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推动量子技术发展的重大意义

2021-09-22浏览量:1686

信息导读:


  古往今来,科技进步深刻改变着人类生产生活方式,也深刻影响着世界产业发展的走向。特别是在近代以来,以创新驱动的科技革命与工业革命同频共振,影响着大国兴衰,民众的富强繁荣。让我们以愉悦之情迎接信息时代的到来。

  去年十月习近平主席在中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习会议上指出,当今世界正经历百年未有之大变局,科技创新是其中一个关键变量。我们要在危机中育先机,于变局中开新局,必须向科技创新要答案。

  习主席充分肯定了科技创新的重要性,并主张要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。要加强量子科技领域国际合作,提升量子科学领域国际合作的层次和水平。习主席特别强调,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,将引入新一轮科技革命和产业变革方向;准确把握我国量子科技发展的切入点和突破口。培育量子通信等战略性新兴产业,抢占量子科技国际竞争制高点,构筑发展新优势;要加强顶层设计和前瞻布局,形成我国量子科技发展的体系化能力。

  习主席指出,要加强战略研判,坚持创新自信,敢啃硬骨头。要加快营造推进量子科技发展的良好政策环境,完善科研管理和组织机制;要加大对科研对量子科技基础研究的投入。量子科技发展取决于基础理论研究的突破,颠覆性技术的形成是个厚积薄发的过程。要加大关键核心技术攻关,在量子科技领域再取得一批高水平原创成果。

  另外,还强调了,要加快量子科技领域人才培养力度;要提高量子科技理论研究成果向实用化、工程化的速度和效率。

  2. 量子和量子科技

  为什么量子科技这么红火,这么如此重要,竟然惊动全球科学家,乃至国家领导人!首先我们要明白一些基础而重要的概念:有关量子和量子科技及其应用问题,听听有关专家进行形象而有趣的论述。(金刚石论坛2020、11)

  2.1 量子

  第一次听说量子,总会一脸茫然。1900年春,物理学家凯尔文在送别旧世纪的演讲中感慨,物理学大厦已形成。同时他也隐忧,物理学晴空中有两朵乌云,一朵为迈克尔逊实验,一朵为黑体辐射。一年后,黑体辐射中诞生了量子论。

  量子英文quantus,来自拉丁语,意为“有多少”。这个概念最早由德国物理学家普朗克在1900年 提出,他假设黑体辐射重点辐射能 量是不连续的,只能取能量基本单 位的整倍数,这很好的介绍了黑体 辐射的实验现象。通俗地说,量子 是一个物理量存在的最小不可分割 的基本单位。量子论的建立,使人 类对物质的认识由宏观进入微观。

  2.2 量子科技

  量子技术的物理基础是量子力 学。而量子力学自从1920年问世以 来,量子科学已经先后孕育出原子 弹、激光、核磁共振等新技术,成 为20世纪最重要的科学发现之一。量子科技目前主要有四个应用 领域:量子通讯(也称量子保密 讯)、量子计算、量子模拟、量子 传感和计量。高精尖的量子科技优 点通俗来说就是能够储存海量的信 息,能实现保密通信。量子科技的 发展将对国防、经济、生活产生不 可估量的作用。

  3.量子信息发展

  量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科,主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等;量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。

  3.1 量子信息

  科学社会学的奠基人贝尔纳曾说:“科学与战争一直是极其密切地联系着的”。然而今天,这一曾彻底颠覆机械化战争境遇的电子信息科技,在遵循“摩尔定律”飞速前行了数十年之后,制约其进一步发展的系列问题日渐凸显:电子计算机的极限运算速度是否存在?越来越一体化的电子信息网络如何应对“网电空间战”等。对此,近年来不断突破的量子信息科技正在开启新的机遇之门,势必在未来重新涂抹战神的面孔。

  3.2 量子计算

  “普通的计算机用电子的两种状态计算,这两种状态被定为0和1。但在上世纪末,就有著名专家提出,很有可能利用电子所有的32个量子态来进行快速计算。现在已有诸多实验室在试图制造这样的计算机。它们的优点是难以想象的强大的并行计算能力。”

  据报道,2018年芯片制造业就将步入16纳米的工艺流程,业内专家则认为,16纳米制程已经是普通硅芯片的尽头。事实上,当芯片的制程小于20纳米,量子效应就将严重影响芯片的设计和生产,单纯通过减小制程将无法继续遵循每18个月翻倍的“摩尔定律”,而突破的希望恰在于量子计算。

