10月17日晚的《新聞聯(lián)播》頭條報道了一則重磅消息，10月16日下午，中共中央政治局舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)，主題是“量子科技研究和應(yīng)用前景”。
習(xí)近平總書記在主持學(xué)習(xí)時強(qiáng)調(diào)，當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，科技創(chuàng)新是其中一個關(guān)鍵變量。我們要于危機(jī)中育先機(jī)、于變局中開新局，必須向科技創(chuàng)新要答案。要充分認(rèn)識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋。
消息一出，“量子科技”這個“看不見的黑科技”一下子火了，但可以說絕大多數(shù)人并不真正懂得，因為在很多人看來，這個概念基本上存在于物理教材和科幻電影中。到底什么是量子科技？我國為什么要頂層布局量子科技？
1、什么是量子科技？
“遇事不決，量子力學(xué)”。在大量科幻、懸疑類影視作品的影響下，量子理論似乎已經(jīng)成為解釋一切神秘、未知科學(xué)現(xiàn)象難題的終極大招。當(dāng)量子科技上升為國家頂層科技發(fā)展戰(zhàn)略，我們有必要認(rèn)識一下真實(shí)的量子科技到底是什么。
量子是質(zhì)量、能量等各種物理量的基本單元，比如光子、原子等基本粒子都被統(tǒng)稱為量子。與宏觀世界不一樣，處于微觀世界的量子具有糾纏、疊加等很多特性，所以將量子技術(shù)應(yīng)用到保密通信、超強(qiáng)計算、精密測量等諸多領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)很多經(jīng)典信息技術(shù)所不能完成的任務(wù)。
量子信息技術(shù)，是量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的新學(xué)科，主要包括量子通信和量子計算2個領(lǐng)域。
《新聞聯(lián)播》顯示，這次中央政治局集體學(xué)習(xí)，作講解的是清華大學(xué)副校長、中國科學(xué)院院士薛其坤。薛其坤在現(xiàn)場講了什么，又提了哪些意見建議，官方并未披露。但是，在9月22日的“2020創(chuàng)新之源大會”上，薛其坤曾對外深度剖析了未來的量子技術(shù)。
薛其坤表示，量子技術(shù)的應(yīng)用將給高密度、低能耗的信息存儲帶來了充滿想象的空間，指甲蓋大小的存儲器就能夠存下全世界所有的數(shù)據(jù)。而可擴(kuò)展的量子計算機(jī)的研發(fā)，將極大提升信息處理能力，可謂是信息處理的“核武器”。目前，要加強(qiáng)量子信息技術(shù)的三大領(lǐng)域研發(fā)。其中，量子計算包括硬件、算法、操作系統(tǒng)和軟件等是核心，量子通信包括密鑰分發(fā)等是重要手段，量子測量、傳感和計算則是應(yīng)用最廣泛的方面。
在“2020創(chuàng)新之源大會”上，薛其坤提出一個判斷——第二次量子技術(shù)革命真的來了。薛其坤介紹，信息時代的關(guān)鍵核心技術(shù)，如晶體管、激光、硬盤、GPS等，都是通過人事量子規(guī)律發(fā)展起來的，是量子物理的被動應(yīng)用。量子物理科學(xué)發(fā)展，觸發(fā)了第一次量子技術(shù)革命。第一次量子技術(shù)革命，是從認(rèn)識量子世界、發(fā)現(xiàn)量子效應(yīng)到發(fā)展量子技術(shù)應(yīng)用。而第二次量子技術(shù)革命，從主動操控量子態(tài)、量子效應(yīng)，去發(fā)展量子技術(shù)和應(yīng)用。
“通過量子通信、量子計算、量子導(dǎo)航、量子探測等顛覆性技術(shù)的突破，形成通達(dá)全球的安全通信、算力重組、高靈敏傳感、高精度時空基準(zhǔn)等應(yīng)用，打造量子基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。未來，人類有望打造全球量子互聯(lián)網(wǎng)，從電子時代跨越到量子時代。”薛其坤說。
2、我國處在什么道次上？
今年9月，央視新聞頻道在《創(chuàng)新跨越2020·量子通信》節(jié)目中介紹：量子科技，是國際最為關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。“十三五”期間，我國成功發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星、建成世界首條千公里級量子干線、完成世界首次洲際量子通信，在量子通信領(lǐng)域取得一系列重大進(jìn)展，使我國在國際量子通信領(lǐng)域的賽道上繼續(xù)保持領(lǐng)跑地位。
在位于安徽合肥的中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士潘建偉院士和同事們正在研討量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)規(guī)劃。2016年，我國成功發(fā)射世界首顆量子通信實(shí)驗衛(wèi)星“墨子號”，并圓滿完成了星地量子密鑰分發(fā)等三大科學(xué)目標(biāo)。然而，要構(gòu)建天地一體化的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)，量子通信還面臨很多急需攻關(guān)的核心技術(shù)。
潘建偉說：“我們這一兩年技術(shù)上有很好的進(jìn)步，空地量子密鑰分發(fā)線路的效率得到了大幅度提升，這樣一來，我們天上的載荷就可以做得更小了，就可以由原來的幾百公斤做到幾十公斤，這個成本就可以大幅度地由幾個億降低到千萬的量級。我們希望明年能夠完成微納量子星正樣的研制，具備擇機(jī)發(fā)射的條件。”
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、“墨子號”科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總工程師彭承志表示：除了圍繞“墨子號”做一些物理的、通信的實(shí)驗之外，我們更重要的精力轉(zhuǎn)向了下一代空間量子通信網(wǎng)絡(luò)的研究，包括未來要把量子通信衛(wèi)星推向中高軌，甚至于到地球同步軌道，到那時我們就能實(shí)現(xiàn)24小時全天時的量子通信了。
