IBM突然宣布!美国点名中国50多次!深圳正式布局!新工业革命即将引爆

2021-06-15 03:47:06 深圳梦

在人类发展的历史长河中,数次工业革命极大地改善了人类的生活、生产条件。第一次工业革命是以蒸汽机为引擎,第二次工业革命主要是以电力为能源的大规模生产模式,现在我们正处在信息革命中,晶体管是我们的引擎。尽管这次工业革命方兴未艾,但是下一次工业革命已经萌芽。

加州大学圣塔巴巴拉分校王正汉教授认为,这即将来临的工业革命将是以量子技术为基础,所以实际上量子计算机只是这次量子革命当中一个比较突出的技术而已。第一次量子革命是理论的建立,第二次量子革命将把量子理论转化为量子技术,从而释放出量子现象的潜能,指数级地改善计算速度、助推科学技术进步。

随着中美科技竞赛的加快,量子科技呈现出你追我赶的态势。IBM突然宣布:量子计算机将在三年左右实现。美国点名中国50多次,将影响未来几代人的《2021美国创新和竞争法》通过。美国甚至喊出:要么有一个由中国来决定5G、人工智能和量子计算的道路规则的世界,要么确保美国可以捷足先登。

中国科学院院士、中国科学院上海分院原院长,也是全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”常务副总设计师、卫星总指挥王建宇院士透露,“墨子号”量子科学实验卫星完成实验后,在国际上影响是比较大的,因为量子技术在欧盟、美国都是被列为国家科学发展、战略发展的前沿。特别是美国还专门召开了听证会讨论如何保证美国在量子技术国际竞争中的领导地位,他们的结论是美国绝对无法承受在量子技术革命中失败的代价。

幸运的是,深圳也在“十四五”规划中正式布局量子科技。

未来量子科技的创新趋势与产业化前景到底如何?

深圳梦特别推荐王建宇院士于2021年4月15日在深圳创新发展研究院、博研商学院、深圳企联共同主办的“科技创新院士报告厅”的首场主题演讲——《量子黑科技:创新趋势与产业化前景》。

本文值得你认真阅读。

IBM突然宣布:

量子计算机将在三年左右实现

近日,据日经网报道,IBM首席执行官 Arvind Krishna 在2021年世界数字峰会上突然宣布,量子计算机将在三年左右实现,并强调量子计算机将推动 AI 技术的普及。他预测,随着量子计算机的快速发展,“网络安全将成为近十年中必须面对的问题”。


这是IBM再次高调表示看好量子计算,并提出要因此重视量子计算发展带来的信息安全问题。根据IBM此前发布的路线图,预计2023年将实现超过1000位量子物理比特,能够稳定运行并且抗噪声的量子处理器,将量子计算机实现商业化;2025年,IBM会实现“无障碍量子计算”,所有开发人员都可以与量子计算平台合作,使量子计算可以与商业环境相融;最终通往百万量子比特以上级别的量子计算设备。

此外,谷歌量子 AI 首席工程师 Erik Lucero 曾表示,“世界范围内有能力的公司、研究机构应当加快量子计算机的研发进度。量子计算机可以帮助解决世界上许多最紧迫问题,比如开发可持续能源和减少排放以养活世界上不断增长的人口,还有测试新化学工艺和新材料将有助于加快研发储能更多的电池、无污染化肥和靶向药物,以及搭建和优化新的 AI 架构等。”

与此同时,据 Engadget 消息,谷歌有信心在 2029 年前制造出商用级量子计算机。谷歌 CEO Sundar Pichai 在最近的 I/O 会议上宣布了这一计划,量子 AI 首席工程师 Erik Lucero 在一篇博客文章中进一步概述了该公司的目标,即在十年内“构建一台实用的、纠错量子计算机”。

值得注意的是,谷歌还将建在加州圣巴巴拉新园区打造成一个量子人工智能中心,园区里将设有谷歌第一个量子数据中心、硬件研究实验室和谷歌自己的量子处理器芯片制造设施。

量子信息技术作为科技前沿的新赛道,我国近来在这方面动作频频。清华大学5月24日正式成立了量子信息班,培育未来的量子科技人才;5月19日国内首批量子通信行业标准正式实施。我国量子科技研究一直在稳步推进当中,但何时才能出现商用量子计算机呢?

