“量子科技”刷屏社交網(wǎng)絡(luò),但是對(duì)于大多數(shù)民眾來(lái)說(shuō),對(duì)于“量子科技”的理解或許依然可以用“遇事不決,量子力學(xué)”的段子一語(yǔ)概之,。

那么,什么才是量子科技,對(duì)于我們的生活,又將會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響?且聽(tīng)電科技一一道來(lái),。

偉大的物理學(xué)家玻爾曾有言:“誰(shuí)要是第一次聽(tīng)到量子理論時(shí)沒(méi)有發(fā)火,那他一定沒(méi)聽(tīng)懂”,。因?yàn)椴环先祟?lèi)的常識(shí),量子力學(xué)很難被大多數(shù)人所理解。但是普通大眾同樣也不了解編程語(yǔ)言,不也照樣可以無(wú)障礙使用微信,、支付寶,、抖音等軟件嗎?

事實(shí)上,隨著科技行業(yè)行至拐點(diǎn),基于量子力學(xué)的量子科技不光將深刻影響我們的生活,還因其獨(dú)特的前沿技術(shù),成為各國(guó)決勝未來(lái)的賽點(diǎn)。

多年以后,當(dāng)我們用量子科技解決生活難題時(shí),或許會(huì)由衷地感慨一聲“當(dāng)年那些‘弱智’的智能手機(jī),我是怎么能容忍的呢?”

撥開(kāi)人類(lèi)頭頂上的另一朵烏云

在物理學(xué)發(fā)展史上,對(duì)于“兩朵烏云”的探索,成為驅(qū)使著我們發(fā)展至今的核心力量,。

1900年初,對(duì)熱力學(xué)第一,、第二定律的建立作出重大貢獻(xiàn)的開(kāi)爾文男爵,在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的新年致辭中,發(fā)表了題為《籠罩在熱和光的動(dòng)力理論上的十九世紀(jì)之云》的著名演講。

開(kāi)爾文認(rèn)為,物理世界已經(jīng)晴空萬(wàn)里,動(dòng)力理論可以解釋一切問(wèn)題,人類(lèi)已經(jīng)掌握了宇宙幾乎全部的真理,唯有黑體輻射和以太理論這兩個(gè)小問(wèn)題有待解決,。

很快,物理學(xué)界就被這兩朵烏云攪得人仰馬翻,其中黑體輻射這朵烏云就直接引發(fā)了一門(mén)新理論的誕生,那就是量子力學(xué),。從這一理論出發(fā),我們才有了今天的數(shù)字化生活,不管是微波爐還是電腦芯片等等萬(wàn)物,皆由量子力學(xué)理論幻化而來(lái)。

和一百年前一樣,。當(dāng)我們以為一切都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)以及發(fā)明出來(lái)了的時(shí)候,其實(shí)一個(gè)更大的世界已經(jīng)被叩響了門(mén)環(huán),關(guān)于量子力學(xué),我們?nèi)祟?lèi)剛剛摸到了邊緣,。

為什么我們要投入重金去研究量子科技,除了探索關(guān)乎全人類(lèi)命運(yùn)的重大使命,撥開(kāi)人類(lèi)頭頂上的這朵烏云以外,通過(guò)研究它提升我們的科技實(shí)力也是當(dāng)務(wù)之急。

上世紀(jì)60年代,英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登．摩爾曾敏銳指出,集成電路上可容納的元器件的數(shù)量每隔 18 月將會(huì)翻一倍,產(chǎn)品的性能也將提升一倍,。這就是著名的“摩爾定律”,。

但是隨著人類(lèi)制造的芯片工藝要求越來(lái)越高,一旦芯片中的格柵寬度達(dá)到納米大小時(shí),材料的物理和化學(xué)性質(zhì)將會(huì)變質(zhì),甚至?xí)l(fā)生與經(jīng)典的半導(dǎo)體理論背道而馳的現(xiàn)象,最終導(dǎo)致芯片不能運(yùn)行。這也是為什么當(dāng)我們?cè)谕黄屏?納米,、5納米制程后,芯片的生產(chǎn)工藝越發(fā)難于下探,。

