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1、量子科技带来的颠覆性影响目录编者按1.即将到来的量子科技,将颠覆我们所有认知11 .中国的量子技术处于世界第一,超前水平吗? 2.人类完全掌握量子科技后,会是怎样的存在? 22 .追本溯源量子科技由何而来3.百舸争流大国博弈日趋激烈43 .困难重重一一研发计划遭遇瓶颈5编者按近些年,“量子”“量子力学”这些名词的热度不断飙升,与之相关的量子科技也得到了世界 各国的广泛关注,国外各界尤其是高新技术产业界正在不断加大量子科技方面的研究力度。一时 间,量子科技这一前沿技术如洪水一般快速开展,并且成为推动数字时代产业革新、计算结构升级 以及经济快速高质量开展的重要引擎,量子科技领域研发热潮不断攀升。1
2、 .即将到来的量子科技,将颠覆我们所有认知有人认为量子科技会对人类社会产生颠覆性影响再正常不过了。量子最早由M普朗克在 1900年提出,是现代物理的重要概念。普朗克提出:像原子作为一切物质的构成单位一样,”能 量子”(量子)是能量的最小单位。通俗地说,量子就是表现出某物质或者物理量特性的最小单位!换句话说就是将物质不断分 割,直至存在最小的不可分割的基本单位,那么这个物理量就是量子化的,并且我们将最小单位称 之为量子!两个没有任何关系的量子会在不同位置出现完全相关的相同表现,这种现象称之为量子纠缠。 原本物理世界认为光速是不可超越的,而量子纠缠的速度至少1万倍于光速,即有这样一种可能, 在宇宙
3、的某个地方,距离我们几万光年外存在着和你毫无关系的量子,你动他动,他动你动,也可 以简单理解为游戏服务器和被控制的游戏角色之间的关系。为什么说量子科技会颠覆人类社会呢?因为量子力学本来就是颠覆人类认知的一种科学,应用 了这种理论的技术也很可能会产生令人意料不到的效果。凡事涉及到能量的领域,都是很值得科学家的关注,也是未来人类生产生活必须重视的问题。量子科技既是新的机遇也是挑战。第1页共8页量子科学和技术其实已经在方方面面影响着我们的日常生活。我们目前正在广为使用的计算 机、手机、互联网、时间标准和导航,包括医院里的磁共振成像等等,无一不得益于量子科学和技 术。2015年12月10日,谷歌宣布已
4、经在量子计算领域取得了突破性进展,该公司称,它们已成 功证明自家于2013年采购的一台极富争议的计算机能基于量子技术进行数学计算,这种量子算法 可以以比传统过程快1亿倍的速度解决问题。量子计算具有的强大的运算能力,当量子比特数到达大概50个时,其计算能力就可以超过现 有的最强大的超级机计算机,当量子比特数到达300个时,它运算能力可能超过我们现的宇宙 总粒子数之和。很多我们现阶段我们需要运算的工作都可能通过量子计算机轻松秒完,不需要太多时间;量子计算机最具颠覆性和吸引力的就是在分子维度上模拟自然方式,它在制药、化工还有生物 科技等领域都有着广阔的应用,推出一款可上市产品必然会经历一个漫长的实验
5、分子研究结合的过 程,有些还不一定有结果,因此,通过量子计算来节省大量的时间和本钱不仅有利于这些公司的商 业诉求,并可以撬动这些产业的快速开展,带来巨大的商业利益;.中国的量子技术处于世界第一,超前水平吗?关于量子技术公开的信息显示,墨子号”量子科学实验卫星于2016年8月16日在酒泉卫星 发射中心成功发射,2017年1月18日正式开展科学实验。这是世界范围内,第一颗量子科学实验 卫星。中国科学技术大学潘建伟教授表示,“墨子号量子卫星圆满实现预定的全部三大科学目 标,为我国在未来继续引领世界量子通信技术开展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定 了坚实的科学与技术基础。”有望使中国先于欧美
