超级学爸：中美“量子大战”，关于未来的较量

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　　一、量子通信和量子计算。

　　我们以前总以为，物体总是无限可分，似乎只要有一把刀，总是可以把一个东西一切两半永远分下去。但事实上不是这样，物体微粒或能量，分到最后，总是呈现一份一份的，没法再分下去，普朗克和爱因斯坦就给他们起了一个名字——叫量子

　　比如我们常见的光，其实也是一份一份的能量组成的，爱因斯坦管他叫光量子。

　　而这些微小的量子，呈现跟宏观物体不一样的性质。研究这些量子运动规律的科学，叫做量子力学。

　　经过科学家，不断的努力，发现量子的活动有如下规律：

　　1.量子不可克隆：人无法对一个不知道其状态的量子进行复制。

　　2.量子的叠加态：这又得扯薛定谔那只可怜的猫。就是把一只猫放到一个有50%可能被放射性物质杀死的盒子里，关上盒子，我们有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫，同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

　　打开盒子之前，我们无法断定猫的死活，猫现在状态就是生和死的叠加状态。但一旦我们打开盒子，我们却只能看到两种情况，死或者活。我们可以说在观察的时候，叠加态发生了坍缩，坍缩到了本征态。

　　而量子，恰恰就处在各种各样的叠加态中，比如自旋的上旋和下旋等。

　　3.量子的纠缠态：把两个处在纠缠态的粒子一旦分开，不论分开多远，如果其中一个量子发生变化，另一个对应状态也立刻发生变化，如果心电感应一样。

　　4.量子的不可准确完整观测：在量子力学里，明确位置与明确的动量的量子态并不存在，而且还不能怪罪于实验仪器不够精确。所以很难让人接受。另外，对量子的观察也必然干扰粒子。

　　如果你无法接受，这个没关系，因为爱因斯坦也接受不了，虽然爱因斯坦因为量子得了诺贝尔奖（对，你没看错，不是相对论），虽然量子力学是普朗克、爱因斯坦、薛定谔、玻尔等人亲生的（哎呀，他们关系太乱了，而且还是一群男的）。

　　下文中提到的量子通信主要是利用量子以上特性，来实现量子秘钥分发，来实现安全通信的。因为量子态的不可分割、不可复制、不可准确完整的观测，所以导致传输的信息是唯一的，所以能实现安全。

　　而量子计算，则是应用量子的叠加态。叠加态导致了一个量子存储器可以存2的n次方的数据量，因而可以实现超大规模并行计算，这是量子计算的核心优势。

　　二、中美两国选择了不同的主攻方向

　　中美两国选择的主攻方向也非常有意思。两国选择了不同的主攻方向。

　　中国在郭光灿、潘建伟、杜江峰三位“量子大牛”的带领下，重点突击量子通信，量子通信最核心的竞争力是信息传递过程中的绝对安全。

　　而美国选择的主攻方向则是量子计算。美国的CIA和NASA入股了谷歌的量子计算机领域。他们看重的是量子计算惊人的速度。在某些领域，量子计算机可以在几天里解决传统计算机会花费数百万年时间解决的问题，比如破解基于RSA算法的密码（当前互联网主流加密算法）。

　　但是主攻归主攻，其他方向也没有放弃，比如在量子计算领域。

　　三、两国在量子计算领域内有趣的竞争

　　量子计算的第一回合

　　中国也在搞量子计算。而在量子计算中，主要有超导和半导体方案。其中中国选择了半导体方案。

　　2015年12月9日，美国航空航天局（NASA）与谷歌宣布，他们制造出了第一台真正利用量子机制运算的电脑，并称这台代号D-WAVE2X的计算机运算速度可以达到普通电脑的一亿倍。

　　巧合的是，次日俄罗斯卫星新闻网发布消息，说中国科学技术大学杜江峰研究组利用一块金刚石制造出了世界上首台量子计算机（原型），可以在不到一秒时间内破解普通计算机需要几年甚至十年才能破解的密码。

　　原报道显然夸大了，中国科学技术大学只是提出了一种可能具有可行性的量子计算机原理。但距离真正制造出运用这一原理的计算机，恐怕还有很远的距离。

　　然而对谷歌量子计算机的报道，也夸大了。谷歌的量子计算机只是针对特定环节，做特殊算法的计算机。谷歌的退火算法可以在特定的环节、特定的应用中超过传统计算机，但并不具有普适性。

