全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射，世界首條量子保密通信干線“京滬干線”正式開通，量子計算原型機“九章”實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”……近年來，中國在量子科技領(lǐng)域捷報頻傳。

20世紀(jì)初建立的量子力學(xué)是人類歷史上最偉大的科學(xué)革命之一。隨著量子力學(xué)的建立而催生的第一次量子革命，帶來了原子能、半導(dǎo)體、激光、核磁共振、超導(dǎo)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等重大技術(shù)的發(fā)明，從根本上改變了人類的生活方式和社會面貌。

隨著量子調(diào)控技術(shù)的進步，20世紀(jì)90年代以來，人們可以對光子、原子等微觀粒子進行主動的精確操縱，人類認(rèn)識和改造世界的實踐達(dá)到了一個新的歷史高度。量子科技可以在保障信息安全、提高運算速度、提升測量精度等方面突破經(jīng)典技術(shù)的瓶頸，成為信息、能源、材料和生命等領(lǐng)域重大技術(shù)創(chuàng)新的源泉，為保障國家安全和支撐國民經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展提供核心戰(zhàn)略力量。

“當(dāng)前，以量子信息為代表的量子科技正在不斷形成新的科學(xué)前沿，激發(fā)革命性的科技創(chuàng)新，孕育對人類社會產(chǎn)生巨大影響的顛覆性技術(shù)。該領(lǐng)域的迅猛發(fā)展標(biāo)志著第二次量子革命的興起。”2月25日，全國政協(xié)委員、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉院士在接受科技日報記者采訪時表示。

領(lǐng)跑、并跑、跟跑并存

我國高度重視量子信息科技的發(fā)展，在量子信息科技領(lǐng)域突破了一系列重要科學(xué)問題和關(guān)鍵核心技術(shù)，產(chǎn)出了一批具有重要國際影響力的成果。

“總體而言，我國在量子通信的研究和應(yīng)用方面處于國際領(lǐng)先地位，在量子計算方面與發(fā)達(dá)國家處于同一水平線，在量子精密測量方面發(fā)展迅速。”潘建偉說。

他表示，量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過中繼器實現(xiàn)鄰近兩個城市之間的連接、通過衛(wèi)星平臺的中轉(zhuǎn)實現(xiàn)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的連接，是廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線。

我國的城域量子通信技術(shù)已初步滿足實用化要求，我國建成了國際上首條遠(yuǎn)距離光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”，在金融、政務(wù)、電力等領(lǐng)域開展遠(yuǎn)距離量子保密通信的技術(shù)驗證與應(yīng)用示范。在衛(wèi)星量子通信方面，我國研制并發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”，在國際上率先實現(xiàn)了星地量子通信，首次實現(xiàn)了洲際量子通信，充分驗證了基于衛(wèi)星平臺實現(xiàn)全球化量子通信的可行性。

“量子科技從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用的過程中，需要經(jīng)歷基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、工程化集成與驗證等階段，然后才能實現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用。”潘建偉強調(diào)。“京滬干線”和“墨子號”量子衛(wèi)星等，都是基于我國前期十余年的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究成果而進行的工程化集成與驗證項目，對核心器件的自主研發(fā)、相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定和未來規(guī)模化的應(yīng)用起到了良好的推動作用。

量子計算研究的核心任務(wù)是多量子比特的相干操縱。當(dāng)前，量子計算研究已經(jīng)實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，即量子計算機對特定問題的計算能力超越傳統(tǒng)超級計算機，達(dá)到這一目標(biāo)需要約50個量子比特的相干操縱。

2020年，潘建偉和陸朝陽等學(xué)者研制成功76個光子的量子計算原型機“九章”，推動了全球量子計算的前沿研究達(dá)到一個新高度，繼谷歌“懸鈴木”量子計算機之后，我國首次成功實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”的里程碑式突破。

然而，“我國在量子精密測量領(lǐng)域起步較晚，整體上相比發(fā)達(dá)國家存在一定的差距，但近年來已經(jīng)迅速縮小了差距，在若干研究方向上與公開報道的國際最高水平相當(dāng)。”潘建偉說。

