中美两国竞速发展量子技术

在圣诞节前几天，美国总统唐纳德•特朗普签署了一项法案，将在未来10年里内投入超过12亿美元用于发展量子信息科学。《国家量子倡议法》（National Quantum Initiative Act）代表了美国两党政府在发展量子计算、量子加密和量子通信等技术方面与中国和其他国家保持同步的努力。这些技术都有可能打破世界经济和军事力量的平衡。

插图来源：IEEE Spectrum

量子计算因其有朝一日有可能破解保护政府和企业机密的现代计算机算法而受到特别关注。但是对量子科学的投资也可能带来突破性进展，有助于巩固美国的技术领导地位和国家安全——或者如果另一个国家首先开发出某种量子技术，则会削弱美国的领导地位和国家安全。值得注意的是，中国一直特别重视投资量子科学，以此作为绕过美国拥有的传统技术优势的一种方式。

位于华盛顿的新美国安全中心（CNAS）的兼职研究员Elsa Kania在最近的一次新闻发布会上说：“很明显，中国正在利用它所认为的历史性机遇，不仅要赶上美国，而且要超越美国。”

但Kania解释说，这更像是一场马拉松而非短跑。美国国家科学院、工程院和医学院在最近的一份报告中也承认了这一点，认为制造出实用的通用量子计算机还需要10年以上的时间。工程师们还必须弄清楚如何构建出由脆弱的量子位构成的更大的、能在足够长的时间内保持稳定以执行有用的计算的阵列。

不过，无论量子计算是否能够不负人们的热烈期待，它对国家安全和技术领导地位的可能影响已经促使美国和中国采取行动。

量子通信和量子加密的进步可以产生理论上不可破解的网络。量子雷达和传感技术可以揭露隐形飞机和水下潜艇的位置。量子导航可以提供精确的地理定位能力，而无需依赖基于空间的GPS。这些影响会远远超出量子计算的影响。

去年9月，Kania与美国国土安全部的John Costello共同撰写了一份CNAS报告，其中列举了在国家支持下中国的科研人员对这些量子技术所做的许多研究工作。

中国的国家抱负实现巨大飞跃

Kania说，中国对量子技术的兴趣与中国对美国在其境内的情报能力和监视活动的担忧是密切相关的。中国国家主席习近平在2018年1月的新年致辞中强调了量子技术的战略重要性，甚至特别提到了中国在量子计算方面取得的成功。

根据CNAS的报告，中国的科学家和工程师被描述为量子马拉松的“相对后来者”，在发展量子科学和技术方面他们最近获得了“几乎无限的资源”。尽管缺乏有关中国为此类努力提供的国家资助的详细信，但Kania和Costello估计“最近和目前的资助金额将达到数十亿美元。”

这种由国家支持的资助已经转化为一系列被广泛报道的中国研究里程碑。2016年8月，中国发射了世界上第一颗量子卫星，它作为空间与地球量子通信链路的测试平台使用。中国还在2016年完成了一条用于地基量子网络的连接北京和上海的2000公里的光纤骨干网。

中国研究人员继续展示了几项值得注意的早期工作，包括在2017年利用他们的卫星来测试量子加密，并为通信中涉及的量子位之间的纠缠创造了距离记录。

对中国国家战略的另一瞥来自量子雷达领域。2016年9月，中国研究人员报告了在开发量子雷达方面的一项新纪录，他们所开发的量子雷达在探测100公里以外的目标时提高了准确度——据报道，其可探测的距离是一个国际团队在2015年开发的实验室原型的5倍。中国研究人员表示，他们的下一个版本的量子雷达将能够探测隐形轰炸机，并有可能追踪弹道导弹。

芝加哥大学的自旋电子学和量子信息领域的教授David Awschalom说：“中国已经开启了一个极其雄心勃勃的计划，欧洲、英国、澳大利亚和加拿大也是如此。 所有这些国家都有国家级计划，所以现在美国也是时候这样做了。”

美国装配量子积木

Awschalom说，其他地方的研究人员有时很难评估中国国家量子科技计划的成就。但是美国的国家级计划可以帮助美国在量子技术发展的所有领域保持竞争力。例如，量子通信和传感应用可能在未来五年内成为现实。

在这方面，美国已经开始建立中等距离的量子加密和通信网络。一个值得注意的例子是连接阿贡国家实验室和费米国家加速器实验室的那条48公里的量子网络。这两个国家实验室与芝加哥大学共同建立了由Awschalom指导的芝加哥量子交换（Chicago Quantum Exchange）合作项目。

去年12月，美国参众两院在两党支持下通过了《国家量子倡议法案》（National Quantum Initiative Act）。尽管围绕政府预算问题的更广泛政治斗争给该法案蒙上了阴影，但该法案仍有可能进一步推动美国在发展量子技术上的努力。

美国国家量子倡议要求包括美国国家宇航局和国家标准与技术研究所在内的各个政府机构为量子科学与技术制定发展路线图。但这项计划绝不仅仅是政府主导的努力。Awschalom将该倡议描述为是在美国工业界和学术界的支持下精心设计的。

这项国家计划还赋予美国国家科学基金会和美国能源部任务，它们各要建立两个至五个致力于量子信息科学基础研究和教育的中心。

冲出实验室

Awschalom表示，让公司的研究人员参与进来，帮助将实验室的发现和原型转化为商业产品和服务，这一点尤其重要。他曾在IBM工作过，他观察到硅谷最近对量子计算和相关技术的兴趣，为公司支持的基础研究工作带来了健康的复兴。

“IBM、Intel、Google和Microsoft——这四家主要的技术公司都在以深入而有意义的方式积极参与量子信息科学的发展。”Awschalom说。

发展人才对于任何从事量子研究的国家都是至关重要的。根据CNAS的报告，美国的国家级量子科技计划可能有助于确保“一贯和基本的资金水平”，从而吸引和留住领先的研究人员。

该报告还建议美国国家科学基金会建立奖学金计划，其承诺服务于鼓励学生从事量子科学领域的职业。它同样也建议建立一个美国国家量子科学和技术实验室，通过资助长期研究项目来促进公私合作。

“我们的本科生和研究生不应该都期望进入学术界——他们应该遍布全国的实验室和公司。”Awschalom说。“我自己的很多学生都在IBM和Google工作，他们很喜欢他们的工作。”