除了人工智能 量子技術(shù)也很厲害！英政府發(fā)布量子報(bào)告

 科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。尤其是前沿科技，向來(lái)是各個(gè)國(guó)家關(guān)注的重點(diǎn)之一。除了人工智能外，英國(guó)政府科學(xué)辦公室近期還發(fā)布了一份量子技術(shù)報(bào)告《量子時(shí)代：技術(shù)機(jī)會(huì)》(The Quantum Age：technological opportunity，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“《報(bào)告》”)。

在這份報(bào)告中，英國(guó)政府科學(xué)辦公室(the government office for science)闡述了英國(guó)如何能從量子技術(shù)中獲益，并指出了英國(guó)能領(lǐng)先以及能增加優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域。

英國(guó)政府首席科學(xué)顧問(wèn)，也是此報(bào)告的撰寫(xiě)人之一Mark Walport爵士表示：“英國(guó)在量子技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。量子計(jì)時(shí)、成像、傳感、通信和計(jì)算等領(lǐng)域，具有產(chǎn)生新產(chǎn)品和服務(wù)的潛力和價(jià)值。我們必須確保繼續(xù)將我們優(yōu)秀的研究成果商業(yè)化。 我們有機(jī)會(huì)發(fā)展一個(gè)世界級(jí)的工業(yè)，有熟練的勞動(dòng)力支持，并受到全球需求的刺激。”

各國(guó)量子科學(xué)和技術(shù)排名

早在2013年的政府秋季預(yù)算報(bào)告里，英國(guó)就宣布，將在此后的五年間為國(guó)家量子技術(shù)項(xiàng)目投資2.7億英鎊，以加速量子技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。

“中國(guó)已經(jīng)在量子科學(xué)和技術(shù)中投入巨大的資金;盡管應(yīng)用還不多，但美國(guó)也擁有許多的研究機(jī)構(gòu)。歐盟近期也發(fā)布了量子計(jì)劃，計(jì)劃于2018年啟動(dòng)。意識(shí)到這些競(jìng)爭(zhēng)，我們必須開(kāi)放國(guó)家項(xiàng)目，促進(jìn)英國(guó)的量子技術(shù)發(fā)展，并鼓勵(lì)投資。”《報(bào)告》在前言章指出。

基于英國(guó)國(guó)家量子技術(shù)項(xiàng)目取得的進(jìn)展，英國(guó)政府部門(mén)強(qiáng)調(diào)，未來(lái)會(huì)與國(guó)內(nèi)和國(guó)際私營(yíng)部門(mén)加強(qiáng)協(xié)調(diào)，建立伙伴關(guān)系。除此之外，英國(guó)還會(huì)建立創(chuàng)新中心，聯(lián)合學(xué)術(shù)界和工業(yè)界，讓量子技術(shù)商業(yè)化。建立英國(guó)量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)也成為英國(guó)未來(lái)的重點(diǎn)之一。

對(duì)英國(guó)來(lái)說(shuō)，未來(lái)量子技術(shù)是價(jià)值10億英鎊的產(chǎn)業(yè)

重視五大量子技術(shù)應(yīng)用

在《報(bào)告》的執(zhí)行摘要中提到，“你不需要了解和掌握量子技術(shù)的細(xì)節(jié)、物理基礎(chǔ)，但它會(huì)對(duì)我們每天的生活產(chǎn)生影響，做到我們今天不能做到的事情。”例如，量子設(shè)備能讓我們看到隱蔽的角落，地圖上未標(biāo)明的隱藏危險(xiǎn)，以及更容易地解決當(dāng)前計(jì)算機(jī)無(wú)法做到的問(wèn)題。

為此，《報(bào)告》提出了英國(guó)量子技術(shù)應(yīng)用的5大領(lǐng)域。分別是原子鐘、量子成像、量子傳感和測(cè)量、量子計(jì)算和模擬以及量子通信。