　　中美前后宣布自己造出了量子计算机，这无疑是计算机历史上的一个里程碑式的日子。而中美竟然在相差不到两天内，先后宣布突破世界科技前沿把信息技术带入新时代，更是让人感叹中美间的竞争是巧合，也是必然。

　　可以看出，在量子计算领域，美国暂时领先，中国也在全力以赴。

　　量子计算的第二回合

　　8月9日，从MIT（美国麻省理工学院的简称）传来新闻，MIT将量子信息处理系统集成到单芯片上，MIT和MIT林肯实验室的研究者发表论文称向实用量子计算机迈出重要一步，该论文描述了一种新型的原型芯片，该芯片可以将离子囚禁在一个电场中，以及使用内置的光学器件将激光引导至每一个离子。

　　无巧不成书，央视新闻8月11日消息，近日，我国量子计算机研究取得突破性进展，郭光灿院士领导下的中科院量子信息重点实验室成功研发了半导体量子芯片。量子芯片相当于未来量子计算机的“大脑”，研制成功后可实现量子的逻辑运算和信息处理。有了计算，量子的存储及控制技术也必不可少。

　　不过，这款三明治型的固态量子存储器，目前还比较娇气，只能在低温有磁场的辅助设备中才能工作。

　　更巧合的是，中国科学技术大学被誉为中国的MIT（麻省理工）。

　　四、两国量子通信方面的竞争

　　先看美国的量子通信发展历程

　　1984年，美国和加拿大最先提出BB84方案，标志着量子通信领域的诞生。

　　1992年，美国的Bennett提出了BB84方案的简化版，成为B92方案，并第一次在实验上原理性演示了量子秘钥分发。

　　1994年，美国国防高级研究计划局开始致力于用3-5年时间全面推进量子通信技术方面的研究。

　　1999年，美国实现了500米的自由空间传输。

　　2003年，美国国防部高级研究计划署领衔建设了DARPA量子通信技术试验网络。

　　2004年，美国正式投入了世界上第一个量子密码通信网络。

　　2006年，美国实现了通过普通光纤来传输采用量子密码加密技术的数据，网络传输约10公里。

　　2009年，美国让相距一米的离子阱中的两个独立原子实现了量子纠缠和远距离量子通信。

　　美国政府发布白皮书，要求各科研机构协调开战量子信息技术研究。

　　2010年，美国一个国家实验室是实现对量子源产出的近红外单光子转换、量子局域网的密码体系以及自由空间量子密码等开展了深入研究。

　　2013年，美国独立研究机构公布了环美量子通信骨干网络项目，该项计划为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心之间的通信提供量子安全服务。

　　2015年，美国航空航天局（nasa）计划再其总部与喷气推进实验室之间建立一个远距离光纤量子通信干线，该干线直线距离600公里，光纤皮长1000公里，拥有10个中转基站，并计划星地量子通信。

　　再看看中国量子通信发展历程

　　1995年，中国科学院物理所在国内首次实现了基于BB84协议的量子通信演示实验。（据美国提出BB84协议已经过去11年）。

　　2000年，中国科学院物理所完成了全光纤QKD实验系统（量子秘钥分配）。

　　2001年，潘建伟入选“中科院引进国外杰出人才”，在中国科大组建了量子物理与量子信息实验室。

　　2003年，首次实现纠缠态纯化以及量子中继器的成功实验；首次成功地实现了自由量子态隐形传输。

　　2005年，中国科大的郭光灿教授团队在北京和天津之间实现了通信距离为125km的光纤QKD通信系统实验，使我国在量子通信实用化上取得了重大突破。

　　2007年潘建伟小组实现了诱骗态QKD实验，通信距离超过了100km。

　　2009年潘建伟小组又将QKD实验的通信距离扩大熬了200km。

　　2009年，中国科大的郭光灿小组在安徽芜湖市成立了安徽问天量子科技股份有限公司，并承建成了“量子政务网”。问天量子是我国首家从事量子信息技术产业化的高新技术企业。

