术,并谈到了当前的量子革命。

「量子科学可以说是人类建立的一个最基础,也是最精确、最深奥的科学体系,大家可能经常会听到薛定谔的猫,这个猫可以是活的,也可以是死的,在测量之前没人知道,存在着一个不确定性。

每一个年代都会有新的技术催生出新的革命,上世纪五十年代晶体管和半导体等技术的发展就催生了信息时代。

量子计算、量子通信、量子精密测量和传感技术的兴起和发展,正在推动信息技术向量子信息技术跨越,将可能导致新的技术革命。

「如果说第一代量子革命是认识量子世界、发展技术的话,我们人类在这个世纪初逐渐迎来一个新的时代那就是第二次量子革命」。

「我们可以用以前发现的量子规律主动设计一个量子芯片,大家现在常说的量子计算、量子通信,还有很多量子精密传感,都是在此基础上发展起来的技术。」薛其坤提到。

通用量子计算机研制难度堪比人类登月

量子计算机相对经典的计算机,不一样的地方,它的晶体管是一个量子体系。

薛院士给大家举了一个简单的例子,经典的计算机只懂0和1,大家都知道2的10次方是1024,也就约等于10的三次方,2的60次方约等于10的18次方。现在最大的超级计算机包含4-5万CPU,每个CPU包含几十亿晶体管。

理论上,60个理想逻辑比特组成的量子计算机,可以达到经典超算的算力,但是按照目前技术水平,上百万个物理比特才能构成一个逻辑比特,而逻辑比特的实现任重道远。

「当然这个量子计算机的研制比人类首次登月还要困难,对做计算机、控制的人来讲这是一个极大的挑战。」

量子霸权谁与争锋:世界强国纷纷入主

大会上,薛院士提到,发展量子技术具有极强的战略意义和时代意义。今天的量子技术,就好比上世纪50年代的半导体技术。

2018年美国出台了量子信息科学国家战略纲要上,欧盟也出台了《欧盟量子旗舰计划》,计划到2022年,总投入6.5亿欧元。德国也出台了自己的量子技术计划,每年投入1亿元来发展,各个西方科技强国高度重视,每个国家都出台了国家层面的计划,积极参与到量子革命中来。

去年10月24日,谷歌用53个量子比特的计算机做了一个特殊的非通用计算任务,对一个量子随机数生成器的输出进行采样,只花了200s就完成了目前世界上最快的超级计算机一万年才能完成的任务。未来,有了量子计算机,我们对高密度芯片的需求就没这么大了。 

量子技术将给存储等领域带来革命性进步

现在世界上产生的数据量预计有40ZB,如果一个硬盘的存储量是1T,一个ZB相当于10亿个硬盘,这么多数据怎么存下来?现在量子技术有可能发挥作用。

全世界目前拥有的数据超过3000ZB,光维持数据中心需要的电费就高达2400亿人民币,将来大数据继续研发下去,能耗必须降下来。

薛院士提到,量子技术可以发挥大作用。假如一个原子可以存储一比特信息的话,那么一个硬件就可以存储几百年的信息,量子就是这样高密度的信息存储介质。子技术的应用将给高密度、低能耗的信息存储也充满了很多想象的空间。

未来,量子计算、量子通信、量子精密测量和传感技术将成为量子信息技术发展的重点内容,有可能引领新一轮的技术革命。

薛院士总结到,量子效应的发现和应用,给信息技术带来了无限的想象空间,全球互联网将从电子时代跨越到量子时代。

量子时代,你期待吗?

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