6、,拥有量子通信覆盖全球的能力。量子通信,有望成为新一代通信技术。 但在量子计算这个更广阔的领域,中国仍落后美国,且差距不小。2 .人类完全掌握量子科技后,会是怎样的存在?量子科学是研究微观粒子的科学,而微观粒子是构成宏观物质的态,一但微观粒子的构成确 定,宏观物质也就确,而宏观物质的各种态势构成了物质的不同种类和性质,就有了世界万物。而微观粒子都应是能量团的集聚构成的,这此能量团是具有量子能量态的,各有各的性质,而 量子态实际上那么是由空间结构决定的而空间结构也就是最简形体结构既正四面体和正八面体,体心四面八方存在任一维度的不对称第2页共8页 性和1/4向域所有一维存在三角函数差值,造成空间任
7、意点的各向的势能差而这种势能差就造成了光的波动性和粒子性,光速是由空间任意点向四面八方的辐射造成,也 造就就了各基本粒子,也造就了世界的万物。最后一句话可以说明其重要性:“量子科技,它不是几万亿,几十万亿的概念,他对于国防,经 济所带来的完全是颠覆性的影响!就好比上世纪60年代,人类首台电脑出现时对人类生活和以后 几十年科技开展所带来的影响!”我国目前在量子物理的应用尝试中投入力度很大,在世界范围内也属于比拟先进的国家。3 .追本溯源一一量子科技由何而来不同于第一代量子科技,如今的量子科技是一门综合性很强的交叉学科,其从量子物理基本原 理一一量子力学出发,利用量子相干特性,以探索用于计算、编码
8、和信息传输的全新方式。为了理解量子科技,我们必须要先搞清楚量子科技的基础一一量子力学。量子力学是研究物质 世界微观粒子运动规律的基础物理学,主要研究原子核和基本粒子的结构等。自其建立以来,量子 力学便成为整个微观物理学的理论框架,帮助人们更好地认识宇宙的根源、物质的本质以及事物的 开展规律。量子科技便是以量子力学为理论基础的新兴前沿技术,科学家们利用量子本身的特性, 操控量子的存在状态,研发出如量子计算、量子通信、量子货币等一系列技术应用,极大地改变了 人们的日常生活,量子科技成为新时代福音。作为量子力学的理论基础,著名的海森堡不确定性原理说明:对微观粒子无法同时精确地测量 其位置和速度。而海
9、森堡提出的微观世界量子物理学和传统物理学的区别使得爱因斯坦提出了 “上 帝不掷骰子”的著名论断,预示着量子力学开展的坎坷。1935年多位科学家一起提出的“量子纠 缠”概念更是进一步佐证了微观粒子在系统中相互作用、相互影响,而不能单独观测的相干特性。 随着时间的推移,休埃弗雷特于20世纪中叶又提出了多元世界理论,这种理论指出只要某一物 体存在于一种特定状态下,该对象所处的世界就能转化为与它可能存在的状态数相等的一系列平行 世界,其中每一个平行世界都会包含该物体的一个独一无二的状态。这一解释加深了理论物理学和 量子物理学之间的联系。第3页共8页图1休埃弗雷特于20世纪中叶提出了多元世界理论如今,量
10、子理论方面的研究仍在继续推进,其中局部理论已经进行了实验论证,并且被广泛用 于现实生活中。量子理论的阶段性研究促进了现代量子科技的开展,同时也为日后的技术研发奠定 了理论基础。4 .百舸争流大国博弈日趋激烈随着各国不断加大对量子科技方面的资金投入和政策支持,并将“瞄准量子科技,建设技术高 地”列入本国的开展战略,量子科技便开始以“星火燎原”之势对社会结构和经济开展造成颠覆性 影响。量子科技方面的竞技也已经上升到了国家层面,越来越多的国家竞相制定量子科技开展战略 和专向计划,世界正式进入全面推动量子科技开展的战略竞争时代,量子科技方面的大国博弈日趋 白热化,各大国及各组织都制定了相应的量子科技开
