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中國量子科技加快實現天地一體化(新業態新模式之新觀察⑦)

中國量子科技加快實現天地一體化(新業態新模式之新觀察⑦)

近日,由中建八局承建的中科院量子信息與量子科技創新研究院施工項目全面復工。   黃博涵攝(新華社發)

11月2日,國網杭州供電公司信息通信分公司工作人員在通信機房檢查量子通信設備。  龍 巍攝(人民視覺)

中科院院士潘建偉在辦公室內與“墨子號”量子衛星模型合影。   新華社記者 張 端攝

2019年中國科學技術大學展示的“高速量子密鑰生成終端”模型。   新華社記者 劉軍喜攝

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安徽省合肥市高新區有一條“量子大道”。2公里的雲飛路,沿線密集佈局着20多家量子關聯企業。本源量子就是其中一家。

張輝是合肥本源量子計算科技有限責任公司副總裁。以前,爲了融資,他全國到處跑。最近一個月,各類資本主動找上了門。“一下子來了30家投資機構,我們最終選擇了11家。”張輝向本報記者說。

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找到本源量子的還有各級政府部門。“不少部門來考察調研,商討研究產業政策,幫企業解決實際困難。”張輝說,這讓他很振奮。

張輝表示,10月16日,中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習,推動了中國量子科技發展的戰略謀劃和前瞻佈局,爲量子科技營造了更好的發展環境。量子科技應用迎來了重要發展機遇期。

“天知地知 你知我知”

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量子科技發展具有重大科學意義和戰略價值,量子科技領域的國際競爭日益激烈。近年來,歐美髮達國家先後啓動了量子科技領域的戰略計劃。目前,中國已經具備了在量子科技領域的科技實力和創新能力。

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量子科技的具體應用包括量子通信、量子計算和量子精密測量3個領域。

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量子通信基於量子糾纏原理,即兩個處於糾纏狀態的量子就像有“心靈感應”,無論相隔多遠,一個量子狀態變化,另一個也會隨之改變。

量子通信之所以受重視,很重要的原因是它能夠實現“天知地知、你知我知”。目前,量子通信應用方式包括量子密鑰分發和量子隱形傳態。量子密鑰分發是原理上絕對安全的通信手段,在量子密鑰傳輸過程中,竊聽者無法做到既偷聽又不留下痕跡。

在量子通信領域,中國已處於國際領先地位。10月20日,在國務院新聞辦發佈會上,科技部相關負責人表示,“十三五”期間,中國涌現出一批高新技術重大成果。在量子信息技術方面,“墨子號”和“京滬幹線”的實驗,構建了首個天地一體化的量子通信網絡雛形。

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2016年8月,中國成功發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”,率先在國際上實現高速星地量子通信,爲構建天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系打下了基礎。

2020年6月,中國科學院宣佈,“墨子號”量子科學實驗衛星在國際上首次實現千公里級基於糾纏的量子密鑰分發。此次試驗中,科學家們在“墨子號”過境時,同時與新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個地面站建立光鏈路,在地面超過1120公里的兩個站之間建立量子糾纏併產生密鑰。

在中國天地一體化的量子通信網絡中,另一個重要角色是“京滬幹線”。2017年9月,世界首條量子保密通信幹線――“京滬幹線”正式開通。“京滬幹線”全長2000多公里,經過合肥、濟南等沿線主要城市,共設有32個量子通信節點。

“京滬幹線”與“墨子號”成功對接後,中國成爲世界量子通信應用的領先者。

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量子科技的另一個重要應用是量子計算。中國科學技術大學常務副校長、中國科學院院士潘建偉認爲,“在量子計算領域,中國整體上與發達國家處於同一水平線。”

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與傳統計算機相比,量子計算機有獨特優勢。傳統計算機中1個比特在某個時間只能是0或1中的一個狀態,而在量子計算機裏,由於量子疊加態的存在,1個量子比特可同時記錄0和1兩個狀態。因此,量子計算機擁有計算能力遠超傳統計算機的潛力。

