《MIT科技评论》2020年“全球十大突破性技术”之防黑互联网&量子优越性

    在信息安全无比重要的当下,具有安全缺陷的传统通信方式无法满足人们对信息的高加密要求,而无法被黑客攻击的量子通信成为冉冉升起的明星。同时,量子计算机将能够解决经典机器不能解决的问题,已成为各国优先发展的重点科技领域,将是这一场新量子革命最具有代表性的技术,是未来计算技术的心脏。

    在中国,量子科技也是意料之中地引起顶层重视。10月16日,中共中央政治局就"量子科技研究和应用前景"举行了第二十四次集体学习。这是量子科技第一次在公开层面进入到我国最高决策层的集体关注视野中。总书记在主持会议中指出量子科技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,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。量子科技产业的重要性凸显。

    上个世纪初,量子力学作为研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支而问世。量子技术则是基于量子力学原理并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。量子技术的研究一方面将有助于人们在更深层次上认识量子物理的基础科学问题,另一方面有力推动实验室技术向产业化的应用。在一百多年里催生了许多重大发明如原子弹、激光、核磁共振、全球卫星定位系统等,改变了世界面貌。

    经过多年的发展,人类在量子技术上取得不少突破,完成了从实验室研究到跨学科商业化应用的过渡。随着量子技术的不断发展,社会分工日益深化,量子技术被大致分为四大领域,包括量子通信、量子计算、量子模拟、量子传感和计量。其中,最具有代表性的是量子通信和量子计算,这两者也是现阶段主要大国重点抢占的战略技术高地。

量子通信:防黑互联网的"亮剑"

    量子通信是利用量子叠加态和纠缠效应进行信息传递的新型通信方式,基于量子力学中的不确定性、测量坍缩和不可克隆三大原理提供了无法被窃听和计算破解的绝对安全性保证。

    与经典通信相比,量子通信在安全方面的优势凸显,量子通信能做到绝对的不泄密。原因在于量子加密的密钥是无序的,若没有正确的密钥,被窃取的信息无法被破解;其次,两个光子之间建立起奇妙的量子纠缠,处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联。量子通信将2颗处于纠缠态的粒子分别置于通信双方,一旦其中一颗粒子的量子态发生改变,另外一方的量子态就会随之立刻变化,这也被爱因斯坦称为"鬼魅般的超距作用",而根据量子理论,宏观的任何观察和干扰,都会立刻改变量子态,引起其坍塌,因此窃取者会得到已被破坏的信息,并非原有信息。

    近年来,中国量子通信领域获得重重突破。2016年8月,中国发射了自主研制的世界上首颗空间量子科学实验卫星"墨子号",此后,中国科研人员利用量子卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发等成果。2017年,全球首条量子保密通信骨干网"京沪干线"项目通过总技术验收。在量子通信赛道,国内水平领先国际四到五年,而一旦止步不前就可能随时被甩尾。

量子计算:未来计算技术的"心脏"

    相比经典计算,量子计算表现出令人雀跃的高效性。传统计算机中1个比特在同一时间只能是一种状态,非0即1、非1即0,而在量子计算机里,由于量子叠加态的存在,1个量子比特可同时记录0和1两种状态,即操纵1个量子比特的量子计算机可以同时操纵2个状态。因此当一个量子计算机同时操控N个量子比特时,它实际上能够同时操控2N种状态,其中每种状态都是一个N位的经典比特,量子算力将随比特数N的增长呈幂指数2N增长,这就是量子计算机的并行计算能力。量子计算机拥有计算能力远超传统计算机的潜力,但目前人类能同时操纵的量子比特还不多,量子计算机尚未走向大规模实用。

    在量子计算赛道上,西方科技企业包括谷歌、微软、英特尔等大举进军量子计算领域,抢占先发优势,并与耶鲁大学、麻省理工学院、加州大学系统等科研机构联合攻关共性技术,采取各种技术路径不断尝试对更多量子比特的操纵,目前这些企业已经在超导量子计算领域取得较好成果。

    尽管国内在量子计算方面不具备优势,但是追赶、前进的步伐从未停止,国内参与者以科研机构和高校为主。中国科学技术大学、清华大学等高校在量子计算领域取得一定成果;阿里与中国科学技术大学联合发布量子计算云平台,华为宣布了由量子计算模拟器和编程框架组成的云平台。今年9月,百度、本源量子等企业先后发布了最新的量子计算云平台,方便普通用户在云端使用量子计算。

    正如薛其坤院士所说:"科学家正在量子科学领域开疆拓土,而量子技术要真正给人类带来福祉,还需要更多创新创业者、企业家、投资人等的加入。"

量子技术具有重要的科学意义和战略部署,尽管前路漫漫,但绝不可松懈。量子技术的发展将成为人工智能及其应用发展的强效催化剂,将对众多领域产生深远影响,甚至具有颠覆性。同时人类运用量子技术使得对微观世界的认识更进一步、对宏观世界的探索更为广阔,将如同砸到牛顿头上的苹果一般,推倒并重塑人类的思维方式。


了解更多:

量子点传感器

https://globalmarketmonitor.com.cn/reports/207772-quantum-dot-sensor-market-report.html

量子点显示

https://globalmarketmonitor.com.cn/reports/209764-quantum-dot-display-market-report.html

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https://www.globalmarketmonitor.com.cn/request.php?type=9&rid=0

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