5月26日,中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤在2021中国国际大数据产业博览会开幕式上发布主旨演讲时表示,“预计在未来10年,专用中等规模量子计算机将会首先出现,将在量子化学核材料模拟、量子机器学习等方面进一步展示量子计算机的优越性,在精准生物制药、新材料和特种材料设计、人工智能、博弈决策等方面发挥重要的作用。”

薛其坤表示,第一步得先在前10年完成专用计算机,如果量子晶体管的质量水平越来越高,就逐渐进入通用量子计算机研制的时代。薛其坤说:“我估计2035年将会是这个技术非常关键的一个发展时期。如果有了量子计算机,变成可以用的机器,我们再利用量子通讯,还有现代的互联网技术,把我们现在的网络变成一个量子互联网,全球互联网时代,这也是未来可期的一个方向。”

美国点名中国50多次!将影响未来几代人的《2021美国创新和竞争法》通过

当地时间6月8日,美国国会参议院通过一项法案,该法案旨在向美国技术、科学和研究领域投资逾2000亿美元,以“对抗”中国日益增长的影响力。

据美国有线电视新闻网(CNN)8日报道,该法案被称为《2021美国创新和竞争法》(US Innovation and Competition Act 2021),美国国会参议院于8日以68票赞成、32票反对的结果通过了该法案。据悉,该法案旨在在多个方面“对抗”来自中国的影响,将“推动”美国的创新领域并为未来几代人保持“竞争优势”,其中量子科技也备受关注!

美国:要么有一个由中国来决定5G、

人工智能和量子计算的道路规则的世界,

要么确保美国可以捷足先登

2021年4月20日,美国参议院多数党领袖查尔斯·舒默(Charles Ellis "Chuck" Schumer)与共和党参议员托德·扬 Todd Young 共同提出《无尽前沿法案》(Endless Frontier Act of 2021),送交参议院商务、科学与交通委员会讨论。5月12日,该委员会以24票赞成、4票反对的表决结果,通过了《无尽前沿法案》修订案,提交参议院全体讨论。该法案提出把国家科学基金会(National Science Foundation)改为国家科学技术基金会,并在基金会下面增设一个类似美国国防高级研究计划局(DARPA)权限的技术理事会。该法案5年计划拨款1100亿美元,主要内容为:

其中1000亿美元——用于未来5年内投资人工智能、半导体、量子计算、先进通信、生物技术和先进能源等关键技术领域的基础和高级研究、商业化以及教育和培训计划;
另外100亿美元用于至少10个地区技术中心,并制定供应链危机响应计划,以解决半导体芯片短缺等影响汽车生产的问题。

舒默表示:这项法案将会让美国击败中国等国家。他对外说到:“我们要么有一个由中国来决定5G、人工智能和量子计算的道路规则的世界,要么我们确保美国可以捷足先登。”美国总统拜登明确表示支持这项法案,称这是“确保美国在21世纪保持全球竞争力的重要一步”。(来源:互联网思想)

深圳正式布局量子科技

6月9日,《深圳市国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》(下称《规划纲要》)全文正式发布,展开事关深圳未来5年发展的宏伟蓝图。

值得注意的是,《规划纲要》中特别提到要推进量子国家实验室基地建设。关键核心技术攻关重点领域中特别列出量子信息:重点围绕未来信息材料、量子计算和模拟、量子精密测量和量子工程应用等领域开展关键技术攻关。

关于量子科技,在今年深圳两会上也一度成为热议词。

深圳市政协委员、中国科学院院士、南方科技大学量子科学与工程研究院院长俞大鹏所在的深圳量子科学与工程研究院是深圳市“十大基础研究机构”之一,是依托南方科技大学进行建设,围绕量子物态、量子计算等方向攻坚克难。他在两会期间就透露:“为了使量子(力学)计算机不再神秘,必须从娃娃抓起,我们为明天的科学家、工程师量身打造了科普教育型台式量子计算机,争取全国1/4的重点中学、1/3的大学现代物理实验用上深圳产的台式量子计算机。”

王建宇:量子科技的创新趋势与产业化前景

编者按:2021年4月15日上午,深圳创新发展研究院、博研商学院、深圳企联共同主办的“科技创新院士报告厅”正式启动。作为科技创新院士报告厅的首秀,邀请到中国科学院院士、中国科学院上海分院原院长王建宇,作为全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”常务副总设计师、卫星总指挥,王建宇院士围绕“量子黑科技:创新趋势与产业化前景”做了主题演讲。

