量子霸權(quán)爭(zhēng)奪戰(zhàn)：美國(guó)欲實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)全方位發(fā)展

美國(guó)總統(tǒng)特朗普曾發(fā)布了國(guó)家量子倡議法案。在未來10年內(nèi)，美國(guó)政府將投入超過12億美元用于量子信息科學(xué)研究。

這項(xiàng)法案的通過表明，美國(guó)兩黨政府將緊跟中國(guó)等國(guó)家的腳步，大力開發(fā)量子技術(shù)，包括量子計(jì)算、量子加密和量子通信等。

世界經(jīng)濟(jì)和軍事格局很可能就此改變。

其中，美國(guó)尤為關(guān)注量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)樗陌l(fā)展極有可能會(huì)破解那些保護(hù)政府和國(guó)家企業(yè)機(jī)密的計(jì)算機(jī)算法。另一方面，對(duì)量子科學(xué)的投資也能夠?yàn)槊绹?guó)帶來突破，幫助鞏固技術(shù)的領(lǐng)先地位和國(guó)家安全。如果其他國(guó)家在某項(xiàng)量子技術(shù)上領(lǐng)先于美國(guó)，那美國(guó)的地位就會(huì)受到動(dòng)搖。值得注意的是，中國(guó)特別重視投資量子科學(xué)，并希望能夠以此突破美國(guó)現(xiàn)在享有的傳統(tǒng)科學(xué)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

“很明顯，中國(guó)希望把握這次歷史性的機(jī)遇，趕上、甚至超越美國(guó)?！比A盛頓特區(qū)新美國(guó)安全中心（CNAS）的兼職研究員Elsa Kania在最近的新聞發(fā)布會(huì)上表示。

但Kania解釋說，量子技術(shù)的發(fā)展更像是一場(chǎng)馬拉松，而不是短跑比賽。美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院在最近的報(bào)告中承認(rèn)，制造通用量子計(jì)算機(jī)仍需要十年以上的時(shí)間。工程師們必須先弄清楚如何構(gòu)建更大的量子比特陣列，并且要使這些脆弱的量子比特能夠維持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定，以便執(zhí)行有效的計(jì)算。

無論量子計(jì)算是否真的如傳言那般厲害，其在影響國(guó)家安全和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位的潛力，已經(jīng)足以促使美國(guó)和中國(guó)采取行動(dòng)。

不僅僅是量子計(jì)算技術(shù)，該領(lǐng)域的其他量子技術(shù)的影響均不可輕視。量子通信和密碼學(xué)技術(shù)的發(fā)展很可能構(gòu)建出牢不可破的理想網(wǎng)絡(luò)。另外，量子雷達(dá)和傳感技術(shù)可以探測(cè)到隱形飛機(jī)和水下潛艇。同時(shí)，量子導(dǎo)航可以提供精確的地理定位而無需依賴基于空間的GPS。

Kania在她與美國(guó)國(guó)土安全部的John Costello合寫的一份CNAS報(bào)告中闡述了，中國(guó)在量子技術(shù)研究中投入了大量由國(guó)家支持的科研力

中國(guó)的抱負(fù)——實(shí)現(xiàn)量子領(lǐng)域的飛躍式進(jìn)步

Kania認(rèn)為，中國(guó)大力發(fā)展量子技術(shù)是出于對(duì)美國(guó)情報(bào)能力和其在中國(guó)境內(nèi)監(jiān)視活動(dòng)的擔(dān)憂。***在2018年1月的新年致辭中強(qiáng)調(diào)了量子技術(shù)的戰(zhàn)略重要性，并特意強(qiáng)調(diào)中國(guó)在量子計(jì)算技術(shù)方面所獲得的成就。

根據(jù)CNAS的報(bào)告，中國(guó)的科學(xué)家和工程師雖然是量子馬拉松的后起之秀，但是他們目前享有不限量的量子科學(xué)技術(shù)發(fā)展資源。盡管缺乏有關(guān)中國(guó)對(duì)此投入資金的詳細(xì)信息，但Kania和Costello估計(jì)“目前的資金量達(dá)數(shù)十億美元”。

如此大量的國(guó)家資金投入之下，中國(guó)已在量子科學(xué)研究道路上獲得了多個(gè)里程碑式的成就。2016年8月，中國(guó)發(fā)射了世界上第一顆量子衛(wèi)星，作為太空與地球之間量子通信鏈路的測(cè)試平臺(tái)。它還完成了一條長(zhǎng)達(dá)2,000公里的從北京到上海的光纖骨干網(wǎng)，用于地面量子網(wǎng)絡(luò)。