　　2009年，中国科大和清华大学合作将在自由空间进行传输的QKD系统扩大到16km。

　　2011年，中国科学院战略性先导科技专项之一，量子科学试验卫星启动。（这个比美国早了4年提出）。

　　2012年基于潘建伟小组的科研成果，世界上规模最大的46节点的量子通信试验网在安徽合肥市建成，标志着大容量的量子通信网络技术已经取得了关键突破。

　　2014年，中国科大的研究团队将远程量子秘钥分发系统的安全距离扩大到了200km，并将成码率提高了三个数量级，创下世界纪录。

　　2014年，世界第一条量子信息保密干线——“京沪干线”量子通信工程开工建设。

　　2015年11月，中国已经部署了一批体现国家战略意图的重大科技项目，量子通信排在第二，仅次于航空发动机。

　　首颗量子科学实验卫星发生成功，首次实现卫星和地面间的量子通信，初步建立我国广域量子通信系统。

　　可以看出，美国量子信息领域起步早，前瞻性强，涉及面广，基础深厚。同时也可以看出中国起步晚，发展迅速，后来居上。同时，可以感受到两国的竞争紧张激烈，气势都咄咄逼人，不甘落后。

　　尤其是最近美国，似乎也坐不住了。美国国家科学技术委员会（NSTC）于2016年7月份提出了报告《推进量子信息科学：国家的挑战与机遇》。

　　报告中的主要内容：美国国家科学技术委员会对量子信息科学的重要性、前瞻性进行了阐述，还介绍了美国在量子信息科学的研究发展状况。该委员会认为量子计算能有效推动化学、材料科学和粒子物理发展，未来可能最终会颠覆众多科学领域，人工智能也当属其中之一。）

　　简单一句话描述：现在量子信息技术重要！别让中国抢了先！所以快给钱！

　　虽然，中国科学家的科研成功，位居2015年度国际物理学领域的十项重大突破之首，但美国量子科研团队的厚重力量，不可小觑，我们看看美国2015年在量子信息领域的成果：

　　2015年2月，加州大学伯克利分校科学家证实，能量与时间之间也存在海森堡测不准关系。也就是说，从量子计算到量子隧穿，再到光电交换的过程，都有一个“量子速度极限”；

　　2015年3月，麻省理工学院和贝尔格莱德大学的物理学家开发出一种新技术，使用单个光子成功实现了与3000个原子的纠缠，创下了迄今为止粒子纠缠数量的新纪录；

　　2015年7月，加州大学洛杉矶分校的电气工程师发现了使光子发生多维度纠缠的新方法。

　　所以，从基础研究方面，美国整体上还是领先中国的。但量子通信技术的落地应用来看，中国的量子通信走在了美国的前边。

　　也因此可以得出结论，中美在量子信息领域正在展开一场军备竞赛，而目前，这场量子大战才刚刚拉开帷幕，好戏还在后头……

　　五、我国量子信息技术的三位大牛

　　中国的量子信息研究一大半在中科大，中科大有三个大的研究组，分别由三个院士牵头：郭光灿院士、潘建伟院士、杜江峰院士。

　　郭光灿

　　郭光灿，1942年生，籍贯福建惠安。第三世界科学院院士，中国科学院院士，中国科学技术大学教授。

　　现任中国科学院中国科学技术大学量子信息重点实验室主任、物理系教授；中科院方向性项目首席专家，国家科技部973项目“量子通信和量子信息技术”的首席科学家。

　　从量子光学到量子信息，郭光灿都是国内最初的“第一推动力”。2009年在芜湖建成了中国第一个量子安全通信实验网——芜湖量子政务网。

　　潘建伟院士

　　潘建伟，1970年生，浙江省东阳市人，中国科学院院士，中国科学技术大学教授。

　　潘建伟长期从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究，对量子通信等研究有创新性贡献，是该领域的国际著名学者。

　　潘建伟有关实现量子隐形传态的研究成果入选美国《科学》杂志“年度十大科技进展”，并同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。

　　其研究成果曾6次入选两院院士评选的“中国年度十大科技进展新闻”、5次入选欧洲物理学会评选的“年度物理学重大进展”、4次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”。

　　杜江峰院士

　　杜江峰，1969年6月出生于江苏无锡，理学博士。1985年从江苏省天一中学考入中国科学技术大学少年班，后即转入近代物理系学习，1990年起在中国科学技术大学近代物理系工作至今（竟然没有留洋经历，土鳖成大牛的典范）。

　　杜江峰是我国最早从事量子计算实验研究的科研工作者之一。2012年，中国科技大学杜江峰教授的《基于核自旋的量子计算研究》获国家自然科学奖二等奖（一等奖空缺）。

　　2015年当选为中国科学院院士。

　　最后，向以他们为代表的科研工作者致敬！