11、展战略,在适应本国国家开展战略的同时又提 出了一些创新型计划。目前,美国在能源行业加大量子计算的融合创新,成立了首个能源行业量子计算联盟一一量子 未来电力系统升级计划,旨在“结合量子信息和量子计算的力量,专注开发新的量子模型、方法和 算法”。为保证数据平安传输,欧盟各成员国加大量子加密通信方面的研究力度,并成功建立量子 通信基础设施,共同进行量子保密通信管理,从而确保敏感信息和数据的绝对平安。日本在量子保 密通信科研方面投入力度巨大,与欧洲联合建立东京量子保密通信试验床网络并持续开展现网实 验。第4页共8页止匕外,量子计算机的研发和量子算法的提出也对世界产生了极大影响。相较于以往的计算机, 量
12、子计算机的运算速度更快。美国的超级计算机“顶点”,其运算峰值可达每秒20亿亿次。据估 计,“顶点”运算一万年才能解决的问题,53个比特的量子计算机仅需200秒便可解决,极大地 提升了算力。此外,量子计算机的初始化能力、可控能力、扩展能力、稳定能力和被测量能力更 强,更能满足人们的日常生活需要。量子算法的提出那么使实现人工智能算法成为了可能。现如今, 机器自主学习算法帮助处理数据、进行测量已是常事,但在面对海量数据时,经典算法的计算能力 不能满足生产生活需要,而量子算法超强的并行计算能力那么解决了这一难题。量子科技带来的技术红利和科技先进性为许多国家带来了财富效益和进行科技创新的机会,量 子科技
13、极佳的开展前景导致量子科技领域“你追我赶”的现象愈演愈烈。欧盟作为欧洲地区的重要 组织之一,牵头制定了一系列量子技术开展战略。2020年3月3日,量子旗舰计划成员向欧洲委 员会提交了一份战略研究议程文件(SRA),该文件围绕量子通信、量子计算、量子模拟、量子传 感和计量等4个主要应用领域提出了未来短期、中期、长期的开展计划和预期成果,旨在加快量子 旗舰计划在量子技术、创新和开展等各个方面的研究,并不断缩短和其他国家的开展差距。据此, 各国政府对“快速开展量子科技、抢占技术制高点”战略的重视程度可见一斑,并且随着不断拓宽 技术领域、加大理论研究力度,量子科技的应用范围势必会变得更广,其开展潜力不
14、容小觑。StrategicResearchAgenda图2量子旗舰计划成员向欧洲委员会提交的战略研究议程文件5 .困难重重研发计划遭遇瓶颈数字时代下,量子科技为世界带来了许多机遇。我们已经经历了两次量子革命带来的深刻变 革,两次变革所带来的经济红利让我们清楚地认识到量子科技蕴含着非常巨大的能量,它不仅是推 动数字经济快速开展的核心力量,同时也是加快信息领域变化扩大的关键技术。在看清量子信息技第5页共8页 术开展对信息平安和计算通信等方面产生巨大冲击的同时,我们也要看清其快速开展背后所面临的 窘境。随着量子领域的相关研究不断深入推进,各个组织对高质量人才的需求量也在以指数形式逐年 暴增,量子领域
15、的研发计划迎来了瓶颈期。2019年,英国启动国家量子技术计划的第二阶段。在此之前,英国量子技术战略咨询委 员会曾发布一篇名为国家量子技术战略的量子科技战略路线图。在该战略中,英国计划10年 内完成低本钱的气体检测及非破坏性的生物显微镜的开发;510年内,完成抗干扰GPS精度级 水下导航,实现环境监测、地震预测、民用工程地下设施及废弃物探测等应用;2030年内,开 发出解决复杂问题的个人量子计算系统和高性能、低功耗量子化协处理器。显然,储藏高精尖技术 人才是完成这些目标的一大关键因素,英国势必会在很长一段时间内都会极其需要高质量人才的技 术支持。当然,人才短缺并不是只有英国才会面临的问题,其他组
