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美日欧竞相布局:量子科技有哪些扶持政策和产业应用?

观点 2020-10-276666

图片来源:视觉中国

记者 | 田思奇

10月中旬,中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行了集体学习,使其成为人工智能和区块链之后又一广受关注的新技术。

除中国之外,不少发达国家也意识到,量子科技有机会引领新一轮科技革命和产业变革方向。一些政府投入重金扶持有关量子科技的研究,还有不少行业领军企业决定在不久的将来实现量子科技的商业化。但对于一项处于早期发展阶段的新技术,研发困境,人才缺失和伦理标准也是量子科技仍需解决的难题。

量子科技有何应用?

量子信息技术是量子力学的最新发展,主要有两大应用方向——量子计算和量子通信。

相对于传统计算机使用的基本信息单位比特,量子计算机使用的是量子比特。它具备“叠加”的属性,相当于同时处于多种状态的能力。

基于这种特质,量子比特可以提供比相同数量的二进制比特更强大的处理能力。在实际应用中,量子计算机有望在各行各业提供更高效的产品,不论是电动汽车电池的新材料,还是更便宜,疗效更好的药物。

在需要模拟的大型不确定系统中,量子计算也都有其用武之地,例如预测金融市场表现,改进天气预报准确度,或者在量子物理研究中对单个电子的行为建模。一些科学家还认为,量子计算机模拟复杂分子反应的能力甚至可以帮助寻找治疗阿尔茨海默症的方法。

另一大应用方向是在通信中使用量子密码进行保密传输,主要依赖量子纠缠原理——无论相隔多远,一个量子状态变化,另一个也会随之改变。

传统的通信方式有被窃听的风险,而量子密码意味着直接把信息以纠缠态方式发送,窃听者闯入传输网络时必然被察觉并被通信双方规避。从理论上说,这是不可能被窃听的通信技术,有望在安全保障、金融及医疗领域等实现应用。

在论文研究方面,据日本知识产权数据库Astamuse统计,美国在量子计算机领域占优,2014-2018年发表相关论文1948篇;中国紧随其后发表1495篇,排在第2位;其次是德国、英国和日本。在有关安全保障的量子密码相关领域,中国较为领先,同期论文数量为2169篇,达到美国(1051篇)的2倍。

具体到实际应用方面,这些国家也和中国一样,成为距离量子科技产业化和商业化最近的领跑者。

美国:国家量子法案

早在2018年底,美国总统特朗普便签署了《国家量子法案》,全方位加速量子科技的研发与应用。依据该法案,美国政府计划在未来5年内斥资12.75亿美元开展量子信息科技研究,其中美国国家标准与技术研究院获资4亿美元制定量子科技发展标准;国家科学基金会获资2.5亿美元支持量子科技人才建设;能源部获资6.25亿美元,成立量子信息科研中心。

今年8月,美国能源部宣布,利用上述资金,美国将成立5个专注于量子信息科技的研究中心。这笔钱还引起私营公司的兴趣,微软和英特尔等科技行业合作伙伴承诺提供人员和设备帮助建立新研究所。

人才培养方面,IBM在今年7月推出的量子计算机线上夏令营在全球范围内吸引了以大学生为主的约2万人报名,最终筛选出超过4000人参加。

美国科技巨头近年也纷纷展示自己的量子计算成果。2018年底的国际消费电子展(CES)上,IBM宣布推出Q System One,将其称为“世界上第一个专为科学和商业用途设计的集成通用近似量子计算系统”,包含20个量子比特。

另一里程碑事件是在2019年10月,谷歌发表研究称,已利用一台54量子比特的量子计算机实现了传统计算机无法完成的任务,用3分20秒解答了使用传统计算机需要约1万年解决的问题。但谷歌遭到质疑称,这项研究只是解决了一项人为设计的问题,并没有多少实际用途。

欧洲:大笔资金投入

今年9月,英国政府宣布斥资1000万英镑支持该国的首台量子计算机落地。该项目由总部位于美国加州的企业Rigetti领导,牛津仪器、渣打银行、英国初创公司Phasecraft和爱丁堡大学联合参与。

