量子科技帶來的顛覆性影響

劉凱予 劉云華 駱誠志 孟 波

近些年，“量子”“量子力學(xué)”這些名詞的熱度不斷飆升，與之相關(guān)的量子科技也得到了世界各國的廣泛關(guān)注，國外各界尤其是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)界正在不斷加大量子科技方面的研究力度。一時間，量子科技這一前沿技術(shù)如洪水一般快速發(fā)展，并且成為推動數(shù)字時代產(chǎn)業(yè)革新、計算結(jié)構(gòu)升級以及經(jīng)濟快速高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎，量子科技領(lǐng)域研發(fā)熱潮不斷攀升。

追本溯源——量子科技由何而來

不同于第一代量子科技，如今的量子科技是一門綜合性很強的交叉學(xué)科，其從量子物理基本原理——量子力學(xué)出發(fā)，利用量子相干特性，以探索用于計算、編碼和信息傳輸?shù)娜路绞健?/p>

為了理解量子科技，我們必須要先搞清楚量子科技的基礎(chǔ)—量子力學(xué)。量子力學(xué)是研究物質(zhì)世界微觀粒子運動規(guī)律的基礎(chǔ)物理學(xué)，主要研究原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)等。自其建立以來，量子力學(xué)便成為整個微觀物理學(xué)的理論框架，幫助人們更好地認(rèn)識宇宙的本源、物質(zhì)的本質(zhì)以及事物的發(fā)展規(guī)律。量子科技便是以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)的新興前沿技術(shù)，科學(xué)家們利用量子本身的特性，操控量子的存在狀態(tài)，研發(fā)出如量子計算、量子通信、量子貨幣等一系列技術(shù)應(yīng)用，極大地改變了人們的日常生活，量子科技成為新時代福音。

作為量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)，著名的海森堡不確定性原理表明：對微觀粒子無法同時精確地測量其位置和速度。而海森堡提出的微觀世界量子物理學(xué)和傳統(tǒng)物理學(xué)的區(qū)別使得愛因斯坦提出了“上帝不擲骰子”的著名論斷，預(yù)示著量子力學(xué)發(fā)展的坎坷。1935年多位科學(xué)家一起提出的“量子糾纏”概念更是進一步佐證了微觀粒子在系統(tǒng)中相互作用、相互影響，而不能單獨觀測的相干特性。隨著時間的推移，休·埃弗雷特于20世紀(jì)中葉又提出了多元世界理論，這種理論指出只要某一物體存在于一種特定狀態(tài)下，該對象所處的世界就能轉(zhuǎn)化為與它可能存在的狀態(tài)數(shù)相等的一系列平行世界，其中每一個平行世界都會包含該物體的一個獨一無二的狀態(tài)。這一解釋加深了理論物理學(xué)和量子物理學(xué)之間的聯(lián)系。

如今，量子理論方面的研究仍在繼續(xù)推進，其中部分理論已經(jīng)進行了實驗論證，并且被廣泛用于現(xiàn)實生活中。量子理論的階段性研究促進了現(xiàn)代量子科技的發(fā)展，同時也為日后的技術(shù)研發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。

百舸爭流——大國博弈日趨激烈

隨著各國不斷加大對量子科技方面的資金投入和政策支持，并將“瞄準(zhǔn)量子科技，建設(shè)技術(shù)高地”列入本國的發(fā)展戰(zhàn)略，量子科技便開始以“星火燎原”之勢對社會結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟發(fā)展造成顛覆性影響。量子科技方面的競技也已經(jīng)上升到了國家層面，越來越多的國家競相制定量子科技發(fā)展戰(zhàn)略和專向計劃，世界正式進入全面推動量子科技發(fā)展的戰(zhàn)略競爭時代，量子科技方面的大國博弈日趨白熱化，各大國及各組織都制定了相應(yīng)的量子科技發(fā)展戰(zhàn)略，在適應(yīng)本國國家發(fā)展戰(zhàn)略的同時又提出了一些創(chuàng)新型計劃。

休·埃弗雷特于20世紀(jì)中葉提出了多元世界理論

目前，美國在能源行業(yè)加大量子計算的融合創(chuàng)新，成立了首個能源行業(yè)量子計算聯(lián)盟——量子未來電力系統(tǒng)升級計劃，旨在“結(jié)合量子信息和量子計算的力量，專注開發(fā)新的量子模型、方法和算法”。為保證數(shù)據(jù)安全傳輸，歐盟各成員國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礎(chǔ)設(shè)施，共同進行量子保密通信管理，從而確保敏感信息和數(shù)據(jù)的絕對安全。日本在量子保密通信科研方面投入力度巨大，與歐洲聯(lián)合建立東京量子保密通信試驗床網(wǎng)絡(luò)并持續(xù)開展現(xiàn)網(wǎng)實驗。

