“量子科技”刷屏社交網(wǎng)絡(luò),但是對于大多數(shù)民眾來說,對于“量子科技”的理解或許依然可以用“遇事不決,量子力學(xué)”的段子一語概之。
那么,什么才是量子科技,對于我們的生活,又將會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響?且聽電科技一一道來。
偉大的物理學(xué)家玻爾曾有言:“誰要是第一次聽到量子理論時(shí)沒有發(fā)火,那他一定沒聽懂”。因?yàn)椴环先祟惖某ＷR,量子力學(xué)很難被大多數(shù)人所理解。但是普通大眾同樣也不了解編程語言,不也照樣可以無障礙使用微信、支付寶、抖音等軟件嗎?
事實(shí)上,隨著科技行業(yè)行至拐點(diǎn),基于量子力學(xué)的量子科技不光將深刻影響我們的生活,還因其獨(dú)特的前沿技術(shù),成為各國決勝未來的賽點(diǎn)。
多年以后,當(dāng)我們用量子科技解決生活難題時(shí),或許會(huì)由衷地感慨一聲“當(dāng)年那些‘弱智’的智能手機(jī),我是怎么能容忍的呢?”
撥開人類頭頂上的另一朵烏云
在物理學(xué)發(fā)展史上,對于“兩朵烏云”的探索,成為驅(qū)使著我們發(fā)展至今的核心力量。
1900年初,對熱力學(xué)第一、第二定律的建立作出重大貢獻(xiàn)的開爾文男爵,在英國皇家學(xué)會(huì)的新年致辭中,發(fā)表了題為《籠罩在熱和光的動(dòng)力理論上的十九世紀(jì)之云》的著名演講。
開爾文認(rèn)為,物理世界已經(jīng)晴空萬里,動(dòng)力理論可以解釋一切問題,人類已經(jīng)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(gè)小問題有待解決。
很快,物理學(xué)界就被這兩朵烏云攪得人仰馬翻,其中黑體輻射這朵烏云就直接引發(fā)了一門新理論的誕生,那就是量子力學(xué)。從這一理論出發(fā),我們才有了今天的數(shù)字化生活,不管是微波爐還是電腦芯片等等萬物,皆由量子力學(xué)理論幻化而來。
和一百年前一樣。當(dāng)我們以為一切都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)以及發(fā)明出來了的時(shí)候,其實(shí)一個(gè)更大的世界已經(jīng)被叩響了門環(huán),關(guān)于量子力學(xué),我們?nèi)祟悇倓偯搅诉吘墶?/p>
為什么我們要投入重金去研究量子科技,除了探索關(guān)乎全人類命運(yùn)的重大使命,撥開人類頭頂上的這朵烏云以外,通過研究它提升我們的科技實(shí)力也是當(dāng)務(wù)之急。
上世紀(jì)60年代,英特爾聯(lián)合創(chuàng)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(shù)量每隔 18 月將會(huì)翻一倍,產(chǎn)品的性能也將提升一倍。這就是著名的“摩爾定律”。
但是隨著人類制造的芯片工藝要求越來越高,一旦芯片中的格柵寬度達(dá)到納米大小時(shí),材料的物理和化學(xué)性質(zhì)將會(huì)變質(zhì),甚至?xí)l(fā)生與經(jīng)典的半導(dǎo)體理論背道而馳的現(xiàn)象,最終導(dǎo)致芯片不能運(yùn)行。這也是為什么當(dāng)我們在突破了7納米、5納米制程后,芯片的生產(chǎn)工藝越發(fā)難于下探。
英偉達(dá) CEO 黃仁勛曾在2019年CES大會(huì)上說過:“摩爾定律過去每10年增長100倍。而現(xiàn)今,摩爾定律每年只能增長幾個(gè)百分點(diǎn),每10年可能只能增長 2倍。因此,摩爾定律其實(shí)已經(jīng)失效了。”
雖然芯片行業(yè)的摩爾定律將要逐步失效,但是其承載的內(nèi)容去完全與之反向發(fā)展。
IDC數(shù)據(jù)顯示,預(yù)計(jì)到2025年,全球數(shù)據(jù)規(guī)模將擴(kuò)展至 163ZB (1ZB 等于 1 萬億 GB),對比2016年所產(chǎn)生16．1ZB數(shù)據(jù)量翻了十倍。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,信息革命的深入,未來這一數(shù)字還將保持較高的增速。
既然單一計(jì)算量不能增加,那么我們能做的唯有增加整體的芯片量,以空間換時(shí)間。但是這又可能帶來一個(gè)無窮的災(zāi)難。
華盛頓半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)的研究報(bào)告顯示,如果按照科技慣性發(fā)展的話,因計(jì)算機(jī)需求量過于龐大,預(yù)計(jì)2040年,全球計(jì)算機(jī)所消耗的電能將超過全球的電力負(fù)荷。
由此,我們可以發(fā)現(xiàn),在摩爾定律失效后,經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)陷入到了發(fā)展的瓶頸,基于這種現(xiàn)狀,我們急切的需要找到一個(gè)更高效的計(jì)算工具。
量子科技的雙板斧
對量子力學(xué)有一定了解的朋友應(yīng)該都聽說過歷史上那只赫赫有名的貓:“薛定諤的貓”。
將一只貓關(guān)在裝有少量鐳和毒物的密閉容器里,鐳的衰變存在一定概率,如果密閉容器中的鐳發(fā)生衰變,就會(huì)打碎毒物罐子,毒死貓;如果鐳不發(fā)生衰變,那么貓就可以存活。因?yàn)樵谟^測前,我們并不知道鐳到底衰沒衰變,因此,這時(shí)候貓正處于生死疊加態(tài),也就是說,這時(shí)的貓既是死的又是活的。