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量子計算機研發是當前國際科技競爭的熱點領域。2019年底,中國科學家與德國、荷蘭科學家合作,在國際上首次實現了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算,在四大關鍵指標上均大幅刷新世界紀錄。

在量子精密測量領域,潘建偉認爲,“中國整體上相比發達國家還存在一定的差距,但發展迅速。”

今年10月,中國科學技術大學發佈消息,該校科研團隊與美國、德國科學家合作,在同時具備高純度、高不可分辨、高效率的單光子源器件上觀察到強度壓縮。這是自從2000年實現量子點單光子源後,科學家通過20年的努力首次在該體系直接觀測到強度壓縮,爲基於單光子源的量子精密測量奠定了基礎,是量子精密測量領域的重要進展。

未來,中國量子科技發展的突破口在哪兒?清華大學副校長、中國科學院院士薛其坤認爲,對量子科技發展進行部署時,應考慮到產學研協同,考慮到從基礎研究到應用之間的密切結合,這樣可以提高效率,加快研發速度。

頂層設計 政策支持

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隨着頂層設計和政策支持體系的完善,量子科技獲得更大發展空間。

11月3日,《中共中央關於制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二��三五年遠景目標的建議》公佈。“量子信息”被寫入規劃《建議》:“瞄準人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學、生物育種、空天科技、深地深海等前沿領域,實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目。”規劃《建議》提出:“制定科技強國行動綱要,健全社會主義市場經濟條件下新型舉國體制,打好關鍵核心技術攻堅戰,提高創新鏈整體效能”;“制定實施戰略性科學計劃和科學工程,推進科研院所、高校、企業科研力量優化配置和資源共享。”

量子科技發展日益受到重視。

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今年1月,科技部、國家發改委等5部門聯合印發《加強“從0到1”基礎研究工作方案》,《方案》提出“國家科技計劃突出支持重要原創方向”,“量子科學”就在被支持之列。

近日,科技部表示,“十四五”期間,將大力發展以量子技術等爲特徵的新一代高新技術。

11月3日,2020世界計算機大會在湖南省長沙市開幕。工信部副部長王志軍表示,將培育發展新動能,佈局量子計算等前沿領域,發揮市場驅動作用,以下游帶動上游,完善先進計算創新體系。

近年來,地方政府也對量子科技表現出了濃厚興趣。

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不少地方加大了對量子科技領域的資金投入。2019年,山東省濟南市出臺的《加快建設量子信息大科學中心的若干政策措施》提出,對量子企業在儀器設備購置、項目研發、人才團隊引進等科研條件建設方面給予資金支持,最高支持1億元。

爲提升在量子信息領域的優勢,3年前,北京市聯合多家學術單位成立了北京量子信息科學研究院。常凱從海外回國,加入了該研究院,成爲了一名研究員。常凱表示,“研究院科研經費支持力度很大,科研人員可以按照自己的設想去建設世界一流的實驗室。”

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今年以來,新型基礎設施建設成爲各地重點投資領域。在各地“新基建”中,不乏“量子”身影。

6月印發的《重慶市新型基礎設施重大項目建設行動方案(2020―2022年)》提出:“提前佈局量子通信網,探索量子通信信息安全加密服務應用,建設重慶至北京、上海等地的保密通信幹線網,逐步拓展量子安全認證和量子加密終端等新型應用場景。”

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7月印發的《浙江省新型基礎設施建設三年行動計劃(2020―2022年)》提出:“推進量子通信城市間幹線和中心城市城域網等商用網絡建設,打造量子通信商業化標杆。”

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9月印發的《廣東省培育區塊鏈與量子信息戰略性新興產業集羣行動計劃(2021-2025年)》將建設量子信息領域共享共用研究平臺等列爲“新基建”強基工程。《計劃》提出:“全方位多元化推動量子信息產業應用示範,探索量子信息在政務、金融、電力、國防等國計民生的重要行業和領域的推廣應用。”

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目前,量子科技理論研究成果向實用化、工程化轉化的速度正在加快,越來越多企業參與到量子科技發展中。