  专家论述:从理论上讲,一个250量子比特(由250个原子构成)的存储器,可能存储的数达2的250次方,可见数目如此之大。无论在基础理论还是在具体算法上,量子计算都是超越性的。因此,对量子计算的相关研究及量子计算机的具体研制已成为世界科学领域最闪亮的“明珠”之一。美国国防部高级研究计划署专门制定了名为“量子信息科学和技术发展规划”的研究计划,其对外公开宣称的目标是,若干年内要在核磁共振量子计算、中性原子量子计算、谐振量子电子动态计算、光量子计算、离子阱量子计算及固态量子计算等领域取得重大研究进展。笔者闻悉不能不感悟,将来的高科技不仅关乎国计民生,更关乎国防科技。

  4.量子信息的应用

  4.1 量子密码

  大家知道,未来的战争将是无硝烟的信息战、电子战,军事专家围绕着夺取情报、破译密码,一个个斗智斗勇。然而,随着量子信息技术的发展,密码通讯正在迎来划时代的变化,一种永远无法破译的“量子密码”或将在不远的未来登上军事斗争舞台。

  具体来说,传统密码大都采用单项数学函数的方式,应用了因数分解或其它复杂的数学原理。例如,在互联网上比较常用的RSA密码算法,就是应用因数分解的原理。因为要计算两个大质数的乘积很容易,但要将乘积分解回质数却极为困难,这就使得密码很难被破解。然而,美国科学家提出了“量子算法”,它利用量子计算的并行性,可以快速分解出大数的质因子,这意味着以大数因式分解算法为根基的密码体系在量子计算机面前不堪一击。

  同时,另一个著名的量子算法——“量子搜寻算法”也被相继提出,用该方法攻击现有密码体系,经典计算需要1000年的运算量,量子计算机只需几分钟的时间,从而使传统密码领域遭遇前所未有的挑战。以致于有科学家戏称:“其意义不亚于核武器……一旦某国家拥有量子计算机,而另一些国家却没有,当战争爆发时,这就犹如一个瞎子和一个睁眼的人在打架”。

  专家指出,量子计算机的出现虽然会对传统密码产生颠覆,但是量子信息同时也提供了专有的“守护神”,即一种理论上无法破解的密码——量子密码。由于采用量子态作为密钥,具有不可复制性,因而无破译的可能,量子密码的出现也因此被视为“绝对安全”的回归。2003年世界第一套商用量子密码机NAVAJO在美国诞生后,世界各国纷纷将量子通信纳入国防科技发展战略之中,作为重点研究对象。[金刚石论坛]

  4.2 量子通信

  随着量子信息科技的持续发展,未来“超时空隧道”这一幻想不是没有实现的可能。

  在时空方面,由于量子通信属于超光速通信,不仅是“最快的通信”,而且有穿越大气层的功能,从而为基于卫星量子中继的全球化通信网奠定了可靠基础。日前,德国物理学家称:“我们已经实现了第一个量子网络原型,在节点之间完成了量子信息的可逆交换。此外,还可以在两个节点之间产生远程纠缠,并保持约100微秒……未来人们通过它不仅可以进行远距离的量子信息沟通,而且还将使大型量子互联网完全实现成为可能。”

  4.3 量子信息的应用前景

  显然,这一量子通信技术在军事应用方面有着无与伦比的广阔前景,量子隐形通信系统将建立在各类作战指挥控制体系之间和各种侦察预警系统、主要作战平台以及量子微空间武器系统之中,构建出量子信息化战场的通信网络,以其超大信道容量、超高通信速率等特性,在未来的信息化战争中扮演无可替代的角色。亦正因此,近年来,美国国防高级研究计划署启动了多项量子通信方面的相关研究计划。英国、德国、日本等国也都将量子通信技术纳入议程,对其开展了广泛的探索。

  现在我们应该知道量子和量子科技的奇妙了吧。

  5. 目前国内量子技术研究进展

  “科技日报”报道:

  日前,济南量子技术研究院携手中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、科大国盾量子技术股份有限公司,对量子计算“云平台”,进行全面升级。可接入“九章”光量子计算原型机的“量子计算云平台2.0”正式上线,有望成为全球支持量子比特数量最多的量子计算云平台。