以下内容根据王建宇院士演讲记录整理,未经讲者本人审阅。

量子科技的创新趋势与产业化前景

非常高兴来到科技创新院士报告厅和大家进行这么一场交流。我来分享一下大家比较关心的话题:“墨子号”到底是做什么的,量子技术发展会给我们带来什么。

神秘的量子世界和光子的特性

首先给大家讲一讲量子到底是什么。这个概念对于学物理的老师来说可能不太困难,但对于大众来说确实有点考脑子。二十世纪物理学有两大非常重要的发现:一个是大家比较熟悉的爱因斯坦相对论,另一个是科学家普朗克1900年提出的量子论。这两个发现都很伟大,其中和我们生活更加密切相关的是量子论。因为没有量子力学、没有量子论的发现就没有我们现在的集成电路、半导体工业,大家手上的手机也通通没有了。当然,大家相对熟悉的爱因斯坦也是量子领域的奠基人之一,他的第一个诺贝尔奖就和量子有关,他发现了光电效应。

▲ 1927年索尔维会议照片(彩色为后期技术处理)

这张照片是1927年布鲁塞尔第五次索尔莫会议的合影,这是一张传说中集中了地球上1/3智慧的照片。上世纪20、30年代对物理学进步作出巨大贡献的科学家都在这个照片里。这个会议为量子力学的发展奠定了基础。

量子力学这么早就奠定了基础,为什么今天又重新提出来?因为在量子力学的基础上又发展出了量子信息学,具体包括三个应用方向:第一是量子通信;第二是量子计算,我认为这比量子通信更神奇,甚至觉得这个有可能成为今后颠覆世界的一项技术,就是用量子的方法替代传统的计算。第三是量子精密测量,测量作为最基础的方法,原来很多是用机械的方法,现在很多是用电子的方法,而今后要用量子的方法来测量。

这三大内容,原来由于对量子世界的认知有局限性,不能很清楚地认知。经过了一百年左右的努力后,现在不仅能够清楚地认知了,而且可以去控制它、使用它。

下面要介绍一些量子力学的基本概念,要马上理解它或者弄懂它可能比较困难。在量子力学中,科学家一开始提出了波粒二象性。中学生物理学第一课是牛顿力学,讲的是粒子间有距离、有加速度等,这个速度、位置就相当于一个粒子的特性。这个特性与宏观世界里绳子一甩一个波出去了,或者扔一个石头水里面有波了,好像毫无关系。但是科学家后来发现,在量子力学里,两种特质在一个微观粒子上会同时出现,既有粒子性又有波动性,两者融为一体会有很多奇奇怪怪的事情出现了。这是量子力学中的一个重要概念。

第二个概念是所谓的量子比特。在计算机的世界里,0就是0,1就是1,这两个是完全对立的东西。而在量子力学里不是这回事,0和1是可以同时存在,是叠加的。比如说到量子猫,外国人说猫到底是活的还是死的是不确定的。这就是经典比特和量子比特的区别,用严谨的话来说,量子比特是一种概念性的存在。

外国人有时候挺幽默的,民众问科学家量子猫到底怎么回事?他说我做一个实验给你看,我把一个猫关在一个笼子里,笼子里做一个装置,放一个放射性的物质。对于放射性物质的半衰期是确定的,但是什么时候放出一个粒子出来你是不知道的,是随机的。笼子里那个装置的作用在于,如果在一定的时间里有粒子衰减,装置可以探测到释放出的毒气,有毒气出来猫就会被毒死。

安装了这么一个装置的笼子把门一关,就问你了,这里面的猫是死的还是活的?我们肯定回答不出来,因为某种概率放出来猫是死的,不然就是活的。此时关着门的这个状态就非常形象地说明了量子现象,要知道它的结果必须把门打开。但一旦把门打开就把原来这个状态破坏掉了,就是我们说的从量子态到经典态。

这个例子确实表现的是比较外国的思维,用中国人的思维举例也是可以的。比如转硬币,转动结束时朝上一面是国徽还是字?那么一定有一半的人回答正确,一半的人回答错误。但是如果转动100次,几次是字几次是国徽呢?这两种情况比较形象地描绘了量子态,这个状态在不测量的时候你是不知道的,而一旦测量就从所谓的量子态退回到经典态,所以量子态不容易测量,一测就变。

