量子科技：既要稳坐金字塔尖，也要走向普罗大众
2021/3/4 10:01:06
编者按 2021年是“十四五”开局之年。这一年，我国开启了全面建设社会主义现代化国家的新征程，向第二个百年奋斗目标进军。
站在新的起点，我们邀请行业权威专家、两会代表委员，针对“十四五”规划瞄准的前沿领域，分析人工智能、量子信息、生命健康等的发展趋势，找出突破关键点，展望我国科技的辉煌未来。
全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射，世界首条量子保密通信干线“京沪干线”正式开通，量子计算原型机“九章”实现“量子计算优越性”…… 近年来，中国在量子科技领域捷报频传。
20世纪初建立的量子力学是人类历史上最伟大的科学革命之一。随着量子力学的建立而催生的第一次量子革命，带来了原子能、半导体、激光、核磁共振、超导和全球卫星定位系统等重大技术的发明，从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌。
随着量子调控技术的进步，20世纪90年代以来，人们可以对光子、原子等微观粒子进行主动的精确操纵，人类认识和改造世界的实践达到了一个新的历史高度。量子科技可以在保障信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典技术的瓶颈，成为信息、能源、材料和生命等领域重大技术创新的源泉，为保障国家安全和支撑国民经济高质量发展提供核心战略力量。
习近平总书记曾指出，量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，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。
“当前，以量子信息为代表的量子科技正在不断形成新的科学前沿，激发革命性的科技创新，孕育对人类社会产生巨大影响的颠覆性技术。该领域的迅猛发展标志着第二次量子革命的兴起。”2月25日，全国政协委员、中国科学技术大学常务副校长潘建伟院士在接受科技日报记者采访时表示。
领跑、并跑、跟跑并存
我国高度重视量子信息科技的发展，在量子信息科技领域突破了一系列重要科学问题和关键核心技术，产出了一批具有重要国际影响力的成果。
“总体而言，我国在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位，在量子计算方面与发达国家处于同一水平线，在量子精密测量方面发展迅速。”潘建伟说。
他表示，量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络、通过中继器实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的连接，是广域量子通信网络的发展路线。
我国的城域量子通信技术已初步满足实用化要求，我国建成了国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”，在金融、政务、电力等领域开展远距离量子保密通信的技术验证与应用示范。在卫星量子通信方面，我国研制并发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，在国际上率先实现了星地量子通信，首次实现了洲际量子通信，充分验证了基于卫星平台实现全球化量子通信的可行性。
“量子科技从实验室走向实际应用的过程中，需要经历基础研究、关键技术研发、工程化集成与验证等阶段，然后才能实现规模化商业应用。”潘建伟强调。“京沪干线”和“墨子号”量子卫星等，都是基于我国前期十余年的基础和应用研究成果而进行的工程化集成与验证项目，对核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和未来规模化的应用起到了良好的推动作用。
量子计算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵。当前，量子计算研究已经实现“量子优越性”，即量子计算机对特定问题的计算能力超越传统超级计算机，达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。
2020年，潘建伟和陆朝阳等学者研制成功76个光子的量子计算原型机“九章”，推动了全球量子计算的前沿研究达到一个新高度，继谷歌“悬铃木”量子计算机之后，我国首次成功实现“量子计算优越性”的里程碑式突破。
然而，“我国在量子精密测量领域起步较晚，整体上相比发达国家存在一定的差距，但近年来已经迅速缩小了差距，在若干研究方向上与公开报道的国际最高水平相当。”潘建伟说。
各国抢占战略制高点
量子信息科技是国内外科技创新的必争之地，世界各大国龙争虎斗，力图抢占战略制高点。
2018年12月，美国启动了为期10年的《国家量子行动法案》，在2019—2023年期间增加投入约13亿美元，连同其他常规性投入，5年政府投入达30亿美元；美国还将在2022年之前把量子科技的研发资金增加一倍，以确保其全球领导地位；欧盟于2018年10月正式实施“量子技术旗舰项目”，连同各成员国的配套，总经费超过40亿欧元；英国于2016年启动“国家量子技术专项”，迄今总投入已超过10亿英镑；2018年9月，德国政府通过“量子技术：从基础到市场”国家量子技术框架计划，在2018—2022年内投入6.5亿欧元，在新冠肺炎疫情后又追加了20亿欧元：今年1月，法国宣布启动量子技术国家战略，并计划5年内投资18亿欧元。
