直面“微型曼哈頓計劃”的挑戰

量子信息技術是后摩爾時代的技術，方興未艾，極具前景。在一批具前瞻性眼光的科研工作者的努力下，目前還保持與國際先進水平同步，甚至部分技術處于領先狀態。中國科技大學郭光燦院士通過提前部署，為我國量子信息技術的發展做出了突出貢獻。他指出:在這事關國家利益的戰略產業上，我國絕不能步電子計算機的后塵，輸在起跑線上。

相關資料顯示:電子計算機時代，當國外開始大力發展晶體管的時候，我們還裹足不前，在落后的真空管中掙扎，失去了最好的歷史機遇期，從而一步落后，步步落后。如今，傳統電子計算機的絕大部分戰略利益已被西方發達國家所攝取;我國每年要從國外花費巨額外匯進口大量的計算機芯片。

量子信息技術是一個在不遠的將來深具產業化應用前景的產業。郭光燦院士在90年代初國際還不怎么重視的情況下，就關注和致力于量子信息技術研究。初期，在少量科研經費的支持下，他“板凳甘坐十年冷”，堅持了下來。2001年，國家開始認識到量子信息的重要性，郭光燦也拿到了科技部第一個“973”項目。而后各級領導英明決策，在國家制定中長期科技規劃中把“量子調控”作為基礎研究的重大前沿方向，量子信息技術也迎來了發展的春天。如今，郭光燦帶領的國家重點實驗室在量子技術上已足以與國際先進水平比肩。

當前，量子信息已清晰了三個產業化方向:第一個是技術相對簡單、已到產業化邊緣的量子密碼，第二個是量子因特網，第三個是量子計算機。

令國外震驚的量子密碼技術

量子密碼是通過量子的方法來傳遞密鑰，使安全性得以保證。量子密碼技術將會為加密保護、身份認證、信息完整性驗證等方面需求帶來新的技術操作模式，已臨近產業化。據Global Industry Analysts公司預測:量子密碼技術的認知度和實際應用有可能在最近3-5年內出現快速增長， 2015年全球的量子密碼產品市場將達到8.42億美元。量子密碼產業的發展，將形成光學、光電子行業、計算機行業等上下游產業的增長點，進而發展成為一個全新的龐大產業鏈。

賽迪顧問2009年發布的《2008—2009中國信息安全產品市場研究報告》分析指出，2008年中國信息安全產品市場規模達到79.28億元，比2007年增長了18.6%。報告同時預測，2009年—2011年，中國信息安全產品市場將以18.3%的年均復合增長率增長，市場規模也將從2008年的79.28億元擴大到131.33億元。目前及未來幾年國內信息安全市場仍處于高成長期，在2012年國內信息安全產品市場有望達到190.71億元。而據IDC預測，到2011年中國將占亞太地區安全解決方案市場的30%，達到近18億美元，超過澳大利亞成為亞太地區最大的安全市場。

量子密碼是目前人類能想出來的最安全的保密通信手段。郭光燦院士自豪的說，雖然我國起步稍晚，但經10多年的潛心研究，我國已與國際先進水平同步，甚至掌握的部分關鍵技術比國外強，令國外震驚。在不依靠國外的情況下，我們已可以建立自已的量子保密通訊網絡體系。

在成本增加不多的情況下兼容于傳統光纖，是量子密碼應用的前提。而現在，量子信息重點實驗室只要在量子光纖上做點小手術，就能保證量子密碼的傳輸，應用成本大大降低了，為今后應用提供了可能。他們國際首創的解決了量子密碼光纖應用的穩定性，并申請了國際專利，國外同行現在都紛紛改用他們的方案。

由于量子不能測量識別，所以研發不需識別又能自動尋址的量子路由器是關鍵難題。郭光燦帶領帶領研究團隊發明了量子路由器，能很好實現光量子自動尋址，是目前國際最好的解決方案，現已申請了國際專利。2009年應用這些成果做成蕪湖政務網，并在《科學通報》發表了文章。結果美國同行寫了一封長信邀請郭光燦院士去今年在美國舉辦的國際光纖和纖維光學工程大會上做特邀報告，講政務網的量子密碼。后來，實驗室安排一位教授去做報告，參加會議的密碼專家非常興奮，紛紛跟他握手，祝賀中國取得了這樣的成果，在國際上產生了巨大反響。這項成果解決了光纖網絡量子密碼研究中的關鍵問題，一個路由器可以帶100—200個用戶，做成一個城域網，應用非常安全。

量子密碼的今后發展，只要做到小型化、集成化、智能化，提高可靠性就能夠大面積普及?，F在我國國產化進展順利，只要用戶確認，就能立馬投入市場。不久前，量子信息重點實驗室已將技術轉讓給博士生創辦的安徽問天量子信息技術公司。該公司已做出一些小型化、集成化器件，把量子密碼推向了市場。這意味著這項國家長期支持下的技術成果，已走出了實驗室，走上了實際應用。