“十三五”期間，世界首條千公里級量子保密通信干線——京滬干線建成啟用，與“墨子號”相結(jié)合，我國成功實(shí)現(xiàn)世界首次洲際量子保密通信。就在今年，潘建偉研究團(tuán)隊還將無中繼光纖量子密鑰分發(fā)的世界距離拓展到了500公里，并成功實(shí)現(xiàn)了千公里級基于糾纏的量子保密通信，在量子信息領(lǐng)域取得了一系列重大進(jìn)展。
量子科技的另一個重大應(yīng)用前景就是量子計算。量子計算被稱作“自然賦予人類的終極計算能力”，如果將傳統(tǒng)計算機(jī)的速度比作“自行車”，量子計算機(jī)的速度則可能是“飛機(jī)”。在中科大的光量子計算實(shí)驗室，研究團(tuán)隊正在進(jìn)行攻關(guān)的就是50個光子的量子計算研究。量子計算的速度，隨著可操縱光子的數(shù)目的增多而呈指數(shù)級的上升，所以一旦50個光子的量子計算研究實(shí)現(xiàn)成功的話，它對特定問題的計算速度就能夠達(dá)到現(xiàn)有的超級計算機(jī)的百萬億倍之多。
量子計算被認(rèn)為是未來推動高速信息處理的顛覆性技術(shù)，有望在密碼分析、長周期天氣預(yù)報、石油勘探和藥物設(shè)計等領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。目前國際上對于量子計算的研究有很多方案，光子、超冷原子和超導(dǎo)線路等三大體系最受關(guān)注。潘建偉介紹，實(shí)現(xiàn)可編程可通用的量子計算機(jī)或許還需要二十年甚至更長的研究攻關(guān)，但專門用于解決一些特定問題的量子模擬機(jī)已經(jīng)顯示出了超強(qiáng)的計算能力。
中科大提出的“十四五”量子計算機(jī)發(fā)展目標(biāo)是：五年之內(nèi)，量子通信方面，要推廣實(shí)用化，所以首先要實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備的小型化和成本的大規(guī)模降低和量子衛(wèi)星的實(shí)用化；在量子計算方面，在完成量子稱霸的基礎(chǔ)之上，完成一些有價值的專用量子計算機(jī)的研制，可以來解決一些在傳統(tǒng)超級計算機(jī)里面解決不了的又是有價值的科學(xué)問題。
我國科技工作者在量子科技上奮起直追，取得一批具有國際影響力的重大創(chuàng)新成果。總體上看，我國已經(jīng)具備了在量子科技領(lǐng)域的科技實(shí)力和創(chuàng)新能力。同時，也要看到，我國量子科技發(fā)展存在不少短板，發(fā)展面臨多重挑戰(zhàn)。
3、有了“頂層設(shè)計”
十九大后，中央政治局已經(jīng)多次就前沿技術(shù)的相關(guān)問題進(jìn)行了集體學(xué)習(xí)：2017年12月8日的第二次集體學(xué)習(xí)，主題是“實(shí)施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”；2018年10月31日的第九次集體學(xué)習(xí)，主題是“人工智能發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢”；2019年10月24日的第十八次集體學(xué)習(xí)，主題是“區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。
學(xué)習(xí)的背后，都是在就前沿科技問題、核心技術(shù)等問題展開布局。比如，在2017年的那次集體學(xué)習(xí)時，習(xí)近平強(qiáng)調(diào)，要瞄準(zhǔn)世界科技前沿，集中優(yōu)勢資源突破大數(shù)據(jù)核心技術(shù)，加快構(gòu)建自主可控的大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈和生態(tài)系統(tǒng)；去年10月的那次集體學(xué)習(xí)，習(xí)近平說，要把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關(guān)鍵核心技術(shù)，加快推動區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。
這次學(xué)習(xí)，是如何對量子科技進(jìn)行布局的？
習(xí)近平指出，要系統(tǒng)總結(jié)我國量子科技發(fā)展的成功經(jīng)驗，借鑒國外的有益做法，深入分析研判量子科技發(fā)展大勢，找準(zhǔn)我國量子科技發(fā)展的切入點(diǎn)和突破口，統(tǒng)籌基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)、工程技術(shù)研發(fā)，培育量子通信等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，搶占量子科技國際競爭制高點(diǎn)，構(gòu)筑發(fā)展新優(yōu)勢。
來看看要點(diǎn)——
加強(qiáng)頂層設(shè)計和前瞻布局，加強(qiáng)多學(xué)科交叉融合和多技術(shù)領(lǐng)域集成創(chuàng)新，形成我國量子科技發(fā)展的體系化能力；
健全政策支持體系，保證對量子科技領(lǐng)域的資金投入；
加快基礎(chǔ)研究突破和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，在量子科技領(lǐng)域再取得一批高水平原創(chuàng)成果；
培養(yǎng)造就高水平人才隊伍，造就一批能夠把握世界科技大勢、善于統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的世界級科學(xué)家和領(lǐng)軍人才，發(fā)現(xiàn)一批創(chuàng)新思維活躍、敢闖“無人區(qū)”的青年才俊和頂尖人才；
促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，提高量子科技理論研究成果向?qū)嵱没⒐こ袒D(zhuǎn)化的速度和效率；
……
量子力學(xué)是人類探究微觀世界的重大成果。量子科技發(fā)展具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價值，是一項對傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進(jìn)行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。
此番有了“頂層設(shè)計”，量子力學(xué)必將迎來發(fā)展的新風(fēng)口。
作者 | 觀象君 編輯 | 疾風(fēng)