  据报道记者采悉,目前量子计算机仍需要严苛的运行环境与复杂的辅助设备,造价高昂,普通用户难以接受。那么“量子计算云平台”应运而生,依托互联网资源为各类用户提供云端接入,对量子计算资源和成果进行开放共享,并提供各种基于量子计算的衍生服务。

  2017年10月,中国科学院量子信息与量子科技创新研究院,联合阿里云共同宣布“量子计算云平台”上线,这是国内首个真正意义上的量子计算云平台。并于2018年2月,再次联手发布11比特的云接入超导量子计算服务,成为继IBM后全球第二个向公众提供10比特以上量子计算云服务的平台。2019年9月,云平台在济南量子院与中科院的强强联合下,上线12比特超导量子计算原型机,成为当时国内支持量子比特数目最多的量子计算云平台。2020年12月,我国科学家成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”,成为“量子计算优越性”的里程碑事件,牢固确立我国在国际量子计算研究中的全球第一方阵地位。“九章”问世之前,速度最快的量子计算机是谷歌推出的53比特超导量子计算原型机“悬铃木”。而中国的“九章”处理高斯玻色取样的速度比“悬铃木”快100亿倍。本次升级后的云平台已经做好接入“九章”光量子计算原型机的准备,有望成为全球支持量子比特数量最多的量子计算云平台。

  6. 金刚石助力量子技术应用

  为推进量子科技革命,加深对量子材料的认识尤为重要。量子材料通常在极低温条件下会展现出一些奇特的性质,例如超导现象等。超导体除了电阻为零外,还会排斥内部的磁场,这种现象叫做迈斯纳效应。如果我们能找到一些材料即使不在低温下也能展现超导性质,将会带来革命性的变化。现在发现含有晶体缺陷的金刚石,也已成为全球量子科研人员的“重点关注对象”。

  目前,对金刚石的许多量子应用研究,集中在识别可以在碳晶格中发现的数百种不同缺陷。一种这样的缺陷是带负电荷的氮空位缺陷,称为NV缺陷。金刚石之所以能提供如此出色的量子缺陷宿主,是因为其晶体结构决定。金刚石是一种宽带隙材料,这意味着它可以在光学状态下通过跃迁能量来容纳一系列缺陷,从而使这些缺陷可以用现成的激光进行处理和操控。

  那么,什么是氮空位中心(NV)?专家指出,金刚石中的“氮空位中心”(NV centers)是一种电子缺陷,即:如果金刚石晶格结构中两个相邻位置的碳原子消失,其中一个原子被氮原子取代,另一个位置“缺失”,就会造成NV中心。这些NV缺陷具有的能量水平特定组合,使得无论基态自旋的电子开始,一旦晶体与绿色光照射时,会通过能量水平周期和在统计上更可能进入自旋状态,使电子围绕该环路循环足够的次数,自旋将有效地对齐。

  一旦处于基态,就可以通过施加微波和光脉冲来操纵NV缺陷以进行量子实验。利用了缺陷所发出的光量是“亮”或“暗”的事实,测量时其基态的自旋。这种自旋状态的稳健性和易读性使得NV金刚石成为各种量子技术的一个非常有应用前景的平台,如量子安全通信,量子计算,量子成像和量子传感等。(科技日报)

  外媒在“MIT首次在芯片上打造基于金刚石的量子传感器或许取代车辆上的GPS”为题报道,美国麻省理工学院(MIT)的研究人员首次在硅芯片上打造了一种基于金刚石的量子传感器,从而能够为低成本、可扩展的量子计算、传感和通信硬件铺平道路。

  MIT的研究人员找到一种方法,利用传统的半导体制造技术,将所有体积庞大的组件,包括微波发生器、光学滤波器和光探测器等都集成至一个尺寸只有毫米大小的组件中。值得注意的是,该传感器能够在室温下工作,具有感应磁场方向和强度的能力。

  研究人员展示了该传感器可用于磁力测量,意味着能够测量由于周围磁场引起的原子尺度的频率变化,而周围磁场可能会包含有关周围环境的信息。经过进一步完善,该传感器还可用于其他领域,如绘制大脑中的电脉冲图、在漆黑的环境中探测物体等。

  感 悟

  又一次工业革命大潮,敦使大踏步进入奇妙的信息时代的到来。

  ★本文系几位从事金刚石事业多年的耄耋之士,闲余之时翻阅有关量子科技的论述和金刚石量子研究取得新进展等若干报道,激起慷慨之情。抖起精神撩起颤抖之手,将其渺识笔录汇集成文,以飨感兴趣同仁共赏。


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