量子因特網就相對困難一點了，做的人也比較少，重點實驗室也在研究。他們現在有望在短時間內通過量子路由器做一個小型的量子因特網的演示系統。該演示系統用的是糾纏的辦法，通過量子通道，在網絡上實現對接。郭光燦信心滿滿的說:“因為擁有最核心的技術——量子路由器，我們有望在全世界最先做出來。現在還處于基礎研究階段，如果做成了，我們就可以保證銀行等相關重要系統數據傳輸的絕對安全，但這一切都需要時間?！?/p>

“微型曼哈頓計劃”

有專家指出:誰最先研制出量子計算機，就能在世界上最早攀上量子信息技術的至高點。按照歷史經驗，重大技術突破所帶來的絕大部分附加值將被發明國所消化。

量子計算機概念提出至今已20多年。目前，量子計算機原理已在小量的量子處理器的系統里得以成功驗證。但量子計算機的成功研制還是面臨著兩大技術瓶頸:一是把少數的量子處理器做成大量的，也就得尋找良好的物理可拓展性材料的問題，第二個是保持量子相干性，避免脆弱量子性的消失問題?，F在，科學家們還沒有發現哪個物理體系能夠非?？煽康陌堰@兩個問題解決掉，大家都在從離子阱、超導、量子點、微腔等各個相關方面嘗試可行性，尋找最有可能的方向。

前幾年科學界有觀點認為，量子計算機的研制能在10—15年內突破，20年后形成產業。而美國人最近提出了個新觀點可能讓量子計算機的研制提早得以突破。美國的軍方譯演局，常常提出意義非常重大，但具有冒險性、挑戰性的大風險項目。但那些看似不可能的計劃，做成后都產生了巨大的震動效果，給美國帶來了豐厚的戰略收益，如因特網、衛星定位系統、隱形飛機等?，F在他們又把目光瞄向了量子計算機，作為戰略研討的一個重點內容。08年該計劃就已啟動，稱為 “微型曼哈頓計劃”。

眾所周知，美國1942年開始實施的“曼哈頓計劃”幾乎改變了國際格局，給美國帶來了巨大的戰略利益。由于他們充分意識到量子計算機可帶來的戰略意義，而該計劃采用的正是微電子定型加工技術，所以叫“微型曼哈頓計劃”。這計劃的宗旨就是要突破量子計算機的研制。

美國人意識到按照傳統研發老路做量子計算機，就算做出來了，要先把原理性在實驗室驗證，然后走工業化路線，最后制成商品，相當漫長，就像電子計算機一樣沒有二三十年上不了市場。

他們認為，微電子在摩爾定理上雖然注定要走向終點，但微電子技術經過二三十年積累，已擁有了非常成熟的微加工技術。如果能利用微加工技術把量子芯片做出來，那么突破后就能很快進入市場了;不需要從頭到尾，另起爐灶搞一套。該計劃的核心就是通過政府引導花費五年到十年，做七個到十個量子比特的芯片，證明微加工的技術可以做量子芯片。從而誘使所有掌握微加工技術的國際化大公司大財團蜂擁而至，大大加快研發速度，美國也能借此機會掌控量子計算機的核心利益。2008年開始，美國把大學與研究機構的核心研究人員都集中了起來，每年投入超過1.3億美元來推進此項計劃。該計劃要求參與研究人員專注于預定目標，一步步往前推進。日本、歐洲了解到美國的這個方案后，也制定了相對應的計劃，現都已開始執行。有了這個計劃后，郭光燦院士就估計量子計算機研制速度要比預期快很多。因為找到這樣的方向，一旦突破，就能立馬形成商品。

不能落后的戰略產業

當美國利用曼哈頓計劃的積累擁有核威懾后，我國政府和國家領導人英明決策，積極應對，實施了“兩彈一星”計劃，提升了國家地位與話語權，改變了國際形象。但長期以后，我國還是無法扭轉核電等應用領域落后尾隨的局面。

量子信息技術方面如歐美發達國家借助“微型曼哈頓計劃”把中國遠遠甩在后面，那我國在該領域的命運將會跟微電子計算機一樣，關鍵技術只能是國外的。郭光燦院士說，這是個決定國家未來話語權的戰略問題，不能坐視產業的核心利益又將被發達國家所吞噬。因此，提前戰略布控以應對“微型曼哈頓計劃”的沖擊顯得格外關鍵。

據相關資料表明，量子信息技術蘊含著龐大的產業鏈。因為如果真的作出了這種芯片，就可以在高性能計算方面占有很大的市場，甚至完全替代現在的芯片，這也就是為什么Intel公司說下一代處理器的核心是量子處理器。 有專家提供了一種估算方法指出:半導體芯片的發明在20世紀下半葉興起了一場信息技術的革命，以芯片為基礎和核心技術的?，F代計算機、軟件、網絡、通信、消費電子等現代信息產業創造的產值已經超過3萬億美金，其中半導體芯片業的產值為4557.9億美元(2009年數據)，成為全球最為活躍的生產要素和主要支柱，并將繼續保持快速發展的勢頭。信息產業是我國國民經濟基礎性，先導性和第一大產業，總產值超過50166億元人民幣(2009年數據)，其中半導體芯片業的產值為5557.9億元人民幣(2009年數據)。按照信息產業部賽迪研究中心的估計，在初期，一般高技術產品替代率為10%左右，以后逐步升高:因此在初期，如果量子芯片對傳統半導體芯片的替代率為10%(按一般估計)，這樣世界上量子芯片業的產值為460億美元，而我國量子芯片業的產值為555億元人民幣。