此外，量子計算機的研發(fā)和量子算法的提出也對世界產(chǎn)生了極大影響。相較于以往的計算機，量子計算機的運算速度更快。美國的超級計算機“頂點”，其運算峰值可達(dá)每秒20億億次。據(jù)估計，“頂點”運算一萬年才能解決的問題，53個比特的量子計算機僅需200秒便可解決，極大地提升了算力。此外，量子計算機的初始化能力、可控能力、擴展能力、穩(wěn)定能力和被測量能力更強，更能滿足人們的日常生活需要。量子算法的提出則使實現(xiàn)人工智能算法成為了可能。現(xiàn)如今，機器自主學(xué)習(xí)算法幫助處理數(shù)據(jù)、進行測量已是常事，但在面對海量數(shù)據(jù)時，經(jīng)典算法的計算能力不能滿足生產(chǎn)生活需要，而量子算法超強的并行計算能力則解決了這一難題。

量子科技帶來的技術(shù)紅利和科技先進性為許多國家?guī)砹素敻恍б婧瓦M行科技創(chuàng)新的機會，量子科技極佳的發(fā)展前景導(dǎo)致量子科技領(lǐng)域“你追我趕”的現(xiàn)象愈演愈烈。歐盟作為歐洲地區(qū)的重要組織之一，牽頭制定了一系列量子技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略。2020年3月3日，量子旗艦計劃成員向歐洲委員會提交了一份戰(zhàn)略研究議程文件（SRA），該文件圍繞量子通信、量子計算、量子模擬、量子傳感和計量等4個主要應(yīng)用領(lǐng)域提出了未來短期、中期、長期的發(fā)展計劃和預(yù)期成果，旨在加快量子旗艦計劃在量子技術(shù)、創(chuàng)新和發(fā)展等各個方面的研究，并不斷縮短和其他國家的發(fā)展差距。據(jù)此，各國政府對“快速發(fā)展量子科技、搶占技術(shù)制高點”戰(zhàn)略的重視程度可見一斑，并且隨著不斷拓寬技術(shù)領(lǐng)域、加大理論研究力度，量子科技的應(yīng)用范圍勢必會變得更廣，其發(fā)展?jié)摿Σ蝗菪∮U。

困難重重——研發(fā)計劃遭遇瓶頸

數(shù)字時代下，量子科技為世界帶來了許多機遇。我們已經(jīng)經(jīng)歷了兩次量子革命帶來的深刻變革，兩次變革所帶來的經(jīng)濟紅利讓我們清楚地認(rèn)識到量子科技蘊含著非常巨大的能量，它不僅是推動數(shù)字經(jīng)濟快速發(fā)展的核心力量，同時也是加快信息領(lǐng)域變化擴大的關(guān)鍵技術(shù)。在看清量子信息技術(shù)發(fā)展對信息安全和計算通信等方面產(chǎn)生巨大沖擊的同時，我們也要看清其快速發(fā)展背后所面臨的窘境。

隨著量子領(lǐng)域的相關(guān)研究不斷深入推進，各個組織對高質(zhì)量人才的需求量也在以指數(shù)形式逐年暴增，量子領(lǐng)域的研發(fā)計劃迎來了瓶頸期。

量子旗艦計劃成員向歐洲委員會提交的戰(zhàn)略研究議程文件

2019年，英國啟動《國家量子技術(shù)計劃》的第二階段。在此之前，英國量子技術(shù)戰(zhàn)略咨詢委員會曾發(fā)布一篇名為《國家量子技術(shù)戰(zhàn)略》的量子科技戰(zhàn)略路線圖。在該戰(zhàn)略中，英國計劃10年內(nèi)完成低成本的氣體檢測及非破壞性的生物顯微鏡的開發(fā)；5～10年內(nèi)，完成抗干擾 GPS 精度級水下導(dǎo)航，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、地震預(yù)測、民用工程地下設(shè)施及廢棄物探測等應(yīng)用；20～30年內(nèi)，開發(fā)出解決復(fù)雜問題的個人量子計算系統(tǒng)和高性能、低功耗量子化協(xié)處理器。顯然，儲備高精尖技術(shù)人才是完成這些目標(biāo)的一大關(guān)鍵因素，英國勢必會在很長一段時間內(nèi)都會極其需要高質(zhì)量人才的技術(shù)支持。當(dāng)然，人才短缺并不是只有英國才會面臨的問題，其他組織和團隊同樣也有著極大的人才需求，各個領(lǐng)域的人才短缺現(xiàn)象已成為一個全球性難題，究其原因是人才儲備方面出現(xiàn)以下幾點問題。

