2020年11月19日 | 中美量子技术争霸赛，胜算几何？

中美两国在尖端科技上的竞争越演越烈。继5G之后，量子科技或将成为美国最为忌惮的中国科技。

10月16日，中共中央政治局集体学习量子科技。就在此前一天，美国国务院发布了《关键与新兴技术国家战略》，详细介绍了美国为保持全球领导力而强调发展“关键与新兴技术”，明确了20项关键与新兴技术的清单，其中就包括量子信息科学。

中美为何如此重视量子科技？专家认为，量子科技是真正的未来科技，在复杂的国际竞争中，将拥有不可替代的战略地位。那么，量子科技究竟为何物，引得大国之间竟相争？当前，中美之间的量子科技较量如何？

量子科技将颠覆传统技术

量子科技被频频提及，乍一听很容易被认为是新型科技概念，但其实它的历史已逾百年，而我们也早已享受到由它带来的科技成果而浑然不觉，比如硬盘、GPS等。

量子科技的历史可以追溯到19世纪末。彼时，开尔文提出黑体辐射，成为物理学世界的两朵“乌云”之一。为了解决这个难题，量子力学之父普朗克提出，光的能量可以分成不连续的最小基本能量元，从而拉开了量子世界的帷幕。具体来说，“量子”是一个数学概念，一个事物如果存在最小的不可分割的基本单位，我们就说它是量子化的，并把最小单位称为量子。

第一次量子革命催生了晶体管、激光、核磁共振、全球定位系统等现代技术，使人类进入信息时代。也是在这一次信息革命中，美国在全世界奠定了霸主地位。

进入21世纪，量子科技革命的第二次浪潮即将来临。第二次量子科技革命将催生量子计算、量子通信和量子测量等一批新兴技术，这将极大改变和提升人类获取、传输和处理信息的方式和能力。

图：世界上第一颗量子卫星Micius的示意图（来源中国日报）

在量子信息技术中，最具有代表性的是量子通信和量子计算，这也是各主要科技大国重点抢占的战略技术高地。量子通信是利用量子力学的基本原理对信息进行加密，具有不可克隆、不可窃听的特性。如果中途遭到窃听，信息将会被破坏，接收方就能察觉，具有传统通信技术不可比拟的安全性。因此，量子通信也成为各国优先发展的重点量子科技领域。

量子计算是利用量子态的演化进行计算。经典计算机中只能处于0或者1两种状态之一，而量子计算机能同时处于0和1两种状态。由此衍生的量子算法可能大大超过当前超级计算机。

目前，非通用型量子计算机的已经实现了1000位量子比特，在特定算法上计算效率比经典计算机要快一亿倍。

量子科技的应用为科技发展带来无限的想象空间。据介绍，目前全球一年产生的数据量需要数百亿个存储量为1TB的硬盘，而未来量子存储设备则只需要指甲盖大小就能存储人类几百年的信息。这给高密度、低能耗的信息存储带来巨大想象空间，而基于此的大数据发展也将突飞猛进。清华大学副校长薛其坤提到，量子计算会颠覆性提高信息运算处理速度，量子通信会大幅度提升通信安全性，量子精密测量和传感技术会在未来数字时代和万物互联时代有着广泛的应用。

政策不相上下

为了发展量子科技，各国政府出台了很多相关政策，而美国尤其表现得雄心勃勃。

近10年来，美国已通过“量子信息科学和技术发展规划”等项目，以每年约2亿美元的投入力度，持续支持量子信息各领域研究。最近两年，美国无论是在研究、投资、还是教育上都巨资投入，并表示要成为量子信息科学标准的制定者、领导者。

早在2018年，美国便将量子信息科学上升至国家战略层面，为此，特朗普总统签署了《国家量子计划法案》，宣称绝不能容忍在量子科技领域落后。

2018年9月，白宫科学技术政策办公室（OSTP）和美国国家科学技术委员会QIS小组委员会发布了《国家量子信息科学战略概述》，概述了美国政府将促进美国在量子信息科学（QIS）领域处于领导地位这一议题置于优先列。

2018年12月，特朗普总统签署了《国家量子倡议法案》，以加强美国在QIS领域的领导地位，并加速这一前沿领域的研发进度。该法案授权联邦政府在5年内投入12亿美元用于QIS的研发，同时建立了国家量子协调办公室，并呼吁在全国各地建立新的QIS研究机构和组织。

今年以来，美国加快了布局量子科技的步伐。7月，美国能源部公布了量子互联网发展的战略蓝图，提出要确保美国处于全球量子竞赛的前列，引领通信新时代。8月，美国政府宣布，为多学科人工智能和量子计算提供约10亿美元（约70亿RMB）的新资金以建设研究中心。其中，QIS为9.25亿美元，人工智能为1.4亿美元。量子领域占了总投资的9成，从中可窥其分量。

针对此次量子信息科学和人工智能投资金额上的悬殊，美国科学部副部长Paul Dabbar称，对于美国国家利益而言，量子科学可能比人工智能更具影响力。美国此次在人工智能和量子信息科学的再次加码，和中国在新兴技术上的发展密切相关，美国许多政策顾问担心，与中国这样的竞争对手相比，美国在人工智能和量子研究方面应该不断加码以巩固地位，并强调，这些技术不仅对经济发展有帮助，而且对国家安全也有帮助。