中國應如何回應

當前，我國沒有幾家單位在真正在從事量子計算機研究，基礎相當薄弱?，F在美歐日都在搞“微型曼哈頓計劃”，如果按部就班的往下走，西方發達國家成功時，我們還沒有起步，那就一定落后，差距會越拉越大。作為引領我國量子信息技術發展的權威，郭光燦院士始終關注前沿方向。他希望我國在量子信息領域能長期走在國際前沿，而這需要政府強有力的政策與投入支撐，引導國內研究團隊往這一方向去。

郭院士指出:利用微加工技要做量子計算機，材料的制備加工都是非常困難的，必定需要幾年老老實實的基礎積累。現有的科技評價體系不利于創新性強，風險高的課題研究，研究人員也受不了幾年沒有成果的“冷板凳”，這就導致大家追求“短、平、快”，量子計算機這項意義重大的課題沒有多少人做。

院士發揮科學決策的智囊作用對國家落實科學發展觀具有積極意義。郭光燦說，現在迫切需要做到提前部署。他們與美國差不多同時看到利用微加工技術開發量子計算機的可能性。那時沒有足夠的經費來支撐這項研究，他們就跟學校兩次借了800萬，然后成功建立了一套微加工的裝置。06年國際剛關注一種新材料叫石墨烯，將來有望代替硅，這對于微電子產業來說相當的重要。郭光燦馬上想到利用其良好的相干性，做成量子點，應用到量子計算機上。他們在“微型曼哈頓計劃”執行前就把這個方向作為開發的重點，并專門安排了個科研小組，來踏踏實實做這件事情。現在，他們發現了“微型曼哈頓計劃”跟這個項目的雷同之處，但以一個研究小組的力量來做這么大的一項工程實在顯得有些勢單力薄。目前國外在做一個量子比特，量子信息重點實驗室已用購買的二手設備加工石墨烯器件，爭取用最短的時間把兩個量子比特做成，但要制備出能糾纏、可操作的量子門尚需時日。

郭光燦的實驗室是國際上第一個提出并發表了《用石墨烯做量子計算機》的相關論文的，這引起了國際上很大的學術反響，眾多專型專業網站都刊登了評論。這引導了更多的人試圖用這套可行性方案去研制量子計算機。郭光燦自豪的說，我們還有其他一些方案，目前希望盡快在實驗上得以突破。實驗室經常與國際上同步做一些正在關注的熱點，但我們需要花很多的時間去積累，要有坐冷板凳的決心與魄力。還有涉及到微觀的單電子測量，還需要做大量工作積累，但一切正按預定軌道前行，目前跟國際差距不大。

但對我國量子信息技術的前景也不能盲目樂觀。郭光燦坦言，國內到現在為止，隊伍也不夠強大，專業研究人員比較有限;國家雖然投入，但相對于其重大戰略地位來說，現在的投入還是顯得有些單薄，增長速度遠不及國外。

這兩年來，郭院士四處呼吁，對于這項事關國家戰略意義的大產業，需設立一支穩定精干的研究團隊，組織各方面精干研究人員在穩定的科研支持下沒有干擾的從事這項創造性強、周期漫長的艱苦研究。我國目前有“量子調控”的重大專項，但這個專項涵蓋的內容比較寬，而量子計算機的突發性的新動態并沒有考量在內。在保持“量子調控”重大專項的基礎上，迫切需要一個跟“微型曼哈頓計劃”類似的，有一定冒險性的與“量子調控”并行的小專項，提供足夠強力的支持，加強基礎上積累，實打實來尋求突破。

在高技術領域，投入與產出必然成正比關系。1985 年，英特爾公司繼摩托羅拉后，第二個研制出 32 位的微處理器 80386，開始擴大它在整個半導體工業的市場份額。這個芯片的研制費用超過三億美元，雖然遠遠低于現在英特爾新的處理器芯片的研制成本，但在當時確實是一場豪賭，這筆研制費超過中國當時在一個五年計劃中對半導體科研全部投入的好幾倍。

郭光燦代表重點實驗室表態:只要有足夠的經費支持，我們有設備，有隊伍的積累，有信心同樣做出成果來應對微型曼哈頓計劃的沖擊。量子密碼已經實現產學研新技術的試點。量子計算機要把科研單位與可能應用的單位一起來做，一旦突破了，生產單位就會主動推進，盡快形成一個產業。而現在是以基礎研究為主，需先有國家行為，吸引可能應用制造的產業單位參與。就避免了后期對接產業化的的一個環節，加快產業化的進展。

有了這樣一批從國家利益出發，潛心科研的專家學者，我國的量子信息技術沒有理由落后在起跑線上。對于量子信息帶給我國的巨大戰略利益，我們翹首以待。