量子技术赛道上的全球竞速

             4月14日为第四个“世界量子日”，这一由全球60多个国家和地区的科学家共同倡议设立的纪念日旨在普及量子科学与技术的知识，同时人们注意到，从科技攻关到工程研发，从应用探索到产业培育，从基础设施建设到自主产品开发，全球主要经济体正在量子技术赛道上展开激烈竞赛与博弈。

　　何为量子技术？首先必须弄清什么是量子。通俗地讲，当物质或者物质量分解到不可再分的时候，此时出现的最小单元就是量子，如我们看到的整栋大楼可以分为若干层，而再往下楼层不可能分为半层楼或1/3层楼，此时楼层便是大楼的最小单元，楼层就是量子。同样，楼层里有楼梯，楼梯又是台阶连接而成，人们爬楼梯是以台阶的整数计，不会以半个台阶或1/3个台阶计，此时台阶便是量子。因此，量子既是一个物理概念，又是一个数学概念。通常情况下，计量量子的单位用比特表示，如一个量子比特、两个量子比特等。

　　量子技术就是建立量子力学原理基础之上的综合性科学，这里的量子力学原理其实就是研究单个量子的作用力或者量子之间作用力与反作用力的原理，如量子叠加、量子纠缠、量子隧穿等。所谓量子叠加，就是指量子比特具有叠加特征，即可以同时处于0和1的线性组合，而不像传统计算机中的经典比特只能处于0或1的不同状态。所谓量子纠缠，就是两个具有“心灵感应”的量子无论相距多么遥远，一个量子状态变化，另一个也会瞬间随之改变，而量子隧穿指的是量子测量可以穿越任何的物质量，即使是微观的粒子也可穿入，且穿入的广度、高度相比经典的测量会大大延伸。

　　全球量子技术研究目前主要沿着量子计算、量子通信和量子测量三大路径展开，且分别以量子叠加、量子纠缠和量子隧穿为基础。依靠量子叠加原理，量子计算机（包括光量子计算机与超导量子计算机两种）不仅要比电子计算机的信息存储功能强大得多，运算速度也更迅疾。一个携带250个量子比特的量子计算机，可存信息量比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多，使用目前最快的电子计算机大概需要5万年才能完成的计算任务，量子计算机只需4小时就能轻松搞定。

　　同样，借助于量子纠缠特性，量子通信可以组建出无法破解的密码体系，这是因为量子通信在进行量子密钥分发即信息传输时，两地或多地的用户可以共享安全的密钥，并可利用该密钥对信息进行一次又一次的严格加密，从而使得密匙不可被跟踪与监听，更不能被复制与探测。不仅如此，不像经典通信那样需发射电磁波，量子通信的信息传输能够屏蔽所有外部环境的干扰，从而使得信息的传输更具稳定性与真实性，正是如此，量子通信被视为信息传输“绝对安全”的回归。

　　量子测量方面，量子隧穿原理在支持测量技术大幅延展测量视域的同时，还可以实现对物理量测量和信息获取的高精度、高分辨率以及高稳定度，技术可精细到纳米、亚纳米量级，同时可以纠错。另外，量子测量的精密性还体现在量子授时方面，即对时间同步精度的提升使得测量信息的传递过程可实现最小的时频错差，乃至可以达到了100亿年只差一秒的精度。

　　据互联网数据中心IDC预测，到2050年，全球量子技术市场规模将飙升至2600亿美元，只是目前所有的预测数据都是基于量子技术在专业化市场的应用，而量子技术的民用化是大势所趋，如C端通用量子计算机的问世，量子通信与量子测量搭载于更广泛的私用载具上等，由此引爆的增量市场规模将更为庞大。另外，被视为第四次科技革命的人工智能刚刚启航，数据和算力是其最重要的基础，借助于量子测量传输的海量信息，依靠量子计算的迅疾算速，加之量子通信的安全护航，人工智能的应用步伐将大幅提速，最终产生出的商业价值将无法估量。

