一場事關「未來」的戰爭:2019 年中美的量子科學研究有什麼新突破?

【我們為什麼挑選這篇文章】誰能早一步開發應用量子科學,誰就有能力能改變世界所有的運行規則。美國、中國為積極研發量子科學的兩大經濟體,兩國到目前為止在量子科學的研發走到哪個地步?誰更接近量子科學的民間應用落實呢?(責任編輯:陳伯安)

聖誕節前,美國總統川普發佈了國家量子倡議法案。在未來 10  年內,美國政府將投入超過 12  億美元(約 372 億台幣)用於量子信息科學研究。

這項法案的通過表明,美國兩黨政府將緊跟中國等國家的腳步,大力開發量子技術,包括量子計算、量子加密和量子通信等。

世界經濟和軍事格局很可能就此改變。

重視量子科學發展突破,給中國一個「超英趕美」的契機

其中,美國尤為關注量子計算技術的發展,因為 它的發展極有可能會破解那些保護政府和國家企業機密的電腦算法 。另一方面,對量子科學的投資也能夠為美國帶來突破,幫助鞏固技術的領先地位和國家安全。如果其他國家在某項量子技術上領先於美國,那美國的地位就會受到動搖。值得注意的是,中國特別重視投資量子科學,並希望能夠以此突破美國現在享有的傳統科學技術優勢。

「很明顯,中國希望把握這次歷史性的機遇,趕上、甚至超越美國。」華盛頓特區新美國安全中心(CNAS)的兼職研究員 Elsa Kania  在最近的新聞發佈會上表示。

但  Kania  解釋說,量子技術的發展更像是一場馬拉松,而不是短跑比賽。美國國家科學院、工程院和醫學院在最近的報告中承認,製造通用量子電腦仍需要十年以上的時間 。工程師們必須先弄清楚如何構建更大的量子比特陣列,並且要使這些脆弱的量子比特能夠維持長時間的穩定,以便執行有效的計算。

無論量子計算是否真的如傳言那般厲害,其在影響國家安全和技術領導地位的潛力,已經足以促使美國和中國採取行動。

不僅僅是量子計算技術,該領域的其他量子技術的影響均不可輕視。量子通信和密碼學技術的發展很可能構建出牢不可破的理想網路。另外,量子雷達和傳感技術可以探測到隱形飛機和水下潛艇。同時,量子導航可以提供精確的地理定位而無需依賴基於空間的 GPS

Kania  在她與美國國土安全部的 John Costello  合寫的一份 CNAS  報告中闡述了,中國在量子技術研究中投入了大量由國家支持的科研力

中國量子科學開發到哪了?

Kania  認為,中國大力發展量子技術是出於對美國情報能力和其在中國境內監視活動的擔憂 。習近平在 2018  年  月的新年致辭中強調了量子技術的戰略重要性,並特意強調中國在量子計算技術方面所獲得的成就。

根據 CNAS  的報告,中國的科學家和工程師雖然是量子馬拉松的後起之秀,但是他們目前享有不限量的量子科學技術發展資源。儘管缺乏有關中國對此投入資金的詳細信息,但 Kania  和 Costello  估計「目前的資金量達數十億美元」。

如此大量的國家資金投入之下,中國已在量子科學研究道路上獲得了多個里程碑式的成就。2016  年  月,中國發射了世界上第一顆量子衛星,作為太空與地球之間量子通信鏈路的測試平台。它還完成了一條長達 2,000  公里的從北京到上海的光纖骨幹網,用於地面量子網路。

2017  年,中國再次展示了其在量子技術領域的成就,如使用衛星來測試量子加密技術,同時在量子通訊的比特糾纏技術上取得領先地位。

另一個例子來自量子雷達領域。2016  年  月,中國研究人員發表了新的量子雷達研究數據,提高了檢測百公裡外目標的精確度。據報道,該範圍是 2015  年某國際團隊支持的實驗室原型的五倍。中國研究人員表示,他們下一個版本的量子雷達將能夠探測隱形轟炸機,並可能跟蹤彈道導彈。

「中國已經彰顯了其在量子領域的雄野計劃,歐洲、英國、澳大利亞和加拿大也是。」芝加哥大學的自旋電子學和量子信息教授 David Awschalom  說:「所有這些都是國家戰略,現在也是美國做這件事的好時機。」

David Awschalom

美國是否還是全球科技先驅?

Awschalom  認為,我們很難評估中國國家量子科學和技術計劃的成就。不過,美國國家計劃可以使我們在量子技術發展的所有領域保持競爭優勢。比方說,量子通信和傳感應用可能在未來五年內成為現實。

在這方面, 美國已經開始在中等距離上建立量子加密和通信網路 ,其中最值得一提的就是連接 Argonne  國家實驗室和 Fermi  國家加速器實驗室長達 48  公里的量子網路。這是聯邦實驗室聯合芝加哥大學一起開展的,由 Awschalom  執導的芝加哥量子交換合作項目。

12  月,國家量子倡議法案在眾議院和參議院獲得通過,並得到共和民主兩黨的支持,這將助力美國的量子技術研究,但有關政府財政預算的政黨鬥爭又使這一法案搖搖欲墜。

美國國家量子倡議計劃將向各類政府機構收取費用,包括美國國家航空航天局(NASA)和國家標準與技術研究所,從而為量子科學和技術鋪平道路,但這僅靠政府導向是遠遠不夠的。Awschalom  表示,美國工業界和學術界正在協力規劃該項目。

國家計劃還包括了,在美國國家科學基金會和美國能源部旗下分別創立  到  個基礎研究和教育的中心,專攻量子信息科學。

量子科學不該只待在學術界,應該更「接地氣」一點

Awschalom  認為,讓公司研究人員參與進來,幫助轉化實驗室原型為商業產品和服務尤為重要。近期,矽谷也對量子計算等相關技術產生了不小的興趣,一次由企業資助基礎技術研究工作的浪潮已然出現。

IBM,英特爾,Google 和微軟這四家大型科技公司都以深刻而有意義的方式積極參與量子訊息科學」 Awschalom  說。

培養人才對於任何開展量子研究的國家都至關重要。根據 CNAS  報告,美國國家量子科學和技術計劃可能有助於確保量子研究擁有「持續的基本資金」,以吸引和留住核心研究人員。

該報告還建議美國國家科學基金會建立獎學金計劃,鼓勵學生從事量子科學職業。它還建議建立一個美國國家量子科學和技術實驗室,以促進私人與政府的合作,為長期研究項目提供資金。

我們的學生和研究生不應該都只待在學術環境中 –  他們應該去到各個國家實驗室和公司 ,」Awschalom  說。「我自己的許多學生都在 IBM  和 Google  工作,他們自己也很喜歡在這些公司工作。」

(本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈中美量子霸权争夺战 〉,首圖來源:Pixabay, CC Licensed。)

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