在圣誕節(jié)前幾天，美國(guó)總統(tǒng)唐納德?特朗普簽署了一項(xiàng)法案，將在未來(lái)10年里內(nèi)投入超過(guò)12億美元用于發(fā)展量子信息科學(xué)?！秶?guó)家量子倡議法》（National Quantum Initiative Act）代表了美國(guó)兩黨政府在發(fā)展量子計(jì)算、量子加密和量子通信等技術(shù)方面與中國(guó)和其他國(guó)家保持同步的努力。這些技術(shù)都有可能打破世界經(jīng)濟(jì)和軍事力量的平衡。

量子計(jì)算因其有朝一日有可能破解保護(hù)政府和企業(yè)機(jī)密的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)算法而受到特別關(guān)注。但是對(duì)量子科學(xué)的投資也可能帶來(lái)突破性進(jìn)展，有助于鞏固美國(guó)的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位和國(guó)家安全——或者如果另一個(gè)國(guó)家首先開(kāi)發(fā)出某種量子技術(shù)，則會(huì)削弱美國(guó)的領(lǐng)導(dǎo)地位和國(guó)家安全。值得注意的是，中國(guó)一直特別重視投資量子科學(xué)，以此作為繞過(guò)美國(guó)擁有的傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的一種方式。

位于華盛頓的新美國(guó)安全中心（CNAS）的兼職研究員Elsa Kania在最近的一次新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)：“很明顯，中國(guó)正在利用它所認(rèn)為的歷史性機(jī)遇，不僅要趕上美國(guó)，而且要超越美國(guó)。”

但Kania解釋說(shuō)，這更像是一場(chǎng)馬拉松而非短跑。美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院在最近的一份報(bào)告中也承認(rèn)了這一點(diǎn)，認(rèn)為制造出實(shí)用的通用量子計(jì)算機(jī)還需要10年以上的時(shí)間。工程師們還必須弄清楚如何構(gòu)建出由脆弱的量子位構(gòu)成的更大的、能在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定以執(zhí)行有用的計(jì)算的陣列。

不過(guò)，無(wú)論量子計(jì)算是否能夠不負(fù)人們的熱烈期待，它對(duì)國(guó)家安全和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位的可能影響已經(jīng)促使美國(guó)和中國(guó)采取行動(dòng)。

量子通信和量子加密的進(jìn)步可以產(chǎn)生理論上不可破解的網(wǎng)絡(luò)。量子雷達(dá)和傳感技術(shù)可以揭露隱形飛機(jī)和水下潛艇的位置。量子導(dǎo)航可以提供精確的地理定位能力，而無(wú)需依賴基于空間的GPS。這些影響會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出量子計(jì)算的影響。

去年9月，Kania與美國(guó)國(guó)土安全部的John Costello共同撰寫(xiě)了一份CNAS報(bào)告，其中列舉了在國(guó)家支持下中國(guó)的科研人員對(duì)這些量子技術(shù)所做的許多研究工作。

中國(guó)的國(guó)家抱負(fù)實(shí)現(xiàn)巨大飛躍

Kania說(shuō)，中國(guó)對(duì)量子技術(shù)的興趣與中國(guó)對(duì)美國(guó)在其境內(nèi)的情報(bào)能力和監(jiān)視活動(dòng)的擔(dān)憂是密切相關(guān)的。中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在2018年1月的新年致辭中強(qiáng)調(diào)了量子技術(shù)的戰(zhàn)略重要性，甚至特別提到了中國(guó)在量子計(jì)算方面取得的成功。

根據(jù)CNAS的報(bào)告，中國(guó)的科學(xué)家和工程師被描述為量子馬拉松的“相對(duì)后來(lái)者”，在發(fā)展量子科學(xué)和技術(shù)方面他們最近獲得了“幾乎無(wú)限的資源”。盡管缺乏有關(guān)中國(guó)為此類(lèi)努力提供的國(guó)家資助的詳細(xì)信，但Kania和Costello估計(jì)“最近和目前的資助金額將達(dá)到數(shù)十億美元。”

這種由國(guó)家支持的資助已經(jīng)轉(zhuǎn)化為一系列被廣泛報(bào)道的中國(guó)研究里程碑。2016年8月，中國(guó)發(fā)射了世界上第一顆量子衛(wèi)星，它作為空間與地球量子通信鏈路的測(cè)試平臺(tái)使用。中國(guó)還在2016年完成了一條用于地基量子網(wǎng)絡(luò)的連接北京和上海的2000公里的光纖骨干網(wǎng)。

中國(guó)研究人員繼續(xù)展示了幾項(xiàng)值得注意的早期工作，包括在2017年利用他們的衛(wèi)星來(lái)測(cè)試量子加密，并為通信中涉及的量子位之間的糾纏創(chuàng)造了距離記錄。