　　还需强调的是，无论是量子计算还是量子通信抑或量子测量，实际都是战略性新兴产业与未来产业的策源高地，如量子计算领域就有超级算力产业与超级存储产业，量子通信领域可产生高级加密产业与新型信息传输产业，量子测量领域能孕育出精密测量与量子传感等产业。不仅如此，量子技术还能向其他行业渗透并对所及产业展开技术赋能，拉动产业层次的升级，正是如此，量子技术事关一个国家未来的国际产业竞争力水平与能级。更为重要的是，各国的经济、政治以及军事安全与量子技术存在紧密关联，甚至可以说量子技术直接决定着一国在全球多元力量角逐中的安危命运。基于此，集群式加入量子技术的竞争赛道并抢先展开产业布局，成为了主要国家的一致性战略选择。

　　首先是顶层设计导引先行。作为全球首个在宏观层面创建量子技术发展战略的国家，英国政府早在10年前就发布了“国家量子技术计划”，截至目前，已经成立4个国家量子技术中心。两年之后，欧盟宣布将量子技术作为新的旗舰科研项目，其中德国制定了《量子计算路线图》，在此基础上启动慕尼黑量子谷研究集群计划。美国方面，最近几年除美国国会推出了《国家量子行动法案》外，美国政府先后发布《美国量子网络战略愿景》等量子专项战略以及促进量子计算的《国家安全备忘录》，美国政府将量子技术相关计划命名为“微型曼哈顿计划”，比肩大名鼎鼎的原子弹项目“曼哈顿计划”。另外，加拿大政府也宣布制定国家量子战略，并专门组建了量子工业部，同时日本也在文部科学省设置了对量子技术进行统一管理的专门机构。据第三方数据，除G7（七国集团）均已全面部署量子技术研发计划外，瑞典、荷兰、印度、澳大利亚、丹麦和韩国等国都已实质性启动了本国的量子战略。

　　其次是专项投资加速扩容。自从启动为期10年的《国家量子行动法案》以来，美国政府的专向投资已累计达到50多亿美元，而欧盟的“量子技术旗舰项目”实施至今，总经费支出已超过40亿欧元。作为“国家量子技术计划”的支点，英国在该计划颁布的两年后便启动“国家量子技术专项”，每年投资额度达2.7亿英镑，迄今总投入已超过21亿英镑，而且今年年初，英国政府又另外拨出4500万英镑的专项资金，以加快量子技术在改善医疗、能源、交通等方面的应用研究。日本虽在量子技术研究方面有点不温不火，但过去10年的总投资也超过400亿日元。

　　再次是官产学集体联动。政府机构、产业组织与学术界加速融合与联手，尤其是依托头部企业的主导力量，实施研发和应用“双向驱动”，最终直接关联出新产品的迭代升级，已成主要发达国家推进量子技术研究与应用的核心路径。谷歌早在2013年就与美国国家航天局、加州大学圣芭芭拉分校联合成立了量子人工智能实验室，次年微软与哈佛大学、玻尔研究所等携手组建量子设计与量子计算研究中心，英特尔与荷兰代尔夫特理工大学合作开发新型量子计算机。不仅如此，IBM还牵头创建了国际性主流量子计算产业联盟，美国、日本、韩国、德国、澳大利亚等230多家企业参与其中，合纵连横之势清晰可见。依靠强大的团队力量，谷歌在2019年就成功演示了“量子霸权”，旗下的“西克莫”量子计算机仅用200秒就完成传统超级计算机需要1万年才能完成的任务。

　　最后是量子技术教育紧密跟进。鉴于行业人才极其稀缺，且人才又关乎量子技术的未来发展持续性以及本国的竞争实力，围绕量子计算教育、量子技术知识普及等的教育科普链已在发达国家开始构建。一方面，像谷歌、微软等与高校合作项目中，重点内容就是培养量子技术人才，合作学校的学生都能经常性地直接参与到项目研发之中，而俄亥俄州立大学创建的量子信息科学与工程中心，首要目标就是培养出更多的量子计算专业人才。另外，在《国家量子行动法案》中，美国政府直接明确10年内在人才培养方向的投资达到12亿美元，对此，美国国家科学基金会和白宫科学技术政策办公室牵头启动了量子信息K12教育。不仅如此，澳大利亚量子公司Q-CTRL与英国主营的量子教育公司QURECA合作建立量子计算人才培养通道，为任何想要入门量子计算的人提供学习机会。

　　（作者系中国市场学会理事、经济学教授）