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美国国家量子计划能否实现三大目标?关键要有“量子劳动力”
时间:2019-05-14 13:47:27来源:澎湃新闻
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提要:近日,来自美国国家标准和技术研究院、白宫科技政策办公室、马里兰大学和俄勒冈大学的研究人员在《科学》杂志上发表联名文章,详解这一国家性法案将如何走向现实。
美国国家量子计划能否实现三大目标?关键要有“量子劳动力”

  去年年底,美国国会高票通过《国家量子计划法案》(NQI),意图在量子科技这个前沿战场抢占先机。尽管学术界和产业界都热情高涨,但一部分人士也在担心该法案会沦为纸上谈兵。毕竟,即使是一些参与在量子技术开发前线的工程师和投资者,也并不理解深奥的量子理论。

  近日,来自美国国家标准和技术研究院、白宫科技政策办公室、马里兰大学和俄勒冈大学的研究人员在《科学》杂志上发表联名文章,详解这一国家性法案将如何走向现实。
  从量子传感器、量子计算机再到量子通信网,量子科技将分三大目标实现对未来社会的改造。在这个过程中,新技术和新产品将冲击现有的加密系统、个人隐私和社会管理。
  一边是深刻的量子理论,一边是尖端的技术设计,从长期来看,国家需要的是一批真正的“量子劳动力”,在政府、产业界和资本市场的共同扶持下,开发出带来利润回报的产品。
  文章指出,近几年来,产业界的投资很热,但量子信息科技整体还处于萌芽阶段,存在严峻的技术障碍。机遇、需求和挑战交汇之际,政府需要发挥实质性的作用,促进量子信息科技生态系统的建立,引导其为社会公益服务。
  1994年,麻省理工学院(MIT)应用数学家彼得·肖尔(Peter Shor)提出了一种量子质因子分解算法,能快速对一个特别大的整数进行质因数分解,动摇到现代通行的RSA密码系统的根基。
  但远在此之前,美国情报部门和国防部在量子信息科学方面的投资就已十分可观。美国国家标准和技术研究院(NIST)在1980年代开始建设相关实验室,目前仍在持续扩张。美国国家科学基金会(NSF)资助各类量子信息科技研究人员已有30多年。美国能源部(DOE)则在近几年开始扶持成规模的研究团队。
  随着《国家量子计划法案》超越党派之争,获得高票通过,这些政府机构将秉持“科学优先”的原则,联合学术界和产业界共同激励量子新技术的发展和应用,甚至促成跨国界的合作。
  量子技术革命的终极目标是发展出信息处理系统的全新形态,具体可以分成量子感测、量子计算和量子网络三大块。
  从理论上看,量子科技提供了一种观察世界的颠覆性视角,让我们重新理解像黑洞这样的复杂系统。从应用上看,原子钟、先进激光干涉仪、核磁共振都与量子科技的进步息息相关。就像引力波赋予了人类观察宇宙的“第三只眼睛”,一旦打开量子科技这扇窗户,我们将迎来一个运行在量子法律之下的神奇王国。
 
三大目标
  《国家量子计划法案》的首个目标是用量子技术开发新一代传感器。原子钟和激光测距仪就是用量子理论来实现超高精度的测量。以后,还会出现一些闻所未闻的奇妙技术,比如用量子纠缠将精度提高几个数量级,甚至深入活细胞内部进行测量;基于原子干涉的引力传感器和加速度计,可以实现无需GPS的导航系统;利用纳米尺度的磁场传感器给单个分子成像,助力医疗诊断。
  更远的一个目标是打造量子计算机。经典计算机中的比特为0或1,基于此进行二进制运算。在神奇的量子“叠加态”和“纠缠态”加持下,量子比特却可以同时是0和1,正如薛定谔那只著名的又生又死的猫。在理想状态下,50个量子比特一次可以进行2的50次方次运算,这已经是个天文数字。
  不是所有问题都适合用量子世界的规则进行计算,不过,在特定问题上,量子计算机的表现将碾压经典计算机。比如,模拟核物理和高能物理现象,设计新化学反应、新材料和新药,破解经典密码,优化物流系统、交通枢纽和电网,这些都是量子计算机的拿手好戏。
  目前所谓的“量子计算机”要么是可怜的几个高质量量子比特,要么是一大堆低质量的量子比特。真的要开发出可编程的第一代量子计算机,人类需要的是大量高质量量子比特。在未来数年内,科学家有望控制100个高质量量子比特,解决一些最厉害的经典计算机也无能为力的难题。从长远来看,科学家要提高容错能力和规模化水平,才能充分发挥量子计算的潜力。
  《国家量子计划法案》的第三个主要目标是建立全球量子通信系统,在远距离上输送量子比特产生的随机密码,任何窃听活动都会被察觉。
  用量子通信网把高精度的原子钟同步起来,GPS导航系统就会更加准确。更遥远些的展望,是用一张“量子互联网”连接起量子计算机。
  这三大目标注定要齐头并进,相辅相成。制造大型量子计算机必然要用量子通信网络串联起数个较小的量子计算模块,类似经典多核处理器的结构。而搭建长距离量子通信网络反过来也必然需要小型量子计算机作为节点之间的“中继站”。至于像单光子探测器这样的先进量子传感器,无论是量子计算机还是量子通信网都用得上。
 