英国科学大臣阿曼达·索洛韦表示,英国第一台商用量子计算机将在几年后供企业使用,为英国工商业提供价值数十亿英镑的新机遇,涉及从制药、运输到航空航天等各种行业。

为确保本国立足于量子科技研究前沿,英国将在2014年启动的国家量子技术项目十年计划中投资10亿英镑,其中包括新成立的国家量子计算中心(NQCC),由英国科研与创新署(UKRI)投资9300万英镑建立,旨在促进量子技术的商业化。

至于欧洲大陆国家,德国在资金方面已脱颖而出,成为欧盟量子计算最大的倡导者。今年7月,德国教研部长安雅·卡利切克宣布,在新冠肺炎疫情后的经济刺激计划中特设“量子专项”投入20亿欧元,目标是在2021年之前建造一台实验性量子计算机。除此之外,德国政府还在2018年决定到2022年之前拨款6.5亿欧元用于量子科技研究。

上述IBM开发的Q System One量子计算机也将在德国斯图加特附近的IBM计算机中心内安装,计划于2021年初投入使用。

与此同时,已有19个欧盟国家签署了在整个欧洲大陆开发联合量子通信基础设施的协议,目的是在健康、国家安全和国防等领域长期存储敏感的政府通讯,金融交易和敏感数据。

日本:企业超前布局

为全面推进量子计算机的实用化,日本在7月底成立了以东京大学为主体的产学合作协会。瑞穗金融集团(FG)和日立制作所也加盟该协会,与IBM合作,加快开发步伐。

日本的主要目标是利用计算机研发材料,以及早日应用于金融领域,例如全球最大光刻胶生产商日本JSR希望在半导体及显示器材料等领域广泛使用量子计算机。JSR董事长小柴满信预期,量子计算机“具有将研发速度提高10-100倍的潜力”。

10月19日,日本东芝宣布将推出通过现有光纤线路提供“量子加密通信”的服务。东芝认为,这种服务不用铺设专用线路,有助于量子加密通信的普及。该公司目标是到2025年度在国内外推广,争取到2035年度在全球市场占到25%份额。

在海外,东芝正与美国通信商威瑞森电信、英国电信集团(BT)合作开展验证试验,还计划在韩国和新加坡开展业务。东芝认为,2018年度仅为1400亿日元的全球量子加密市场规模,到2035年度将扩大到约2.1万亿日元(约合人民币1340亿元)。

2019年7月,日本化妆品企业高丝(KOSE)正式启用“尖端技术研究所”,社长小林一俊期待这里能“推动制造此前延长线上没有的产品”,即利用量子计算机开发化妆品。

例如高丝的主打品牌“雪肌精”的药用乳液成分数量达到39种。高丝今后将能够利用量子计算机瞬间研发出怎样组合这些原料,会产生哪种“感觉”。项目组经理浜松和芳表示,“人思考1个配方需要10分钟,今后(利用量子计算机)10秒内就能完成”。

前景:研发困境犹存

在大规模商业化之前,量子科技还存在尚未解决的研究难题和行业发展困境。

例如在量子计算领域,量子比特的状态会在瞬间崩坏,也容易发生错误。在通信行业的量子密码领域,新的加密标准不可避免,相关基础设施还需要长远的规划来确保量子安全。

计算对象也存在合适与否的问题。《日本经济新闻》文章认为,量子计算机并不能在所有行业中都超过传统计算机,估计个人电脑和智能手机未来不会被量子计算机取代。

正在寻找量子科技投资机会的剑桥创新资本管理合伙人安德鲁·威廉姆森则认为,人才培养是最关键的难题。和几年前的人工智能领域类似,当前大学没有批量培养出具备量子技能的毕业生。相关技能往往要在研究生阶段培养,或者在做实际项目时学习,通常也是跨学科的复合技能。

为了充分挖掘量子计算的潜力,加拿大物理学家协会主席肖希尼·戈斯在《哈佛商业评论》撰文指出,健康、金融或能源等不同领域的商业领袖和专家必须与量子研究人员合作,共同参与特定行业量子解决方案的开发。

该文章还提到,人工智能和区块链技术的发展也表明,在试图应用新技术的社会,伦理和环境影响也必须纳入考量。对于处在早期阶段的量子产业,尽快制定有关开发者和用户参与的伦理标准,可以为量子科技制定更加可持续的发展路线,让企业更好地为量子未来做准备。

标签: 美日布局 量子科技 扶持政策
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