各國搶占戰(zhàn)略制高點

量子信息科技是國內(nèi)外科技創(chuàng)新的必爭之地，世界各大國龍爭虎斗，力圖搶占戰(zhàn)略制高點。

2018年12月，美國啟動了為期10年的《國家量子行動法案》，在2019—2023年期間增加投入約13億美元，連同其他常規(guī)性投入，5年政府投入達(dá)30億美元;美國還將在2022年之前把量子科技的研發(fā)資金增加一倍，以確保其全球領(lǐng)導(dǎo)地位;歐盟于2018年10月正式實施“量子技術(shù)旗艦項目”，連同各成員國的配套，總經(jīng)費超過40億歐元;英國于2016年啟動“國家量子技術(shù)專項”，迄今總投入已超過10億英鎊;2018年9月，德國政府通過“量子技術(shù)：從基礎(chǔ)到市場”國家量子技術(shù)框架計劃，在2018—2022年內(nèi)投入6.5億歐元，在新冠肺炎疫情后又追加了20億歐元：今年1月，法國宣布啟動量子技術(shù)國家戰(zhàn)略，并計劃5年內(nèi)投資18億歐元。

與此同時，西方國家的大型高科技企業(yè)及產(chǎn)業(yè)資本也在積極投入，加速進行戰(zhàn)略部署。谷歌于2013年與美國國家航空航天局、加州大學(xué)圣芭芭拉分校聯(lián)合成立了量子人工智能實驗室;IBM早在2014年就宣布投資30億美元開展量子計算等下一代計算技術(shù)開發(fā);微軟于2014年與哈佛大學(xué)、玻爾研究所等組建量子設(shè)計與量子計算研究中心;英特爾于2016年宣布與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)合作開發(fā)新型量子計算機。

“更緊迫的是，在量子信息科技領(lǐng)域，西方國家開始加大對我國的限制。”潘建偉說。2017年，美國商務(wù)部將“專門設(shè)計(或改造)以用于實現(xiàn)或使用量子密碼”的商品明確列入出口管制清單;于2018年11月開始管制14項涉及國家安全和前沿科技的技術(shù)出口，其中包括量子密碼、量子計算及量子傳感。其他一些國家也開始將相關(guān)關(guān)鍵設(shè)備和器件列入對我國的禁運范圍。

我國有望成信息技術(shù)引領(lǐng)者

為應(yīng)對量子信息領(lǐng)域激烈的國際競爭，牢固掌握未來的發(fā)展主動權(quán)和創(chuàng)新主動權(quán)，黨中央高度重視該領(lǐng)域的資源整合和協(xié)同創(chuàng)新。十九屆五中全會通過的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》明確指出，瞄準(zhǔn)人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學(xué)、生物育種、空天科技、深地深海等前沿領(lǐng)域，實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項目。

在談到我國量子信息科技未來10到15年的總體發(fā)展目標(biāo)時，潘建偉表示，在量子通信領(lǐng)域，要繼續(xù)保持和擴大我國的領(lǐng)跑優(yōu)勢，構(gòu)建完整的空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系，實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的無縫銜接，為形成具有國際引領(lǐng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)奠定基礎(chǔ);在量子計算領(lǐng)域，要確立和鞏固我國在全球第一方陣的地位，有效解決大尺度量子系統(tǒng)的效率問題，研制對特定問題的求解能力全面超越經(jīng)典超級計算機的專用量子模擬機，并為最終實現(xiàn)通用量子計算機探索出一條切實可行的道路;在量子精密測量領(lǐng)域，我國要力爭進入國際先進水平行列，突破與導(dǎo)航、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)檢驗、科學(xué)研究等領(lǐng)域密切相關(guān)的一系列量子精密測量關(guān)鍵技術(shù)，研制一批重要的量子精密測量設(shè)備。

潘建偉表示，以量子信息為主導(dǎo)的第二次量子革命正在向我們走近，我國迎來了一個成為未來信息技術(shù)引領(lǐng)者的歷史機遇。在國際上率先掌握能夠形成先發(fā)優(yōu)勢、引領(lǐng)未來發(fā)展的顛覆性技術(shù)，率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技術(shù)體系，推動我國信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)核心競爭力的大幅提升，迅速趕超世界傳統(tǒng)強國，是我國量子信息領(lǐng)域的重要使命。

(陸成寬)