技术与挑战
  作为处理信息的全新形态,量子信息系统也要需要全新的物理平台。量子系统必须与外界环境完全隔离,才能使储存起来的量子比特保持叠加态和纠缠态。这就需要低温系统、超导回路、超真空环境、激光操纵单个光子等极端精妙的技术。而要在存储点间传递量子信息,还要用到量子电磁场,才能在空气或光纤中无损耗地传送。
  许多量子科学家只是在钻研其中的一种或几种高精尖的前沿技术。若要实现成规模的量子计算机或量子通信网,大家就必须要把这些硬件及软件技术整合起来,且发展到非常可靠的程度,让非量子专家的工程师们也能用量子系统来创造应用。
  尽管科学家的共识是不存在什么根本性的、物理性的障碍,但在现实开发的过程中,可能会遇到超乎想象的挑战。脆弱的量子比特无法承受最轻微的扰动,包括在任何计算机系统中都会存在的电子噪音。量子理论专家们指出这些误差只要频率够低、得到充分理解,就能进行管理和修正。在未来很长时间内,研究这些噪音和误差会是量子技术研发的重要方向。
  量子技术最为人熟知的隐患就是前文提到的对加密系统的冲击。相比起经典算法,量子算法分解质因数的速度实现了指数级的提高,现代互联网所用的超文本传输协议因此也不再安全。数学家们正在开发抵御量子计算机的先进方法,一些政府机构联合产业界进行新布局。单就眼下而言,没人能担保开发出绝对安全的纯数学加密系统。
  最后,量子技术可能会带来意想不到的隐私和社会管理问题,超越传统信息技术和人工智能的范畴。在技术研发的同时,法律和伦理研究必须跟上。
 
从科学到产品
  从高校到企业的传统科技转化链,在量子技术上不再适用。量子技术涉及到极其深刻的理论和极其尖端的技术,高校和科学机构难以获得廉价、易得的先进设计和设备,产业界又缺乏将量子科学转化成产品的物理专家。
  从短期来看,要打通量子理论科学家和工程师之间的桥梁,最快的方法是筹建重点合作小组,制定科学而明确的工作目标,处理好知识产权问题等复杂因素。
  从长期来,国家需要培养专门的“量子劳动力”。大学应该尽早在课程中做出安排,为产业界的现实需求服务,训练出一批有志于和工程人员并肩作战的量子理论科学家、量子实验科学家。
  目前,绝大多数高校的计算机系才刚刚开始招聘研究量子算法的教员。产业界可以通过资金支持的方式,引导高校进行这方面的尝试。政府则应该鼓励高校设立相关新课程和新院系。
  依据《国家量子计划法案》设立的美国国家量子协调办公室未来将会在学术界、产业界和投资界发挥核心的串联作用。美国国家标准和技术研究院牵头成立的量子经济发展财团,也会更多地调动资本市场的积极性。
  在该生态系统的孕育过程中,必须保证信息流动和对话,才能减少研究力量的分歧,改善投资者的投资决定和风险评估,让量子科技真正转化为带来利润的产品,拉动进一步投资。
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美国 国家 量子 计划 能否 实现 三大 目标 关键 要有 量子 劳动力

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作者系虞涵棋

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