英偉達(dá) CEO 黃仁勛曾在2019年CES大會(huì)上說(shuō)過(guò):“摩爾定律過(guò)去每10年增長(zhǎng)100倍。而現(xiàn)今,摩爾定律每年只能增長(zhǎng)幾個(gè)百分點(diǎn),每10年可能只能增長(zhǎng) 2倍,。因此,摩爾定律其實(shí)已經(jīng)失效了,。”

雖然芯片行業(yè)的摩爾定律將要逐步失效,但是其承載的內(nèi)容去完全與之反向發(fā)展,。

IDC數(shù)據(jù)顯示,預(yù)計(jì)到2025年,全球數(shù)據(jù)規(guī)模將擴(kuò)展至 163ZB (1ZB 等于 1 萬(wàn)億 GB),對(duì)比2016年所產(chǎn)生16．1ZB數(shù)據(jù)量翻了十倍,。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,信息革命的深入,未來(lái)這一數(shù)字還將保持較高的增速。

既然單一計(jì)算量不能增加,那么我們能做的唯有增加整體的芯片量,以空間換時(shí)間,。但是這又可能帶來(lái)一個(gè)無(wú)窮的災(zāi)難,。

華盛頓半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)的研究報(bào)告顯示,如果按照科技慣性發(fā)展的話,因計(jì)算機(jī)需求量過(guò)于龐大,預(yù)計(jì)2040年,全球計(jì)算機(jī)所消耗的電能將超過(guò)全球的電力負(fù)荷。

由此,我們可以發(fā)現(xiàn),在摩爾定律失效后,經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)陷入到了發(fā)展的瓶頸,基于這種現(xiàn)狀,我們急切的需要找到一個(gè)更高效的計(jì)算工具,。

量子科技的雙板斧

對(duì)量子力學(xué)有一定了解的朋友應(yīng)該都聽(tīng)說(shuō)過(guò)歷史上那只赫赫有名的貓:“薛定諤的貓”。

將一只貓關(guān)在裝有少量鐳和毒物的密閉容器里,鐳的衰變存在一定概率,如果密閉容器中的鐳發(fā)生衰變,就會(huì)打碎毒物罐子,毒死貓;如果鐳不發(fā)生衰變,那么貓就可以存活,。因?yàn)樵谟^測(cè)前,我們并不知道鐳到底衰沒(méi)衰變,因此,這時(shí)候貓正處于生死疊加態(tài),也就是說(shuō),這時(shí)的貓既是死的又是活的,。

基于這一理論,量子計(jì)算機(jī)的量子比特既是1又是0,再加上量子糾纏的現(xiàn)象,量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行多條線路的并行運(yùn)算,計(jì)算力對(duì)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)將有突破想象的提升。

2019年,谷歌研究人員發(fā)論文稱(chēng),谷歌的一個(gè)基于54個(gè)量子比特量子芯片開(kāi)發(fā)的量子計(jì)算系統(tǒng),其所花費(fèi)200秒完成的計(jì)算,傳統(tǒng)頂級(jí)計(jì)算機(jī)需要1萬(wàn)年才能完成,。由此可見(jiàn)量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算效率和計(jì)算力有多令人顛覆想象力,。

不過(guò),量子計(jì)算系統(tǒng)的算力驚人也帶來(lái)了一個(gè)副作用,那就是我們俗稱(chēng)的密碼將會(huì)形同虛設(shè),。光大證券的研究顯示,傳統(tǒng)RSA算法下,如果選擇一個(gè)400位數(shù)的整數(shù)當(dāng)做密碼,幾乎可以萬(wàn)無(wú)一失,因?yàn)閭鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)需要持續(xù)不斷運(yùn)行60萬(wàn)年時(shí)間才能破解,但是這一高難度的密碼,量子計(jì)算機(jī)僅需3個(gè)小時(shí)即可破解。

幸運(yùn)的是,由于量子科技不可測(cè)性的特征,它在提升算力的同時(shí),也可以為我們帶來(lái)與之匹配的保密措施,這也就是量子科技的第二大應(yīng)用場(chǎng)景:量子通訊,。