1.原子鐘，它是量子技術(shù)的一種。英國(guó)政府部門(mén)認(rèn)為，英國(guó)曾在這一領(lǐng)域領(lǐng)先全球，當(dāng)時(shí)與美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)發(fā)第一臺(tái)銫原子鐘，但因?yàn)樯虡I(yè)化推進(jìn)不足，后來(lái)逐漸被美國(guó)趕超。《報(bào)告》認(rèn)為，精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)支撐著我們的日常生活。許多我們生活中依賴(lài)的技術(shù)比如手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都需要依賴(lài)于原子鐘精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)。

原子鐘的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，英國(guó)政府在報(bào)告中提到了這個(gè)技術(shù)應(yīng)用的5個(gè)場(chǎng)景，包括遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)、電力輸配網(wǎng)絡(luò)、金融市場(chǎng)、雷達(dá)系統(tǒng)、新聞市場(chǎng)。舉例來(lái)說(shuō)，在金融市場(chǎng)，時(shí)間信號(hào)是同步交易和產(chǎn)生交易記錄的關(guān)鍵。基于量子技術(shù)的計(jì)時(shí)可以滿(mǎn)足金融市場(chǎng)同步的要求。

2.量子成像。盡管，照相機(jī)和圖片修改技術(shù)已經(jīng)非常普遍，但大多數(shù)的照片拍攝仍受制于燈光的有無(wú)，且是二維的。但真實(shí)的世界應(yīng)該是三維和多光譜的。

量子成像是利用量子糾纏現(xiàn)象發(fā)展起來(lái)的一種新的成像技術(shù)。與經(jīng)典光學(xué)成像只能在同一光路得到該物體的圖像不同，量子成像可以在另一條并未放置物體的光路上再現(xiàn)該物體的空間分布信息。

量子成像技術(shù)可以使用幾乎任何光源——熒光燈泡、激光甚至太陽(yáng)，從而避免云、霧和煙等使常規(guī)成像技術(shù)無(wú)能為力的氣象條件的干擾，獲得更為清晰的圖像。

《報(bào)告》認(rèn)為，如果將這種技術(shù)運(yùn)用好，能讓我們看到原先看不到的世界。例如，使用量子成像技術(shù)，可以拍3D照片，能識(shí)別接近物體的光。這一技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣闊，可以給無(wú)人駕駛汽車(chē)提供獨(dú)有的數(shù)據(jù)，在醫(yī)療保健、國(guó)防、安全、運(yùn)輸和制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如，可以幫助消防員在濃煙的災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)救災(zāi)，幫助工程師拍攝天然氣泄漏等。

3.量子傳感和測(cè)量。傳感器對(duì)于構(gòu)建萬(wàn)物互聯(lián)的世界至關(guān)重要。相比現(xiàn)有的傳感器，量子傳感器的優(yōu)勢(shì)在于，它的技術(shù)能讓傳感器的敏感性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都提升多個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣一來(lái)，就可以將應(yīng)用擴(kuò)大到航空、氣候、建筑、國(guó)防、能源、醫(yī)療保健、安全、運(yùn)輸和水域中。

量子傳感和測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)景

《報(bào)告》認(rèn)為，英國(guó)可以從制造高端的量子傳感器中受益，從而讓測(cè)量的數(shù)據(jù)可視化。英國(guó)當(dāng)前的傳感器和儀表行業(yè)雇傭了73000人，每年貢獻(xiàn)140億英鎊的價(jià)值。未來(lái)，基于傳感數(shù)據(jù)服務(wù)會(huì)產(chǎn)生更多的價(jià)值，所以必須重視整個(gè)價(jià)值鏈。