这会引起另外一个结果,就是量子状态是不可测的,或者说量子是不可克隆的。我们在用微信发消息时,很多的信息都是拷贝的。但在量子世界里是不能拷贝的,一旦拷贝必定有一部分是错误的。以前深圳电视台放过一个“拷贝不走样”的节目,一排人依次传话,传到最后都面目全非了,有点像这个状态。

很多人会问,量子世界你们说得那么神奇我们为什么看不到?物理学家说因为这存在于微观世界,所以在宏观世界你是看不到的。有人追问,那什么是微观世界?什么是宏观世界?他们的分界线在什么地方?我今天可以告诉大家,没有一个物理学家能够把这个问题回答得好。但是微观世界这些奇奇怪怪的现象实际上我们都已经在应用了,我们的集成电路很多用了这个原理来进行计算,所以量子世界确实是存在的。

中科院先导项目

——量子科学实验卫星“墨子号”

接下来要讲的是“墨子号”。在此我要纠正一下,很多人叫做量子通信卫星,泛泛来说是对的,严格来说是不对的。因为我们发射的是一颗量子科学实验卫星。两者之间有什么区别呢?如果是一个量子通信卫星,应该是一个实用化的卫星,要承担量子通信的任务。而“墨子号”要进行的是科学实验,有几大任务,主要是验证物理学上的一些原理。

这得到了中国科学院空间科学先导专项的支持,我们当时发射了四颗卫星,“墨子号”是其中一颗。主要将当年量子物理学家潘建伟院士的一些想法,通过这个卫星在天地一体的范围里面实现。比较形象地说,就是建立一个几千公里范畴的大实验室,潘院士通过这个实验室完成他的科学实验。

“墨子号”的任务包括三方面。第一,要进行星-地量子密钥的分发实验。很多人认为现代科技发展很快,以前是电的通信,后来又出现光的通信,光的通信集成电路已经发展得很好了,现在互联网又这么发达,量子通信是不是比光通信还要先进,将来要把光通信替代掉?这个想法是不对的,量子通信是现代通信手段的一种补充,在通信当中只产生密钥作为保密的保障。

和我同龄的人应该都知道文化大革命的样板戏《红灯记》,当时我们没戏看,就看《红灯记》那样的八大样板戏,故事里面被抢来抢去的就是密电码,游击队在传送的过程中日本鬼子要截取它。这就表示密码是通信保密的手段,对方一定会截取,而最容易截取的环节一定发生在传输过程中。

现代的密码也是这样,用再好的计算机产生出来的密码,一定要比对方强。这种对传送过程的要求,无论是对于现代传输手段,还是经典的人传都是一样的。现在我们国家很多战区的密码传输方式要更换了,有时候还是一个人拎着一个密码箱,将硬盘送过去的。

物理学家利用了量子的方法,创造了一种在传递过程当中不可破译的密码。我们说世界上没有绝对的事情,有一定道理。因为如果在使用密码的地方碰到间谍,他把这个密码窃取了,这就不是物理技术能够保障的范围了。但是在传输的过程中确实是不可破译的,因为一旦有人窃听,马上就会知道。怎么能够做到这样,我用比较通俗的方法给大家做一个简单的介绍。这里要说明一下,因为我是做工程的,介绍这些内容时可能不太严密,如果请潘建伟院士讲就不会这么讲,因为物理学家的每一句话都是要很严谨的。

前面我介绍了量子的两个重要特征,一个是波粒二象性,另一个是不确定性。这里再补充一个非常重要的特征,即世界万物分到最后,必定一个最小的单元是不能分割的,就是“量子不可分”。这好像和毛主席说的“世界万物可分”的哲学原理有点不一样,我当时也感到挺疑惑,到底哪个是对的呢?仔细想想哪个都没错,比如水,分到最后,问最好的化学家能不能分出半个水分子,他确实怎么都没有办法了。但是从物质的范围内,可以分出一个氧原子和两个氢原子。因此从唯物主义辩证角度来看,上述两种说法都是对的。

在这些原理的基础上,我们来看传输过程中不可破译的密码。举一个例子,我现在生产一批密码,这批密码用光来做。光分到最后,是一颗颗光子,因为有波粒二象性,既有运动的特性,还有波动的特性。波有不同的形态,用学术名词来说叫作点阵,运用这个可以把信息调制在光子的振动方向上。一堆光子过去以后,如果密码接收方有能力把光子的振动测出来,他就可以得到和我一样的信息。比如我发1万个光子过去,发的过程当中对方不可能将这1万个光子全部接受,可能接收了1千个。这时只要告诉我,1万个里面哪几个收到了,我就知道,这些可以拿出来做密码。

