中央政治局集体学习连续四年布局前沿科技,这次为何是量子科技?

今晚的《新闻联播》头条报道了一则重磅消息,10月16日下午,中共中央政治局举行第二十四次集体学习,主题是“量子科技研究和应用前景”。

习近平总书记在主持学习时强调,当今世界正经历百年未有之大变局,科技创新是其中一个关键变量。我们要于危机中育先机、于变局中开新局,必须向科技创新要答案。要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。

消息一出,“量子科技”这个“看不见的黑科技”一下子火了,但可以说绝大多数人并不真正懂得,因为在很多人看来,这个概念基本上存在于物理教材和科幻电影中。到底什么是量子科技?我国为什么要顶层布局量子科技?

1、什么是量子科技?

“遇事不决,量子力学”。在大量科幻、悬疑类影视作品的影响下,量子理论似乎已经成为解释一切神秘、未知科学现象难题的终极大招。当量子科技上升为国家顶层科技发展战略,我们有必要认识一下真实的量子科技到底是什么。

量子是质量、能量等各种物理量的基本单元,比如光子、原子等基本粒子都被统称为量子。与宏观世界不一样,处于微观世界的量子具有纠缠、叠加等很多特性,所以将量子技术应用到保密通信、超强计算、精密测量等诸多领域,可以实现很多经典信息技术所不能完成的任务。

量子信息技术,是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科,主要包括量子通信和量子计算2个领域。

《新闻联播》显示,这次中央政治局集体学习,作讲解的是清华大学副校长、中国科学院院士薛其坤。薛其坤在现场讲了什么,又提了哪些意见建议,官方并未披露。但是,在9月22日的“2020创新之源大会”上,薛其坤曾对外深度剖析了未来的量子技术。

薛其坤表示,量子技术的应用将给高密度、低能耗的信息存储带来了充满想象的空间,指甲盖大小的存储器就能够存下全世界所有的数据。而可扩展的量子计算机的研发,将极大提升信息处理能力,可谓是信息处理的“核武器”。目前,要加强量子信息技术的三大领域研发。其中,量子计算包括硬件、算法、操作系统和软件等是核心,量子通信包括密钥分发等是重要手段,量子测量、传感和计算则是应用最广泛的方面。

在“2020创新之源大会”上,薛其坤提出一个判断——第二次量子技术革命真的来了。薛其坤介绍,信息时代的关键核心技术,如晶体管、激光、硬盘、GPS等,都是通过人事量子规律发展起来的,是量子物理的被动应用。量子物理科学发展,触发了第一次量子技术革命。第一次量子技术革命,是从认识量子世界、发现量子效应到发展量子技术应用。而第二次量子技术革命,从主动操控量子态、量子效应,去发展量子技术和应用。

“通过量子通信、量子计算、量子导航、量子探测等颠覆性技术的突破,形成通达全球的安全通信、算力重组、高灵敏传感、高精度时空基准等应用,打造量子基础设施网络。未来,人类有望打造全球量子互联网,从电子时代跨越到量子时代。”薛其坤说。

2、我国处在什么道次上?

今年9月,央视新闻频道在《创新跨越2020·量子通信》节目中介绍:量子科技,是国际最为关注的前沿热点之一。“十三五”期间,我国成功发射了世界首颗量子科学实验卫星、建成世界首条千公里级量子干线、完成世界首次洲际量子通信,在量子通信领域取得一系列重大进展,使我国在国际量子通信领域的赛道上继续保持领跑地位。

在位于安徽合肥的中国科学院量子信息与量子科技创新研究院,中国科学技术大学教授、中国科学院院士潘建伟院士和同事们正在研讨量子卫星网络的建设规划。2016年,我国成功发射世界首颗量子通信实验卫星“墨子号”,并圆满完成了星地量子密钥分发等三大科学目标。然而,要构建天地一体化的全球量子通信网络,量子通信还面临很多急需攻关的核心技术。

潘建伟说:“我们这一两年技术上有很好的进步,空地量子密钥分发线路的效率得到了大幅度提升,这样一来,我们天上的载荷就可以做得更小了,就可以由原来的几百公斤做到几十公斤,这个成本就可以大幅度地由几个亿降低到千万的量级。我们希望明年能够完成微纳量子星正样的研制,具备择机发射的条件。”