在這一章節(jié)中，還著重介紹了量子傳感領(lǐng)域中的重要應(yīng)用——量子磁力儀在醫(yī)療保健中的應(yīng)用。《報(bào)告》指出，因?yàn)榱孔哟帕x能提供更高靈敏度的測(cè)試，所需的基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)量又少，所以未來(lái)能在某些醫(yī)療保健領(lǐng)域發(fā)揮節(jié)約成本，提高功效的作用。比如用來(lái)治療癡呆癥、癌癥、心臟疾病等。

4.量子計(jì)算和模擬。比起常規(guī)的計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算處理能力能提升百億億倍。目前，各國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域已經(jīng)展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。谷歌公布的量子計(jì)算機(jī)研究報(bào)告中稱(chēng)，它們計(jì)劃明年增加至49量子比特。這是一個(gè)極為關(guān)鍵的門(mén)檻。有學(xué)者預(yù)計(jì)，在50量子比特左右，量子計(jì)算機(jī)就能達(dá)到“量子霸權(quán)”(quantum supremacy)。

《報(bào)告》稱(chēng)，英國(guó)在這一領(lǐng)域的長(zhǎng)期目標(biāo)是建立一個(gè)可以運(yùn)行的大型通用量子計(jì)算機(jī)。

但目前量子計(jì)算機(jī)所能達(dá)到的量子比特?cái)?shù)量有限，并且運(yùn)行也不穩(wěn)定。英國(guó)政府認(rèn)為持續(xù)投入后，未來(lái)10年，人類(lèi)能讓量子計(jì)算機(jī)達(dá)到50-100量子比特的水平。

5.量子通信。人們從古代就希望己方的軍情可以完全保密，直至今日，我們依舊渴望實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的通信安全。作為世界頂尖的前沿科學(xué)技術(shù)，量子通信技術(shù)就能夠非常完美的實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想。

量子通信技術(shù)應(yīng)用隨時(shí)間推進(jìn)將會(huì)增長(zhǎng)

一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱(chēng)為量子。所有的微觀粒子包括分子、原子、電子、光子，它們都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。世界本身都是由微觀粒子組成的。所以，某種意義而言，我們身處的這個(gè)世界就是由量子組成的。

量子的兩個(gè)特性不容忽視，量子疊加原理和由量子疊加原理引申出來(lái)的量子糾纏。基于這兩個(gè)特性，才有了量子通信，你不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)未知量子比特的精確復(fù)制。因?yàn)橐坏┬畔⒈蝗藪冻?，量子?huì)自動(dòng)發(fā)生變化，接收者也因此能察覺(jué)，而偷窺者也看不到原貌。

《報(bào)告》認(rèn)為，量子通信能保證高敏感信息的傳送安全。短期內(nèi)，量子通信能提供密鑰和隨機(jī)數(shù)字保證信息不被復(fù)制，最終量子通信能通過(guò)衛(wèi)星和遠(yuǎn)距離光纖用在全球通信網(wǎng)絡(luò)。

《報(bào)告》在這一章的結(jié)論中指出，量子通信會(huì)在未來(lái)形成全球市場(chǎng)和網(wǎng)絡(luò)，保證英國(guó)工業(yè)和政府網(wǎng)絡(luò)的安全。英國(guó)在這一領(lǐng)域的大量投入將保證英國(guó)在這一領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

量子技術(shù)的商業(yè)化

為了保證量子技術(shù)能在未來(lái)更好地商業(yè)化，給英國(guó)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)促進(jìn)作用。英國(guó)政府在《報(bào)告》的“商業(yè)化”這一章節(jié)介紹了英國(guó)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的計(jì)劃。除了在2013年財(cái)政撥款2.7億英鎊，支持量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展外，英國(guó)還有一個(gè)“量子技術(shù)項(xiàng)目”。

英國(guó)當(dāng)前量子技術(shù)生態(tài)

此舉旨在建立一個(gè)政府、產(chǎn)業(yè)、學(xué)界之間的量子技術(shù)共同體，使英國(guó)能在未來(lái)的量子技術(shù)市場(chǎng)中搶占世界領(lǐng)先地位，實(shí)質(zhì)性地提高英國(guó)產(chǎn)業(yè)的價(jià)值。