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在量子科技的三大應用領域中,量子通信的商業化程度最高,誕生了一批量子通信領域的上下游企業。

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當前,全國不少地方正在開展智慧交通建設。如何保證交通大數據的安全,成爲交管部門關注的重點。

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最近,浙江省杭州市蕭山區用上了量子“盔甲”。在蕭清大道超載治理項目中,蕭山區引入了量子密碼技術,對核心業務數據進行量子安全加密保護,有效保障了端到端的數據加密傳輸。這是量子科技產業化應用的典型案例。與傳統數據加密相比,量子密鑰是基於量子物理隨機性原理產生的高質量密鑰,密鑰的安全性更高。

爲蕭山區提供這一副量子“盔甲”的是浙江九州量子信息技術股份有限公司。九州量子副總裁黃翔向本報記者表示:“現階段,量子通信等量子安全技術是量子科技中研究時間最長、最接近實用的技術,已成功實現商業化,並向着融合各類業務應用的方向發展。量子通信技術已被應用到關鍵信息基礎設施、智慧城市等領域。”

10月14日,海南省“‘星地一體’環島量子保密通信網絡”項目簽約。量子保密通信網絡將爲海南自貿港政務、金融、交通、能源等領域提供高等級的安全服務。該項目還將在文昌市建設實用化量子衛星地面站,實現與“墨子號”的對接,從而將環島量子保密通信網絡接入到國家骨幹網,實現海南和北京、上海、廣州等重要城市的跨域數據安全流通。

參與此次簽約的國科量子通信網絡有限公司副總裁邸允柱表示,“面向企業和公衆的量子安全應用產品和解決方案將不斷推出,例如量子密碼雲、量子數據中心、量子數據存儲、量子身份認證、量子手機、量子視頻會議等。”

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在金融領域,量子通信的應用同樣比較普遍。目前,很多銀行以及證券、期貨、基金等金融機構開始在數據中心備份、網銀實時轉賬等方面引入量子通信技術。

與量子通信相比,量子計算的實用化程度還有待提高。但是,量子計算在密碼分析、氣象預報、石油勘探、藥物設計等領域有很好的前景,被認爲是下一代信息革命的關鍵動力。

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9月12日,本源量子完全自主開發的超導量子計算雲平臺正式向全球用戶開放。這一平臺提供了圖形化編程、代碼編程兩種在線編程方式,開發並推出了複雜網絡排序、手寫數字識別等典型量子編程應用。

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“量子計算的社會認可度越來越高,應用步伐也在加快。”張輝說,但是量子計算還有很長的路要走。他預計,至少還需要10年時間,量子計算才能實現大規模應用。

儘管大規模應用還需時日,很多企業還是在加緊佈局量子計算,以期搶佔先機。早在2015年,阿里雲就聯合中國科學院開始了探索量子計算。之後,阿里巴巴組建了量子實驗室。2019年9月,阿里巴巴量子實驗室完成第一個可控量子比特研發工作,實現從0到1的突破。2018年,百度成立量子計算研究所,開展量子計算軟件和信息技術應用研究。今年9月,百度發佈了量子計算平臺“量易伏”,用戶可在平臺上進行開發測試。

相比量子通信、量子計算,量子精密測量顯得更爲神祕。它的應用涵蓋科研、醫療、地質、能源、災害預防等。比如,將量子測量用於電網,可以精確監測電流、電壓。用於探礦,可以邊鑽井邊測量周邊地質成分。用於醫療,可以精確分析血液微量物質含量。

國儀量子(合肥)技術有限公司是國內較早成立的量子測量企業。“量子測量的精度可以達到原子量級。”國儀公司副總經理張偉介紹,傳統測量技術最小隻能探測到微米量級,而量子技術可以精細千倍、萬倍到納米、亞納米量級,帶來革命性的技術進步。

“量子技術要真正給人類帶來福祉,除了科學家在基礎研究領域開疆拓土外,還需要更多創新創業者、企業家、投資人的加入。”薛其坤說。