中国科学技术大学教授、“墨子号”科学应用系统总工程师彭承志表示:除了围绕“墨子号”做一些物理的、通信的实验之外,我们更重要的精力转向了下一代空间量子通信网络的研究,包括未来要把量子通信卫星推向中高轨,甚至于到地球同步轨道,到那时我们就能实现24小时全天时的量子通信了。

“十三五”期间,世界首条千公里级量子保密通信干线——京沪干线建成启用,与“墨子号”相结合,我国成功实现世界首次洲际量子保密通信。就在今年,潘建伟研究团队还将无中继光纤量子密钥分发的世界距离拓展到了500公里,并成功实现了千公里级基于纠缠的量子保密通信,在量子信息领域取得了一系列重大进展。

量子科技的另一个重大应用前景就是量子计算。量子计算被称作“自然赋予人类的终极计算能力”,如果将传统计算机的速度比作“自行车”,量子计算机的速度则可能是“飞机”。在中科大的光量子计算实验室,研究团队正在进行攻关的就是50个光子的量子计算研究。量子计算的速度,随着可操纵光子的数目的增多而呈指数级的上升,所以一旦50个光子的量子计算研究实现成功的话,它对特定问题的计算速度就能够达到现有的超级计算机的百万亿倍之多。

量子计算被认为是未来推动高速信息处理的颠覆性技术,有望在密码分析、长周期天气预报、石油勘探和药物设计等领域发挥重大作用。目前国际上对于量子计算的研究有很多方案,光子、超冷原子和超导线路等三大体系最受关注。潘建伟介绍,实现可编程可通用的量子计算机或许还需要二十年甚至更长的研究攻关,但专门用于解决一些特定问题的量子模拟机已经显示出了超强的计算能力。

中科大提出的“十四五”量子计算机发展目标是:五年之内,量子通信方面,要推广实用化,所以首先要实现地面设备的小型化和成本的大规模降低和量子卫星的实用化;在量子计算方面,在完成量子称霸的基础之上,完成一些有价值的专用量子计算机的研制,可以来解决一些在传统超级计算机里面解决不了的又是有价值的科学问题。

我国科技工作者在量子科技上奋起直追,取得一批具有国际影响力的重大创新成果。总体上看,我国已经具备了在量子科技领域的科技实力和创新能力。同时,也要看到,我国量子科技发展存在不少短板,发展面临多重挑战。

3、有了“顶层设计”

十九大后,中央政治局已经多次就前沿技术的相关问题进行了集体学习:2017年12月8日的第二次集体学习,主题是“实施国家大数据战略”;2018年10月31日的第九次集体学习,主题是“人工智能发展现状和趋势”;2019年10月24日的第十八次集体学习,主题是“区块链技术发展现状和趋势。

学习的背后,都是在就前沿科技问题、核心技术等问题展开布局。比如,在2017年的那次集体学习时,习近平强调,要瞄准世界科技前沿,集中优势资源突破大数据核心技术,加快构建自主可控的大数据产业链、价值链和生态系统;去年10月的那次集体学习,习近平说,要把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口,明确主攻方向,加大投入力度,着力攻克一批关键核心技术,加快推动区块链技术和产业创新发展。

这次学习,是如何对量子科技进行布局的?

习近平指出,要系统总结我国量子科技发展的成功经验,借鉴国外的有益做法,深入分析研判量子科技发展大势,找准我国量子科技发展的切入点和突破口,统筹基础研究、前沿技术、工程技术研发,培育量子通信等战略性新兴产业,抢占量子科技国际竞争制高点,构筑发展新优势。

来看看要点——

加强顶层设计和前瞻布局,加强多学科交叉融合和多技术领域集成创新,形成我国量子科技发展的体系化能力;

健全政策支持体系,保证对量子科技领域的资金投入;

加快基础研究突破和关键核心技术攻关,在量子科技领域再取得一批高水平原创成果;

培养造就高水平人才队伍,造就一批能够把握世界科技大势、善于统筹协调的世界级科学家和领军人才,发现一批创新思维活跃、敢闯“无人区”的青年才俊和顶尖人才;

促进产学研协同创新,提高量子科技理论研究成果向实用化、工程化转化的速度和效率;

……

量子力学是人类探究微观世界的重大成果。量子科技发展具有重大科学意义和战略价值,是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新,将引领新一轮科技革命和产业变革方向。

此番有了“顶层设计”,量子力学必将迎来发展的新风口。

作者 | 观象君  编辑 | 疾风