在傳統(tǒng)加密傳輸模式下,我們往往和對(duì)方約定一個(gè)秘鑰,然后給對(duì)方發(fā)送一個(gè)加密的文件,然后對(duì)方通過(guò)此前預(yù)定好的秘鑰即可破譯該文件,但是如果有其他人也知道了這個(gè)秘鑰,那么文件也會(huì)被破解,。

由于量子比特不可預(yù)測(cè)不可拷貝,應(yīng)用量子糾纏原理,將一份文件通過(guò)A、B兩個(gè)糾纏的粒子表達(dá),然后將A當(dāng)做秘鑰,把B送往一個(gè)地點(diǎn),接收方如果想要破譯該文件必須讓A,、B再次形成糾纏態(tài)方可破譯,這種唯一性就大大保證了信息傳遞的安全,。

中國(guó)在量子科技上的領(lǐng)先態(tài)勢(shì)

因?yàn)橛?jì)算力必須要提升的時(shí)勢(shì)使然,掌握量子技術(shù)必然會(huì)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)者形成降維打擊,就像拿著火槍的西班牙人去了阿茲臺(tái)克。因此,近年來(lái)國(guó)際社會(huì)紛紛加大量子科技相關(guān)的研發(fā)力度和投入,力圖搶占技術(shù)制高點(diǎn),。

2013年,日本計(jì)劃十年時(shí)間投入400億日元研發(fā)量子科技;英國(guó)2014年啟動(dòng)了國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃,每年投資2．7億英鎊用于量子相關(guān)產(chǎn)業(yè)研發(fā);美國(guó)也于2018年啟動(dòng)“國(guó)家量子行動(dòng)法案”,。

中國(guó)在經(jīng)歷了制造層面的工業(yè)崛起后,也越發(fā)意識(shí)到核心科技的重要性,因而開(kāi)始頻頻加緊布局量子科技賽道。比如《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃(2016-2020)》和《國(guó)家長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃(2006-2020)》均提到了發(fā)展量子科技技術(shù)的重要性,。與此同時(shí),中國(guó)還計(jì)劃投資100億美元,在合肥建立量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,。

在量子計(jì)算領(lǐng)域,2019年底,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì),在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了20光子輸入的玻色取樣量子計(jì)算,在四大指標(biāo)上刷新了國(guó)際記錄,在事實(shí)上逼近了美國(guó)人所說(shuō)的“量子霸權(quán)”。

如果說(shuō)在計(jì)算領(lǐng)域,中國(guó)量子科技技術(shù)還處于理論階段,與世界一流水平處于同一水平線的話,那么在通信領(lǐng)域,中國(guó)則可以說(shuō)是領(lǐng)跑世界,。

2016年8月,中國(guó)發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”,。2017年,全球首條量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”項(xiàng)目通過(guò)總技術(shù)驗(yàn)收?！蹲匀弧冯s志寫(xiě)道:“在量子通信領(lǐng)域,中國(guó)僅用不到10年的時(shí)間,就由一個(gè)不起眼的國(guó)家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅,超越歐洲和北美,實(shí)在是令人不可思議,。”

之所以在其他世界各國(guó)“紙上談兵”的時(shí)候,中國(guó)就可以率先實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)應(yīng)用,牛津大學(xué)教授?？颂卣J(rèn)為,“這一領(lǐng)域的進(jìn)入門(mén)檻很高,唯有依靠國(guó)家級(jí)的實(shí)體才能支持,而中國(guó)恰恰在量子技術(shù)方面投入了巨額的資金”,。

埃克特還表示:“誰(shuí)控制了信息,誰(shuí)就控制了世界,?！痹诹孔油ㄐ蓬I(lǐng)域取得先發(fā)優(yōu)勢(shì),并且整體的戰(zhàn)略和投入對(duì)比他國(guó)也更加堅(jiān)定更加雄厚的背景下,中國(guó)很有可能在未來(lái)的量子科技時(shí)代形成自己高聳的技術(shù)壁壘。

量子科技,中國(guó)其實(shí)已經(jīng)領(lǐng)先世界,。