16、织和团队同样也有着极大的人才 需求,各个领域的人才短缺现象已成为一个全球性难题,究其原因是人才储藏方面出现以下几点问 题。一是人才选拔限制了人才培养和开展,导致人才培养类型单一。比方,一些企业或团体对某类 人才有超高需求,应聘者为谋取就业岗位,常会对照该企业的需求而开展自身能力,限制了其他能 力的培养。二是人才培养各领域之间联系不强,难以到达量子科技对多领域技术人才的需求。现如今,单 一领域的高质量人才储藏尚且充足,但是量子科技作为一个学科综合性极强的行业,涉及数学、物 理、计算机科学、工程设计等多个学科,因此其对人才的知识水平有着很高要求。三是人才质量不高,专业性、技能性人才严重短缺。人才质
17、量的高低关乎着量子科技能否顺利 研发、应用、普及,关乎着能否形成有机整体,加快进行顶层设计等几个关键战略开展方向。因此,如何加快建设人才补给链是当下各国开展战略中必须要思考的一大问题。面对难以横跨的人才断崖,各国首先要做的就是尽快加强高等院校在量子科技方面的教育,努 力培养综合性强的高端技术人才,做好人才储藏从而应对未来的研发建设需要。量子科技作为一个新兴领域,许多方面的研究近乎为零,因此需要大量的资金投入以保证顺利 展开对该领域的探索、充足的人才供给以作为持续研究相关技术的坚实基础、精密的设备场所以创 造稳定观察实验结果的环境。量子科技领域的研发是一个漫长的过程,其在研发资金和科学团队方 面
18、的消耗与需求不容小觑,据相关数据发现,目前各国在量子领域的经费投入巨大,并且会出现资 金投入缺乏的现象。2013年,英国财政大臣George Osborne发起了英国国家量子技术计划。随后英国在其研究第 一阶段投资2.7亿英镑,并预计在未来十年再投资10亿英镑。2018年12月12日,美国总统宣布 第6页共8页计划在未来十年内斥资12.75亿美元用于量子科技研究。2020年6月,德国将量子科技研发资金 增至20亿欧元。庞大的资金需求是开展量子科技研究的一大挑战。IBM德国团队装配量子处理器此外,实验设备、研发环境、科学团队等各类资源过于分散也是难以展开对量子领域研发探索 的一大原因。因此,加大
19、研发资金投入、加快联合现有资源、加紧进行相关设施建设是消除量子科 技开展瓶颈的关键举措,各国应该做好“硬件”保障,从而确保顺利展开研究。量子信息技术作为典型的交叉学科,许多学科之间相互交叉、融合、渗透,涉及到的知识领域 相当宽泛,所需要的技术能力也十分专业。在探索这样一门学科时,单体的研发力量显得十分弱 小,很难对多个领域同时展开研究探索,并且很难有阶段性成果。因此,合作便成为了突破量子技 术研究难关的一大关键因素。但如今,各国组织和研发机构之间的合作交流十分有限,未能做到技术互通、资源共享、共同 研究等。究其原因,一方面是各国之间存在壁垒,不能互通技术;另一方面是没有可以进行国际交 流合作的平台;再者是没有制定相关制度以增强各国之间技术联系。第7页共8页因而,为了加快推进量子领域研究探索,弥补技术短板,加强国际合作、构建学术交流平台、 交流沟通科研布局是非常有必要的。人才短缺是量子技术研发的一大瓶颈虽然目前量子领域研发面临许多难题,但最主要的困难仍是人才短缺这一关键要素,没有高精 尖技术人才这一强大支撑,任何研究都只是不切实际的空谈。第8页共8页
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