与此同时，西方国家的大型高科技企业及产业资本也在积极投入，加速进行战略部署。谷歌于2013年与美国国家航空航天局、加州大学圣芭芭拉分校联合成立了量子人工智能实验室；IBM早在2014年就宣布投资30亿美元开展量子计算等下一代计算技术开发；微软于2014年与哈佛大学、玻尔研究所等组建量子设计与量子计算研究中心；英特尔于2016年宣布与荷兰代尔夫特理工大学合作开发新型量子计算机。
“更紧迫的是，在量子信息科技领域，西方国家开始加大对我国的限制。”潘建伟说。2017年，美国商务部将“专门设计（或改造）以用于实现或使用量子密码”的商品明确列入出口管制清单；于2018年11月开始管制14项涉及国家安全和前沿科技的技术出口，其中包括量子密码、量子计算及量子传感。其他一些国家也开始将相关关键设备和器件列入对我国的禁运范围。
我国有望成信息技术引领者
为应对量子信息领域激烈的国际竞争，牢固掌握未来的发展主动权和创新主动权，党中央高度重视该领域的资源整合和协同创新。十九届五中全会通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》明确指出，瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
在谈到我国量子信息科技未来10到15年的总体发展目标时，潘建伟表示，在量子通信领域，要继续保持和扩大我国的领跑优势，构建完整的空地一体广域量子通信网络技术体系，实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接，为形成具有国际引领地位的战略性新兴产业奠定基础；在量子计算领域，要确立和巩固我国在全球第一方阵的地位，有效解决大尺度量子系统的效率问题，研制对特定问题的求解能力全面超越经典超级计算机的专用量子模拟机，并为最终实现通用量子计算机探索出一条切实可行的道路；在量子精密测量领域，我国要力争进入国际先进水平行列，突破与导航、环境监测、医学检验、科学研究等领域密切相关的一系列量子精密测量关键技术，研制一批重要的量子精密测量设备。
潘建伟表示，以量子信息为主导的第二次量子革命正在向我们走近，我国迎来了一个成为未来信息技术引领者的历史机遇。在国际上率先掌握能够形成先发优势、引领未来发展的颠覆性技术，率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技术体系，推动我国信息技术和产业核心竞争力的大幅提升，迅速赶超世界传统强国，是我国量子信息领域的重要使命。
站在新的起点，我们邀请行业权威专家、两会代表委员，针对“十四五”规划瞄准的前沿领域，分析人工智能、量子信息、生命健康等的发展趋势，找出突破关键点，展望我国科技的辉煌未来。
全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射，世界首条量子保密通信干线“京沪干线”正式开通，量子计算原型机“九章”实现“量子计算优越性”…… 近年来，中国在量子科技领域捷报频传。
20世纪初建立的量子力学是人类历史上最伟大的科学革命之一。随着量子力学的建立而催生的第一次量子革命，带来了原子能、半导体、激光、核磁共振、超导和全球卫星定位系统等重大技术的发明，从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌。
随着量子调控技术的进步，20世纪90年代以来，人们可以对光子、原子等微观粒子进行主动的精确操纵，人类认识和改造世界的实践达到了一个新的历史高度。量子科技可以在保障信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典技术的瓶颈，成为信息、能源、材料和生命等领域重大技术创新的源泉，为保障国家安全和支撑国民经济高质量发展提供核心战略力量。
习近平总书记曾指出，量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，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。
“当前，以量子信息为代表的量子科技正在不断形成新的科学前沿，激发革命性的科技创新，孕育对人类社会产生巨大影响的颠覆性技术。该领域的迅猛发展标志着第二次量子革命的兴起。”2月25日，全国政协委员、中国科学技术大学常务副校长潘建伟院士在接受科技日报记者采访时表示。
领跑、并跑、跟跑并存
我国高度重视量子信息科技的发展，在量子信息科技领域突破了一系列重要科学问题和关键核心技术，产出了一批具有重要国际影响力的成果。
“总体而言，我国在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位，在量子计算方面与发达国家处于同一水平线，在量子精密测量方面发展迅速。”潘建伟说。
他表示，量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络、通过中继器实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的连接，是广域量子通信网络的发展路线。
