「量子科技」刷屏社交網絡,但是對於大多數民眾來說,對於「量子科技」的理解或許依然可以用「遇事不決,量子力學」的段子一語概之。
那麼,什麼才是量子科技,對於我們的生活,又將會產生什麼樣的影響?且聽電科技一一道來。
偉大的物理學家玻爾曾有言:「誰要是第一次聽到量子理論時沒有發火,那他一定沒聽懂」。因為不符合人類的常識,量子力學很難被大多數人所理解。但是普通大眾同樣也不了解程式語言,不也照樣可以無障礙使用微信、支付寶、抖音等軟體嗎?
事實上,隨著科技行業行至拐點,基於量子力學的量子科技不光將深刻影響我們的生活,還因其獨特的前沿技術,成為各國決勝未來的賽點。
多年以後,當我們用量子科技解決生活難題時,或許會由衷地感慨一聲「當年那些『弱智』的智慧型手機,我是怎麼能容忍的呢?」
撥開人類頭頂上的另一朵烏雲
在物理學發展史上,對於「兩朵烏雲」的探索,成為驅使著我們發展至今的核心力量。
1900年初,對熱力學第一、第二定律的建立作出重大貢獻的開爾文男爵,在英國皇家學會的新年致辭中,發表了題為《籠罩在熱和光的動力理論上的十九世紀之雲》的著名演講。
開爾文認為,物理世界已經晴空萬裡,動力理論可以解釋一切問題,人類已經掌握了宇宙幾乎全部的真理,唯有黑體輻射和以太理論這兩個小問題有待解決。
很快,物理學界就被這兩朵烏雲攪得人仰馬翻,其中黑體輻射這朵烏雲就直接引發了一門新理論的誕生,那就是量子力學。從這一理論出發,我們才有了今天的數位化生活,不管是微波爐還是電腦晶片等等萬物,皆由量子力學理論幻化而來。
和一百年前一樣。當我們以為一切都已經被發現以及發明出來了的時候,其實一個更大的世界已經被叩響了門環,關於量子力學,我們人類剛剛摸到了邊緣。
為什麼我們要投入重金去研究量子科技,除了探索關乎全人類命運的重大使命,撥開人類頭頂上的這朵烏雲以外,通過研究它提升我們的科技實力也是當務之急。
上世紀60年代,英特爾聯合創始人戈登．摩爾曾敏銳指出,集成電路上可容納的元器件的數量每隔 18 月將會翻一倍,產品的性能也將提升一倍。這就是著名的「摩爾定律」。
但是隨著人類製造的晶片工藝要求越來越高,一旦晶片中的格柵寬度達到納米大小時,材料的物理和化學性質將會變質,甚至會發生與經典的半導體理論背道而馳的現象,最終導致晶片不能運行。這也是為什麼當我們在突破了7納米、5納米製程後,晶片的生產工藝越發難於下探。
英偉達 CEO 黃仁勳曾在2019年CES大會上說過:「摩爾定律過去每10年增長100倍。而現今,摩爾定律每年只能增長几個百分點,每10年可能只能增長 2倍。因此,摩爾定律其實已經失效了。」
雖然晶片行業的摩爾定律將要逐步失效,但是其承載的內容去完全與之反向發展。
IDC數據顯示,預計到2025年,全球數據規模將擴展至 163ZB (1ZB 等於 1 萬億 GB),對比2016年所產生16．1ZB數據量翻了十倍。隨著網絡技術的發展,信息革命的深入,未來這一數字還將保持較高的增速。
既然單一計算量不能增加,那麼我們能做的唯有增加整體的晶片量,以空間換時間。但是這又可能帶來一個無窮的災難。
華盛頓半導體行業協會的研究報告顯示,如果按照科技慣性發展的話,因計算機需求量過於龐大,預計2040年,全球計算機所消耗的電能將超過全球的電力負荷。
由此,我們可以發現,在摩爾定律失效後,經典計算機已經陷入到了發展的瓶頸,基於這種現狀,我們急切的需要找到一個更高效的計算工具。
量子科技的雙板斧
對量子力學有一定了解的朋友應該都聽說過歷史上那隻赫赫有名的貓:「薛丁格的貓」。
將一隻貓關在裝有少量鐳和毒物的密閉容器裡,鐳的衰變存在一定概率,如果密閉容器中的鐳發生衰變,就會打碎毒物罐子,毒死貓;如果鐳不發生衰變,那麼貓就可以存活。因為在觀測前,我們並不知道鐳到底衰沒衰變,因此,這時候貓正處於生死疊加態,也就是說,這時的貓既是死的又是活的。