對(duì)中國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略的另一瞥來(lái)自量子雷達(dá)領(lǐng)域。2016年9月，中國(guó)研究人員報(bào)告了在開(kāi)發(fā)量子雷達(dá)方面的一項(xiàng)新紀(jì)錄，他們所開(kāi)發(fā)的量子雷達(dá)在探測(cè)100公里以外的目標(biāo)時(shí)提高了準(zhǔn)確度——據(jù)報(bào)道，其可探測(cè)的距離是一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)在2015年開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)室原型的5倍。中國(guó)研究人員表示，他們的下一個(gè)版本的量子雷達(dá)將能夠探測(cè)隱形轟炸機(jī)，并有可能追蹤彈道導(dǎo)彈。

芝加哥大學(xué)的自旋電子學(xué)和量子信息領(lǐng)域的教授David Awschalom說(shuō)：“中國(guó)已經(jīng)開(kāi)啟了一個(gè)極其雄心勃勃的計(jì)劃，歐洲、英國(guó)、澳大利亞和加拿大也是如此。 所有這些國(guó)家都有國(guó)家級(jí)計(jì)劃，所以現(xiàn)在美國(guó)也是時(shí)候這樣做了。”

美國(guó)裝配量子積木

Awschalom說(shuō)，其他地方的研究人員有時(shí)很難評(píng)估中國(guó)國(guó)家量子科技計(jì)劃的成就。但是美國(guó)的國(guó)家級(jí)計(jì)劃可以幫助美國(guó)在量子技術(shù)發(fā)展的所有領(lǐng)域保持競(jìng)爭(zhēng)力。例如，量子通信和傳感應(yīng)用可能在未來(lái)五年內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。

在這方面，美國(guó)已經(jīng)開(kāi)始建立中等距離的量子加密和通信網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)值得注意的例子是連接阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的那條48公里的量子網(wǎng)絡(luò)。這兩個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與芝加哥大學(xué)共同建立了由Awschalom指導(dǎo)的芝加哥量子交換（Chicago Quantum Exchange）合作項(xiàng)目。

去年12月，美國(guó)參眾兩院在兩黨支持下通過(guò)了《國(guó)家量子倡議法案》（National Quantum Initiative Act）。盡管?chē)@政府預(yù)算問(wèn)題的更廣泛政治斗爭(zhēng)給該法案蒙上了陰影，但該法案仍有可能進(jìn)一步推動(dòng)美國(guó)在發(fā)展量子技術(shù)上的努力。

美國(guó)國(guó)家量子倡議要求包括美國(guó)國(guó)家宇航局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所在內(nèi)的各個(gè)政府機(jī)構(gòu)為量子科學(xué)與技術(shù)制定發(fā)展路線圖。但這項(xiàng)計(jì)劃絕不僅僅是政府主導(dǎo)的努力。Awschalom將該倡議描述為是在美國(guó)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的支持下精心設(shè)計(jì)的。

這項(xiàng)國(guó)家計(jì)劃還賦予美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)能源部任務(wù)，它們各要建立兩個(gè)至五個(gè)致力于量子信息科學(xué)基礎(chǔ)研究和教育的中心。 

沖出實(shí)驗(yàn)室

Awschalom表示，讓公司的研究人員參與進(jìn)來(lái)，幫助將實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)和原型轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)，這一點(diǎn)尤其重要。他曾在IBM工作過(guò)，他觀察到硅谷最近對(duì)量子計(jì)算和相關(guān)技術(shù)的興趣，為公司支持的基礎(chǔ)研究工作帶來(lái)了健康的復(fù)興。

“IBM、Intel、Google和Microsoft——這四家主要的技術(shù)公司都在以深入而有意義的方式積極參與量子信息科學(xué)的發(fā)展?！盇wschalom說(shuō)。

發(fā)展人才對(duì)于任何從事量子研究的國(guó)家都是至關(guān)重要的。根據(jù)CNAS的報(bào)告，美國(guó)的國(guó)家級(jí)量子科技計(jì)劃可能有助于確?！耙回灪突镜馁Y金水平”，從而吸引和留住領(lǐng)先的研究人員。

該報(bào)告還建議美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)建立獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃，其承諾服務(wù)于鼓勵(lì)學(xué)生從事量子科學(xué)領(lǐng)域的職業(yè)。它同樣也建議建立一個(gè)美國(guó)國(guó)家量子科學(xué)和技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)資助長(zhǎng)期研究項(xiàng)目來(lái)促進(jìn)公私合作。

“我們的本科生和研究生不應(yīng)該都期望進(jìn)入學(xué)術(shù)界——他們應(yīng)該遍布全國(guó)的實(shí)驗(yàn)室和公司?！盇wschalom說(shuō)?！拔易约旱暮芏鄬W(xué)生都在IBM和Google工作，他們很喜歡他們的工作。”