基于這一理論,量子計(jì)算機(jī)的量子比特既是1又是0,再加上量子糾纏的現(xiàn)象,量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行多條線路的并行運(yùn)算,計(jì)算力對比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)將有突破想象的提升。
2019年,谷歌研究人員發(fā)論文稱,谷歌的一個(gè)基于54個(gè)量子比特量子芯片開發(fā)的量子計(jì)算系統(tǒng),其所花費(fèi)200秒完成的計(jì)算,傳統(tǒng)頂級計(jì)算機(jī)需要1萬年才能完成。由此可見量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算效率和計(jì)算力有多令人顛覆想象力。
不過,量子計(jì)算系統(tǒng)的算力驚人也帶來了一個(gè)副作用,那就是我們俗稱的密碼將會(huì)形同虛設(shè)。光大證券的研究顯示,傳統(tǒng)RSA算法下,如果選擇一個(gè)400位數(shù)的整數(shù)當(dāng)做密碼,幾乎可以萬無一失,因?yàn)閭鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)需要持續(xù)不斷運(yùn)行60萬年時(shí)間才能破解,但是這一高難度的密碼,量子計(jì)算機(jī)僅需3個(gè)小時(shí)即可破解。
幸運(yùn)的是,由于量子科技不可測性的特征,它在提升算力的同時(shí),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(yīng)用場景:量子通訊。
在傳統(tǒng)加密傳輸模式下,我們往往和對方約定一個(gè)秘鑰,然后給對方發(fā)送一個(gè)加密的文件,然后對方通過此前預(yù)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(gè)秘鑰,那么文件也會(huì)被破解。
由于量子比特不可預(yù)測不可拷貝,應(yīng)用量子糾纏原理,將一份文件通過A、B兩個(gè)糾纏的粒子表達(dá),然后將A當(dāng)做秘鑰,把B送往一個(gè)地點(diǎn),接收方如果想要破譯該文件必須讓A、B再次形成糾纏態(tài)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(lǐng)先態(tài)勢
因?yàn)橛?jì)算力必須要提升的時(shí)勢使然,掌握量子技術(shù)必然會(huì)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(huì)紛紛加大量子科技相關(guān)的研發(fā)力度和投入,力圖搶占技術(shù)制高點(diǎn)。
2013年,日本計(jì)劃十年時(shí)間投入400億日元研發(fā)量子科技;英國2014年啟動(dòng)了國家量子技術(shù)計(jì)劃,每年投資2．7億英鎊用于量子相關(guān)產(chǎn)業(yè)研發(fā);美國也于2018年啟動(dòng)“國家量子行動(dòng)法案”。
中國在經(jīng)歷了制造層面的工業(yè)崛起后,也越發(fā)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(chuàng)新規(guī)劃(2016-2020)》和《國家長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃(2006-2020)》均提到了發(fā)展量子科技技術(shù)的重要性。與此同時(shí),中國還計(jì)劃投資100億美元,在合肥建立量子信息科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室。
在量子計(jì)算領(lǐng)域,2019年底,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì),在國際上首次實(shí)現(xiàn)了20光子輸入的玻色取樣量子計(jì)算,在四大指標(biāo)上刷新了國際記錄,在事實(shí)上逼近了美國人所說的“量子霸權(quán)”。
如果說在計(jì)算領(lǐng)域,中國量子科技技術(shù)還處于理論階段,與世界一流水平處于同一水平線的話,那么在通信領(lǐng)域,中國則可以說是領(lǐng)跑世界。
2016年8月,中國發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”。2017年,全球首條量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”項(xiàng)目通過總技術(shù)驗(yàn)收。《自然》雜志寫道:“在量子通信領(lǐng)域,中國僅用不到10年的時(shí)間,就由一個(gè)不起眼的國家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅,超越歐洲和北美,實(shí)在是令人不可思議。”
之所以在其他世界各國“紙上談兵”的時(shí)候,中國就可以率先實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)應(yīng)用,牛津大學(xué)教授埃克特認(rèn)為,“這一領(lǐng)域的進(jìn)入門檻很高,唯有依靠國家級的實(shí)體才能支持,而中國恰恰在量子技術(shù)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(lǐng)域取得先發(fā)優(yōu)勢,并且整體的戰(zhàn)略和投入對比他國也更加堅(jiān)定更加雄厚的背景下,中國很有可能在未來的量子科技時(shí)代形成自己高聳的技術(shù)壁壘。
量子科技,中國其實(shí)已經(jīng)領(lǐng)先世界。