我国的城域量子通信技术已初步满足实用化要求，我国建成了国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”，在金融、政务、电力等领域开展远距离量子保密通信的技术验证与应用示范。在卫星量子通信方面，我国研制并发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，在国际上率先实现了星地量子通信，首次实现了洲际量子通信，充分验证了基于卫星平台实现全球化量子通信的可行性。
“量子科技从实验室走向实际应用的过程中，需要经历基础研究、关键技术研发、工程化集成与验证等阶段，然后才能实现规模化商业应用。”潘建伟强调。“京沪干线”和“墨子号”量子卫星等，都是基于我国前期十余年的基础和应用研究成果而进行的工程化集成与验证项目，对核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和未来规模化的应用起到了良好的推动作用。
量子计算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵。当前，量子计算研究已经实现“量子优越性”，即量子计算机对特定问题的计算能力超越传统超级计算机，达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。
2020年，潘建伟和陆朝阳等学者研制成功76个光子的量子计算原型机“九章”，推动了全球量子计算的前沿研究达到一个新高度，继谷歌“悬铃木”量子计算机之后，我国首次成功实现“量子计算优越性”的里程碑式突破。
然而，“我国在量子精密测量领域起步较晚，整体上相比发达国家存在一定的差距，但近年来已经迅速缩小了差距，在若干研究方向上与公开报道的国际最高水平相当。”潘建伟说。
各国抢占战略制高点
量子信息科技是国内外科技创新的必争之地，世界各大国龙争虎斗，力图抢占战略制高点。
2018年12月，美国启动了为期10年的《国家量子行动法案》，在2019—2023年期间增加投入约13亿美元，连同其他常规性投入，5年政府投入达30亿美元；美国还将在2022年之前把量子科技的研发资金增加一倍，以确保其全球领导地位；欧盟于2018年10月正式实施“量子技术旗舰项目”，连同各成员国的配套，总经费超过40亿欧元；英国于2016年启动“国家量子技术专项”，迄今总投入已超过10亿英镑；2018年9月，德国政府通过“量子技术：从基础到市场”国家量子技术框架计划，在2018—2022年内投入6.5亿欧元，在新冠肺炎疫情后又追加了20亿欧元：今年1月，法国宣布启动量子技术国家战略，并计划5年内投资18亿欧元。
与此同时，西方国家的大型高科技企业及产业资本也在积极投入，加速进行战略部署。谷歌于2013年与美国国家航空航天局、加州大学圣芭芭拉分校联合成立了量子人工智能实验室；IBM早在2014年就宣布投资30亿美元开展量子计算等下一代计算技术开发；微软于2014年与哈佛大学、玻尔研究所等组建量子设计与量子计算研究中心；英特尔于2016年宣布与荷兰代尔夫特理工大学合作开发新型量子计算机。
“更紧迫的是，在量子信息科技领域，西方国家开始加大对我国的限制。”潘建伟说。2017年，美国商务部将“专门设计（或改造）以用于实现或使用量子密码”的商品明确列入出口管制清单；于2018年11月开始管制14项涉及国家安全和前沿科技的技术出口，其中包括量子密码、量子计算及量子传感。其他一些国家也开始将相关关键设备和器件列入对我国的禁运范围。
我国有望成信息技术引领者
为应对量子信息领域激烈的国际竞争，牢固掌握未来的发展主动权和创新主动权，党中央高度重视该领域的资源整合和协同创新。十九届五中全会通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》明确指出，瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
在谈到我国量子信息科技未来10到15年的总体发展目标时，潘建伟表示，在量子通信领域，要继续保持和扩大我国的领跑优势，构建完整的空地一体广域量子通信网络技术体系，实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接，为形成具有国际引领地位的战略性新兴产业奠定基础；在量子计算领域，要确立和巩固我国在全球第一方阵的地位，有效解决大尺度量子系统的效率问题，研制对特定问题的求解能力全面超越经典超级计算机的专用量子模拟机，并为最终实现通用量子计算机探索出一条切实可行的道路；在量子精密测量领域，我国要力争进入国际先进水平行列，突破与导航、环境监测、医学检验、科学研究等领域密切相关的一系列量子精密测量关键技术，研制一批重要的量子精密测量设备。
潘建伟表示，以量子信息为主导的第二次量子革命正在向我们走近，我国迎来了一个成为未来信息技术引领者的历史机遇。在国际上率先掌握能够形成先发优势、引领未来发展的颠覆性技术，率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技术体系，推动我国信息技术和产业核心竞争力的大幅提升，迅速赶超世界传统强国，是我国量子信息领域的重要使命。