2017年，中國(guó)再次展示了其在量子技術(shù)領(lǐng)域的成就，如使用衛(wèi)星來測(cè)試量子加密技術(shù)，同時(shí)在量子通訊的比特糾纏技術(shù)上取得領(lǐng)先地位。

另一個(gè)例子來自量子雷達(dá)領(lǐng)域。2016年9月，中國(guó)研究人員發(fā)表了新的量子雷達(dá)研究數(shù)據(jù)，提高了檢測(cè)百公里外目標(biāo)的精確度。據(jù)報(bào)道，該范圍是2015年某國(guó)際團(tuán)隊(duì)支持的實(shí)驗(yàn)室原型的五倍。中國(guó)研究人員表示，他們下一個(gè)版本的量子雷達(dá)將能夠探測(cè)隱形轟炸機(jī)，并可能跟蹤彈道導(dǎo)彈。

“中國(guó)已經(jīng)彰顯了其在量子領(lǐng)域的雄野計(jì)劃，歐洲、英國(guó)、澳大利亞和加拿大也是?！敝ゼ痈绱髮W(xué)的自旋電子學(xué)和量子信息教授David Awschalom說：“所有這些都是國(guó)家戰(zhàn)略，現(xiàn)在也是美國(guó)做這件事的好時(shí)機(jī)?！?/p>

David Awschalom

美國(guó)欲實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)全方位發(fā)展

Awschalom認(rèn)為，我們很難評(píng)估中國(guó)國(guó)家量子科學(xué)和技術(shù)計(jì)劃的成就。不過，美國(guó)國(guó)家計(jì)劃可以使我們?cè)诹孔蛹夹g(shù)發(fā)展的所有領(lǐng)域保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。比方說，量子通信和傳感應(yīng)用可能在未來五年內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。

在這方面，美國(guó)已經(jīng)開始在中等距離上建立量子加密和通信網(wǎng)絡(luò)，其中最值得一提的就是連接Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Fermi國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)達(dá)48公里的量子網(wǎng)絡(luò)。這是聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合芝加哥大學(xué)一起開展的，由Awschalom執(zhí)導(dǎo)的芝加哥量子交換合作項(xiàng)目。

12月，國(guó)家量子倡議法案在眾議院和參議院獲得通過，并得到共和民主兩黨的支持，這將助力美國(guó)的量子技術(shù)研究，但有關(guān)政府財(cái)政預(yù)算的政黨斗爭(zhēng)又使這一法案搖搖欲墜。

美國(guó)國(guó)家量子倡議計(jì)劃將向各類政府機(jī)構(gòu)收取費(fèi)用，包括美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所，從而為量子科學(xué)和技術(shù)鋪平道路，但這僅靠政府導(dǎo)向是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。Awschalom表示，美國(guó)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界正在協(xié)力規(guī)劃該項(xiàng)目。

國(guó)家計(jì)劃還包括了，在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)能源部旗下分別創(chuàng)立2到5個(gè)基礎(chǔ)研究和教育的中心，專攻量子信息科學(xué)。

讓研究成果走出實(shí)驗(yàn)室

Awschalom認(rèn)為，讓公司研究人員參與進(jìn)來，幫助轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)室原型為商業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)尤為重要。近期，硅谷也對(duì)量子計(jì)算等相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生了不小的興趣，一次由企業(yè)資助基礎(chǔ)技術(shù)研究工作的浪潮已然出現(xiàn)。

“IBM，英特爾，谷歌和微軟-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信息科學(xué)” Awschalom說。

培養(yǎng)人才對(duì)于任何開展量子研究的國(guó)家都至關(guān)重要。根據(jù)CNAS報(bào)告，美國(guó)國(guó)家量子科學(xué)和技術(shù)計(jì)劃可能有助于確保量子研究擁有“持續(xù)的基本資金”，以吸引和留住核心研究人員。

該報(bào)告還建議美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)建立獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃，鼓勵(lì)學(xué)生從事量子科學(xué)職業(yè)。它還建議建立一個(gè)美國(guó)國(guó)家量子科學(xué)和技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，以促進(jìn)私人與政府的合作，為長(zhǎng)期研究項(xiàng)目提供資金。

“我們的學(xué)生和研究生不應(yīng)該都只待在學(xué)術(shù)環(huán)境中-他們應(yīng)該去到各個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和公司，”Awschalom說。“我自己的許多學(xué)生都在IBM和Google工作，他們自己也很喜歡在這些公司工作?！?/p>