首先，英國(guó)產(chǎn)業(yè)界會(huì)為國(guó)防、保密通訊、信息技術(shù)、油氣等小眾用戶(hù)生產(chǎn)設(shè)備，接著進(jìn)入更主流的消費(fèi)者市場(chǎng)。為此，相關(guān)企業(yè)會(huì)得到國(guó)家量子技術(shù)項(xiàng)目的資金支持。

英國(guó)還會(huì)建立一個(gè)名為 “樞紐”的全國(guó)性量子技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，為有意向打開(kāi)量子技術(shù)市場(chǎng)的企業(yè)提供快捷入口。

2015年4月，政府組織“創(chuàng)新英國(guó)”(Innovate UK)、英國(guó)工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)(EPSRC)、英國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(Dstl)成功為產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向項(xiàng)目進(jìn)行了第一輪資金支持。這些項(xiàng)目有些是為了了解量子技術(shù)的市場(chǎng)化運(yùn)用，有些是為了將量子技術(shù)產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

除此之外，量子技術(shù)博士培訓(xùn)中心會(huì)保證這個(gè)領(lǐng)域的新生研究力量，國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)也會(huì)開(kāi)設(shè)一個(gè)量子計(jì)量學(xué)院。國(guó)家量子技術(shù)項(xiàng)目會(huì)加強(qiáng)與英國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)防部的合作，在3到5年內(nèi)研發(fā)量子計(jì)時(shí)、導(dǎo)航和引力成像設(shè)備。

英國(guó)已經(jīng)在報(bào)告中闡述了量子技術(shù)的重要性，還提到了來(lái)自其他國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)。

英國(guó)并非是唯一一個(gè)認(rèn)識(shí)到量子技術(shù)潛力的國(guó)家

今年7月份，美國(guó)白宮發(fā)布了《推進(jìn)量子信息科學(xué)：國(guó)家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》。報(bào)告中，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)對(duì)量子信息科學(xué)的重要性，前瞻性進(jìn)行了闡述，還介紹了美國(guó)在量子信息科學(xué)的研究發(fā)展?fàn)顩r。該委員會(huì)認(rèn)為量子計(jì)算能有效推動(dòng)化學(xué)、材料科學(xué)和粒子物理發(fā)展，未來(lái)可能最終會(huì)顛覆眾多科學(xué)領(lǐng)域，人工智能也當(dāng)屬其中之一。

美國(guó)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)在過(guò)去的20年中，已經(jīng)對(duì)量子信息科學(xué)給予了很多支持。這些支持起到了顯著的作用，讓美國(guó)的科學(xué)家在該領(lǐng)域里處在領(lǐng)先位置。目前，聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)每年資助量子信息科學(xué)領(lǐng)域2億美元。

中國(guó)也在量子技術(shù)領(lǐng)域里努力推進(jìn)，尤其是在量子通信領(lǐng)域。今年9月份，中國(guó)量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子”號(hào)的升空，意味著世界上將首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建一個(gè)天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。這也意味著經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，中國(guó)在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了彎道超車(chē)，走在了全球發(fā)展的前列。

“中國(guó)在量子通信領(lǐng)域比起其他國(guó)家更早地布局，這讓我們?nèi)〉昧艘欢ǖ念I(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。但量子技術(shù)并不是只有量子通信，還有量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等，這些領(lǐng)域里，中國(guó)還需要大量地投入。”量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士在一次論壇上說(shuō)道。

根據(jù)英國(guó)政府發(fā)布的《報(bào)告》，中國(guó)在量子技術(shù)的論文發(fā)表上排在全球第一，美國(guó)則在量子技術(shù)的資金投入和專(zhuān)利申請(qǐng)上排在全球第一。英國(guó)的綜合排名處在全球第三位。