一是人才選拔限制了人才培養(yǎng)和發(fā)展，導(dǎo)致人才培養(yǎng)類型單一。比如，一些企業(yè)或團體對某類人才有超高需求，應(yīng)聘者為謀取就業(yè)崗位，常會對照該企業(yè)的需求而發(fā)展自身能力，限制了其他能力的培養(yǎng)。

二是人才培養(yǎng)各領(lǐng)域之間聯(lián)系不強，難以達(dá)到量子科技對多領(lǐng)域技術(shù)人才的需求。現(xiàn)如今，單一領(lǐng)域的高質(zhì)量人才儲備尚且充足，但是量子科技作為一個學(xué)科綜合性極強的行業(yè)，涉及數(shù)學(xué)、物理、計算機科學(xué)、工程設(shè)計等多個學(xué)科，因此其對人才的知識水平有著很高要求。

IBM德國團隊裝配量子處理器

三是人才質(zhì)量不高，專業(yè)性、技能性人才嚴(yán)重短缺。人才質(zhì)量的高低關(guān)乎著量子科技能否順利研發(fā)、應(yīng)用、普及，關(guān)乎著能否形成有機整體，加快進行頂層設(shè)計等幾個關(guān)鍵戰(zhàn)略發(fā)展方向。

因此，如何加快建設(shè)人才補給鏈?zhǔn)钱?dāng)下各國發(fā)展戰(zhàn)略中必須要思考的一大問題。

面對難以橫跨的人才斷崖，各國首先要做的就是盡快加強高等院校在量子科技方面的教育，努力培養(yǎng)綜合性強的高端技術(shù)人才，做好人才儲備從而應(yīng)對未來的研發(fā)建設(shè)需要。

量子科技作為一個新興領(lǐng)域，許多方面的研究近乎為零，因此需要大量的資金投入以保證順利展開對該領(lǐng)域的探索、充足的人才供給以作為持續(xù)研究相關(guān)技術(shù)的堅實基礎(chǔ)、精密的設(shè)備場所以創(chuàng)造穩(wěn)定觀察實驗結(jié)果的環(huán)境。量子科技領(lǐng)域的研發(fā)是一個漫長的過程，其在研發(fā)資金和科學(xué)團隊方面的消耗與需求不容小覷，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，目前各國在量子領(lǐng)域的經(jīng)費投入巨大，并且會出現(xiàn)資金投入不足的現(xiàn)象。

人才短缺是量子技術(shù)研發(fā)的一大瓶頸

2013年，英國財政大臣George Osborne 發(fā)起了英國國家量子技術(shù)計劃。隨后英國在其研究第一階段投資2.7億英鎊，并預(yù)計在未來十年再投資10億英鎊。2018年12月12日，美國總統(tǒng)宣布計劃在未來十年內(nèi)斥資12.75億美元用于量子科技研究。2020年6月，德國將量子科技研發(fā)資金增至20億歐元。龐大的資金需求是開展量子科技研究的一大挑戰(zhàn)。

此外，實驗設(shè)備、研發(fā)環(huán)境、科學(xué)團隊等各類資源過于分散也是難以展開對量子領(lǐng)域研發(fā)探索的一大原因。因此，加大研發(fā)資金投入、加快聯(lián)合現(xiàn)有資源、加緊進行相關(guān)設(shè)施建設(shè)是消除量子科技發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵舉措，各國應(yīng)該做好“硬件”保障，從而確保順利展開研究。

量子信息技術(shù)作為典型的交叉學(xué)科，許多學(xué)科之間相互交叉、融合、滲透，涉及到的知識領(lǐng)域相當(dāng)寬泛，所需要的技術(shù)能力也十分專業(yè)。在探索這樣一門學(xué)科時，單體的研發(fā)力量顯得十分弱小，很難對多個領(lǐng)域同時展開研究探索，并且很難有階段性成果。因此，合作便成為了突破量子技術(shù)研究難關(guān)的一大關(guān)鍵因素。

但如今，各國組織和研發(fā)機構(gòu)之間的合作交流十分有限，未能做到技術(shù)互通、資源共享、共同研究等。究其原因，一方面是各國之間存在壁壘，不能互通技術(shù)；另一方面是沒有可以進行國際交流合作的平臺；再者是沒有制定相關(guān)制度以增強各國之間技術(shù)聯(lián)系。

因而，為了加快推進量子領(lǐng)域研究探索，彌補技術(shù)短板，加強國際合作、構(gòu)建學(xué)術(shù)交流平臺、交流溝通科研布局是非常有必要的。

雖然目前量子領(lǐng)域研發(fā)面臨許多難題，但最主要的困難仍是人才短缺這一關(guān)鍵要素，沒有高精尖技術(shù)人才這一強大支撐，任何研究都只是不切實際的空談。