10月，美国还开通了国家量子协调办公室网站，并发布了聚焦八大研究领域的《量子前沿报告》。上述文件都表明，美国非常重视量子科技，决心用国家的力量大量投入。

与此同时，中国近年来对量子信息技术的重视和支持力度也逐渐加大。

2016年，我国将量子计算在“十三五”计划中规划为具有战略重要性的领域。

2018年，习近平强调“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用”，进一步肯定了量子信息的战略地位。

今年3月，科技部印发《关于科技创新支撑复工复产和经济平稳运行的若干措施》要求，大力推动关键核心技术攻关，其中就包括量子通信。

而近日的一次也就是10月16日，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。

领导人在主持学习时指出，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。同时，领导人的讲话中还从政策、资金、人才、科研、技术等方面，对大力推动量子科技发展做出了更进一步的要求。 

这也意味着，继区块链之后，量子科技这一前沿科技也成为国家战略，得到中央层面的大力支持，成为中国增强在科技领域国际核心竞争力的一步“先手棋”。

胜算几何？

而最惹人关注的莫过于当前中美量子科技竞争态势如何。根据日本知识产权数据库Astamuse的统计，美国在量子计算机领域的论文研究中占据主导地位，2014年至2018年发表了1,948篇相关论文，中国排名第二，发表了1495篇论文，其次是德国、英国和日本。在与安全相关的量子密码学领域，中国处于领先地位，同期发表了2169篇论文，是美国（1051篇）的两倍。

另一方面，从专利申请的数量对比来看，根据日本科学技术振兴机构下属研究开发战略中心发布的《从全球专利地图看量子技术2.0》调查报告显示，在量子技术2.0共4088件相关技术专利中，中国自己就有1387件，成功居于所有国家中的第一名，美国凭借921件专利成为第二名，而日本则是凭借657件技术专利获得第三名。

除了数量之外，我国在量子方面的专利技术含量超过其它的一些较有优势的国家，也渐渐呈现出直追美国的趋势，尤其是在量子计算机方面，比如，2019年2月，中国科技大学潘建伟实现基于冷原子的多节点量子存储网络，该项成就直接被国际权威学术期刊《自然·光子学》称为“多节点量子网络的里程碑”。

具体到实际的研究方面，在量子计算赛道上，美国企业可谓“高手如云”，如IBM、谷歌、微软、英特尔、亚马逊、高通以及最新推出其量子计算计划的Honeywell（霍尼韦尔），都在争相展示自己解决新型复杂计算问题的能力。

此外，这些企业还与耶鲁大学、麻省理工学院、加州大学系统等科研机构联合攻关共性技术，主要集中在超导量子计算领域，目前这些企业已经在超导量子计算领域取得较好成果。另外，在产业化方面，IBM发布超导量子比特的量子计算云平台。而谷歌也推出了72比特的量子计算芯片“狐尾松”。

中国研究人员也在量子计算方面奋起直追。中国科学技术大学、清华大学等高校近年来都在量子计算领域取得一些阶段性成果。百度、阿里巴巴、腾讯、 华为 等科技企业也相继出台了量子计算研究计划。今年9月，百度、本源量子等企业先后发布了自己的最新量子计算云平台，使普通用户也能通过云技术使用量子计算；华为在去年也发布了HIQ量子云平台，并在今年推出了“昆仑”量子计算模拟一体机；今年，中国科学家团队合作开发了具备20个量子比特纠缠的芯片，并实现全局纠缠，文章已经发表在美国《科学》杂志上，刷新了固态量子器件中生出纠缠态的量子比特数目的世界记录。

量子通信领域，虽然其仍处于发展初期，但是中国在量子通信领域已占据领先地位，有望和美国在量子计算领域一较高下。

2016年8月，中国发射了自主研制的世界上首颗空间量子科学实验卫星“墨子号”；此后，中国科研人员利用量子卫星在国际上率先实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发等成果。2017年，全球首条量子保密通信骨干网“京沪干线”项目通过总技术验收。

今年以来，在量子通信领域中国学者更是“捷报频传”。3月，中国科学技术大学潘建伟团队等研究人员实现了500公里级真实环境光纤的双场量子密钥分发和相位匹配量子密钥分发，传输距离达到509公里，创造了新的世界纪录。5月，中国科研团队在国际物理学权威期刊《现代物理评论》上发表论文，系统阐述了量子密码的原理、理论和实验技术，为量子密码的广泛应用以及标准化制定奠定了基础。9月，郭光灿院士团队与奧地利同行合作，首次实现了高保真度的32维量子纠缠态，显著提高了量子通信的信道容量，创造了当前世界最高水平。

总结：中美在量子科技决赛的分组赛中，目前各有胜负，总冠军还未有最后结果。BBC曾如此评价中美之间的科技竞赛，“科技竞争的胜负输赢不仅将决定中国和美国的命运，也将决定21世纪世界的走向。”大国较量，比起虚无缥缈的“国运”说，以科技领先赢得竞争明显更能获得中美两国的共鸣，而量子科技或许就是中美制胜未来的胜负之手。