这个时候有人说,我可以来截取,你发了1万个,密码接收方收了1千个,我可以拿到2千、3千个。那么此时他拿到这2、3千个有没有用?按照量子的第一个原理,截取的单光子不可分割。对于密码接收方拿到的1千个光子,再有本事的人也不可能再拿到,拿到的也已经不是这个东西,是另外的东西,所以截取是没用的。

现代通讯手段里,很多密码都是可拷贝的。一个信息在传输过程中,既让你收到,中间又被偷出去让他收到,才会泄密的。而一个光子只有一个方向,如果你拿到了,别人就拿不到了。这就是所谓被窃取的光子不产生密钥,量子的不可分割性原理从中发挥了作用。

对此,物理学家提出要找漏洞。提出假如有人有办法把所有发出的光子都收走,再拷贝一份给我,那么所有的密码我就都有了。这个方法行不行?对于第一个漏洞,窃听方法“复制”以后再分发,这里要运用量子力学的第二个原理,单光子不可克隆。

具体来说,光子被测量一次再拷贝出来制造一批的话,一定有25%的概率是错的。所以如果收到1千个光子,拿出100个来对一下,全都对得上的话,说明传输过程肯定没问题。如果发现有一个错的,那有可能是信道当中的误差产生的错误。如果有10个、20个是错的,就要考虑是不是传输过程中就有人在窃听了,窃听以后拷贝再分发给我的。量子的第二个原理决定了被复制的光子不产生密钥,只要发现被窃听复制的密码就不能用了,一定要用没有错的。

只要满足上述两个条件,就说明我们产生出来的密码别人一定是没有窃听过的。或者说一旦有人窃听,我们一定是知道的。所以说绝对安全的密码分发是可以实现的。

物理学家又进一步研究了很多,什么东西有漏洞、什么东西有缺陷,有可能还会被别人攻击,不断用新的方法解密。但是“墨子号”现在要做的第一个任务就是,把密钥分发送到天上去。

有人会问通信现在很多都是用光纤的,你们为什么要那么麻烦弄到卫星上去,又花钱又不可靠?因为在地面所有的网络里面,光子在光纤里面走是有损耗的,超过100公里以后它损耗往往是不能承担的,有很多科学的制约。科学家后来发现,只要通过卫星直接分发,衰减会非常小,可以把密钥发送到全世界各地。

我简要解释一下背后的道理。比如卫星飞过地面站G1,可以产生密钥K1,飞到地面站G2,可以产生密钥K2。如果我们希望地面站1和2有同样一把钥匙,应该怎么做呢?假定把这两把钥匙从数学上做一个异或,相同的是1,不相同的是0。把这个异或的结果从卫星发到地面上,别人拿去是没有用的,他们解不出这把钥匙。地面站2有一个K2的钥匙,做了一个反异或,一定可以得到K1。这样就可以实现全球密钥的分发,也就是“墨子号”的第一个任务,天地能不能行。

“墨子号”的第二个任务是所谓的纠缠分发。前面说过一个量子不去测量就不知道它的状态,但是量子力学在推导的过程当中又发生了非常怪异的现象:某种特殊的状态下,一对粒子中一个被测量以后,另外一个立马退出状态。这好像和前面讲的量子力学的不可测量、不可克隆的理论不太一样,这是量子力学理论中的两光子极化纠缠态,背后的原理就很复杂了。

对于这个问题,爱因斯坦觉得不可思议,他说这是遥远地点之间诡异的互动,不可能。爱因斯坦认为,对于一个粒子的测量不可能对另外一个粒子产生影响,这一定是量子力学不完备,在某一个起点上出现了一些问题,他们这一派称之为相对论的定域性。另外一派是哥本哈根学派,他们认为量子力学的理论是完备的,所谓的一个粒子测量会瞬间改变另外一个粒子的状态,这种现象一定是存在的。两大派的科学家争了很多年,爱因斯坦当时还专门写了一篇论文“量子力学是完备的吗?”,登载的杂志PhysicalReview,现在还在,很有名。

