中美量子霸权争夺战

点击：  作者：李雷、JIN、王嘉仪、钱天培    来源：spectrum.ieee.org  发布时间:2019-01-31 14:21:29

  

 

来源：spectrum.ieee.org

编译：李雷、JIN、王嘉仪、钱天培

 

圣诞节前，美国总统特朗普发布了国家量子倡议法案。在未来10年内，美国政府将投入超过12亿美元用于量子信息科学研究。

 

这项法案的通过表明，美国两党政府将紧跟中国等国家的脚步，大力开发量子技术，包括量子计算、量子加密和量子通信等。

 

世界经济和军事格局很可能就此改变。

 

其中，美国尤为关注量子计算技术的发展，因为它的发展极有可能会破解那些保护政府和国家企业机密的计算机算法。另一方面，对量子科学的投资也能够为美国带来突破，帮助巩固技术的领先地位和国家安全。如果其他国家在某项量子技术上领先于美国，那美国的地位就会受到动摇。值得注意的是，中国特别重视投资量子科学，并希望能够以此突破美国现在享有的传统科学技术优势。

 

“很明显，中国希望把握这次历史性的机遇，赶上、甚至超越美国。”华盛顿特区新美国安全中心（CNAS）的兼职研究员Elsa Kania在最近的新闻发布会上表示。

 

但Kania解释说，量子技术的发展更像是一场马拉松，而不是短跑比赛。美国国家科学院、工程院和医学院在最近的报告中承认，制造通用量子计算机仍需要十年以上的时间。工程师们必须先弄清楚如何构建更大的量子比特阵列，并且要使这些脆弱的量子比特能够维持长时间的稳定，以便执行有效的计算。

 

无论量子计算是否真的如传言那般厉害，其在影响国家安全和技术领导地位的潜力，已经足以促使美国和中国采取行动。

 

不仅仅是量子计算技术，该领域的其他量子技术的影响均不可轻视。量子通信和密码学技术的发展很可能构建出牢不可破的理想网络。另外，量子雷达和传感技术可以探测到隐形飞机和水下潜艇。同时，量子导航可以提供精确的地理定位而无需依赖基于空间的GPS。

 

Kania在她与美国国土安全部的John Costello合写的一份CNAS报告中阐述了，中国在量子技术研究中投入了大量由国家支持的科研力

 

中国的抱负——实现量子领域的飞跃式进步

 

Kania认为，中国大力发展量子技术是出于对美国情报能力和其在中国境内监视活动的担忧。习近平在2018年1月的新年致辞中强调了量子技术的战略重要性，并特意强调中国在量子计算技术方面所获得的成就。

 

根据CNAS的报告，中国的科学家和工程师虽然是量子马拉松的后起之秀，但是他们目前享有不限量的量子科学技术发展资源。尽管缺乏有关中国对此投入资金的详细信息，但Kania和Costello估计“目前的资金量达数十亿美元”。

 

 

如此大量的国家资金投入之下，中国已在量子科学研究道路上获得了多个里程碑式的成就。2016年8月，中国发射了世界上第一颗量子卫星，作为太空与地球之间量子通信链路的测试平台。它还完成了一条长达2,000公里的从北京到上海的光纤骨干网，用于地面量子网络。

 

 

2017年，中国再次展示了其在量子技术领域的成就，如使用卫星来测试量子加密技术，同时在量子通讯的比特纠缠技术上取得领先地位。

 

另一个例子来自量子雷达领域。2016年9月，中国研究人员发表了新的量子雷达研究数据，提高了检测百公里外目标的精确度。据报道，该范围是2015年某国际团队支持的实验室原型的五倍。中国研究人员表示，他们下一个版本的量子雷达将能够探测隐形轰炸机，并可能跟踪弹道导弹。

 

“中国已经彰显了其在量子领域的雄野计划，欧洲、英国、澳大利亚和加拿大也是。”芝加哥大学的自旋电子学和量子信息教授David Awschalom说：“所有这些都是国家战略，现在也是美国做这件事的好时机。”

 

 

David Awschalom

 

美国欲实现量子技术全方位发展

 

Awschalom认为，我们很难评估中国国家量子科学和技术计划的成就。不过，美国国家计划可以使我们在量子技术发展的所有领域保持竞争优势。比方说，量子通信和传感应用可能在未来五年内成为现实。

 

在这方面，美国已经开始在中等距离上建立量子加密和通信网络，其中最值得一提的就是连接Argonne国家实验室和Fermi国家加速器实验室长达48公里的量子网络。这是联邦实验室联合芝加哥大学一起开展的，由Awschalom执导的芝加哥量子交换合作项目。

 

12月，国家量子倡议法案在众议院和参议院获得通过，并得到共和民主两党的支持，这将助力美国的量子技术研究，但有关政府财政预算的政党斗争又使这一法案摇摇欲坠。

 

美国国家量子倡议计划将向各类政府机构收取费用，包括美国国家航空航天局（NASA）和国家标准与技术研究所，从而为量子科学和技术铺平道路，但这仅靠政府导向是远远不够的。Awschalom表示，美国工业界和学术界正在协力规划该项目。

 

国家计划还包括了，在美国国家科学基金会和美国能源部旗下分别创立2到5个基础研究和教育的中心，专攻量子信息科学。

 

让研究成果走出实验室

 

Awschalom认为，让公司研究人员参与进来，帮助转化实验室原型为商业产品和服务尤为重要。近期，硅谷也对量子计算等相关技术产生了不小的兴趣，一次由企业资助基础技术研究工作的浪潮已然出现。

 

“IBM，英特尔，谷歌和微软- 这四家大型科技公司都以深刻而有意义的方式积极参与量子信息科学” Awschalom说。

 

培养人才对于任何开展量子研究的国家都至关重要。根据CNAS报告，美国国家量子科学和技术计划可能有助于确保量子研究拥有“持续的基本资金”，以吸引和留住核心研究人员。

 

该报告还建议美国国家科学基金会建立奖学金计划，鼓励学生从事量子科学职业。它还建议建立一个美国国家量子科学和技术实验室，以促进私人与政府的合作，为长期研究项目提供资金。

 

 

“我们的学生和研究生不应该都只待在学术环境中- 他们应该去到各个国家实验室和公司，”Awschalom说。“我自己的许多学生都在IBM和Google工作，他们自己也很喜欢在这些公司工作。”