基於這一理論,量子計算機的量子比特既是1又是0,再加上量子糾纏的現象,量子計算機可以同時進行多條線路的並行運算,計算力對比傳統計算機將有突破想像的提升。
2019年,谷歌研究人員發論文稱,谷歌的一個基於54個量子比特量子晶片開發的量子計算系統,其所花費200秒完成的計算,傳統頂級計算機需要1萬年才能完成。由此可見量子計算機的計算效率和計算力有多令人顛覆想像力。
不過,量子計算系統的算力驚人也帶來了一個副作用,那就是我們俗稱的密碼將會形同虛設。光大證券的研究顯示,傳統RSA算法下,如果選擇一個400位數的整數當做密碼,幾乎可以萬無一失,因為傳統計算機需要持續不斷運行60萬年時間才能破解,但是這一高難度的密碼,量子計算機僅需3個小時即可破解。
幸運的是,由於量子科技不可測性的特徵,它在提升算力的同時,也可以為我們帶來與之匹配的保密措施,這也就是量子科技的第二大應用場景:量子通訊。
在傳統加密傳輸模式下,我們往往和對方約定一個秘鑰,然後給對方發送一個加密的文件,然後對方通過此前預定好的秘鑰即可破譯該文件,但是如果有其他人也知道了這個秘鑰,那麼文件也會被破解。
由於量子比特不可預測不可拷貝,應用量子糾纏原理,將一份文件通過A、B兩個糾纏的粒子表達,然後將A當做秘鑰,把B送往一個地點,接收方如果想要破譯該文件必須讓A、B再次形成糾纏態方可破譯,這種唯一性就大大保證了信息傳遞的安全。
中國在量子科技上的領先態勢
因為計算力必須要提升的時勢使然,掌握量子技術必然會對競爭者形成降維打擊,就像拿著火槍的西班牙人去了阿茲臺克。因此,近年來國際社會紛紛加大量子科技相關的研發力度和投入,力圖搶佔技術制高點。
2013年,日本計劃十年時間投入400億日元研發量子科技;英國2014年啟動了國家量子技術計劃,每年投資2．7億英鎊用於量子相關產業研發;美國也於2018年啟動「國家量子行動法案」。
中國在經歷了製造層面的工業崛起後,也越發意識到核心科技的重要性,因而開始頻頻加緊布局量子科技賽道。比如《「十三五」國家科技創新規劃(2016-2020)》和《國家長期科學和技術發展規劃(2006-2020)》均提到了發展量子科技技術的重要性。與此同時,中國還計劃投資100億美元,在合肥建立量子信息科學國家實驗室。
在量子計算領域,2019年底,中國科學技術大學潘建偉團隊,在國際上首次實現了20光子輸入的玻色取樣量子計算,在四大指標上刷新了國際記錄,在事實上逼近了美國人所說的「量子霸權」。
如果說在計算領域,中國量子科技技術還處於理論階段,與世界一流水平處於同一水平線的話,那麼在通信領域,中國則可以說是領跑世界。
2016年8月,中國發射了世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」。2017年,全球首條量子保密通信骨幹網「京滬幹線」項目通過總技術驗收。《自然》雜誌寫道:「在量子通信領域,中國僅用不到10年的時間,就由一個不起眼的國家發展成為現在的世界勁旅,超越歐洲和北美,實在是令人不可思議。」
之所以在其他世界各國「紙上談兵」的時候,中國就可以率先實現量子技術應用,牛津大學教授埃克特認為,「這一領域的進入門檻很高,唯有依靠國家級的實體才能支持,而中國恰恰在量子技術方面投入了巨額的資金」。
埃克特還表示:「誰控制了信息,誰就控制了世界。」在量子通信領域取得先發優勢,並且整體的戰略和投入對比他國也更加堅定更加雄厚的背景下,中國很有可能在未來的量子科技時代形成自己高聳的技術壁壘。
量子科技,中國其實已經領先世界。
作者:袁創來源:電科技