物理学上解决这一争论的办法是做实验。1964年,有一个科学家推导出一个公式,叫Bell不等式。他说用经典的方法算,结果永远≤2,但是用量子力学的方法算,最大可以到2。那么能不能做一个实验,如果实验结果永远≤2,就说明上述现象不存在,如果实验结果做到2-2之间了,则很大概率说明这种现象存在。因为技术的原因,这个实验一直到1972年才有人在实验室里做。

反对派对在实验室里进行实验表示反对,原因是在实验室里这么近的距离测量,测量的误差可以让信息以光的速度从一个传到另外一个去了,影响测量结果。后来有了一个类空间隔,这两个粒子测量的时间差不会超过光从这一点传到那一点的时间。这样一来,很多科学家提出,到底验证多长的距离里面这种现象是存在的?在地面当时最远的距离,是潘建伟院士和我们一起做的,在青海做了100公里的实验。而借助卫星可以做到1000公里,所以“墨子号”的第二个任务就是通过卫星来看看1000公里量子纠缠这种现象还存不存在。

“墨子号”的第三个任务是地-星量子隐形传态实验。前面讲过量子不可克隆,就是说这个信息是孤立的,不可能传出去,一传出去就会错。物理学家认为这不可能,微观世界或者量子世界一定有它自己信息传递的方式。对于这个疑问,一直到上世纪90年代,奥地利的一位科学家,也是潘建伟院士的导师团队,他们提出了一种所谓隐形传态的概念,他们认为如果这种纠缠是存在的,就可以借助这种纠缠把信息传出去。

我尽量用比较通俗的语言把这个原理解释一下。比如我有一个东西X要传到卫星上去,我先在这里生产一个A和B的纠缠堆,X想办法和A做一个物理学上的联合波尔测量。前面讲过量子一旦被测量,测量结果是在的。但现在A和B是纠缠的,所以和A的测量视同和B的测量。所以在测量发生时,量子态被瞬时的、非局域的、不可逆的传送到纠缠粒子B上,而自身量子态随机塌缩到四个Bell态之一,也就是说X和A都没有了。这个时候将粒子X的测量结果通过经典信道传递广播,接收端根据测量结果对粒子B进行相应幺正变换从而得到量子X的状态,就是说把B变回到X去。他们说用这种方法可以把量子世界里面的内容传出去,这和拷贝有重大的区别,因为用这种方法传出去以后原来的这个东西就没了。这也是物理学家上世纪非常伟大的发现,这个成果在Nature发表以后,位列和爱因斯坦相对论、居里夫人发现X射线等同样重要的20几个百年经典的理论之一。

我们在地面已经做成这样的实验,那么能不能通过卫星把地面的量子信息发到卫星上去,现在是1千公里距离的实验,以后可能还要做到1万公里。这就是“墨子号”第三个任务,地-星量子的隐形传态。

具体来说,就是组成一个天地大系统,我们在常规卫星上面增加了一个应用系统,做出来以后让科学家去用。在中国做这个实验很有利,因为得到了国家的支持、中国科学院的支持。所以做这个实验虽然有很大的风险,我们也要做,但是要尽可能节约国家的钱,因此我们采用的是600多公斤的小卫星做的。这在技术难度上比较大,但是我们克服了困难,在较低的成本下做了这个实验。

我们设了五个地面系统,其中大部分的地面系统放在西部。因为做这个事情最怕的是大气干扰,所以尽量找干扰小一点的,西部的大气比较好。

实验过程中最困难的是从地面发信息到上面去,就是隐形传态。打个比喻来说,就像一个毛玻璃,把毛玻璃放在字前面可能看出来,但是把毛玻璃放在眼睛前面就什么都看不出来了。我们的一个地面系统在西藏的阿里,海拔将近5千公里,这种自然条件一般人是受不住的,当时我们一个老师带着一队研究生在上面工作了很长时间。

“墨子号”是在2016年8月16日发射的,2017年1月18日正式交付。现在这颗卫星还在继续工作,虽然卫星的寿命是2年,但是做了3年的延寿,让科学家可以做很多的实验。

“墨子号”运行情况、实验结果

和国际国内反响

那么卫星发射上去以后运行情况怎么样?国际国内有什么样的反响?先给大家说一个插曲,我们这颗卫星的学名是“量子科学实验卫星”,通俗的名字是“墨子号”。这背后有一个故事,当时我们中国科学院做了四颗科学实验卫星,其中第一颗很神奇,是探索寻找暗物质。因为在这个宇宙上,我们能看到的只有大约5%,还有95%是以暗物质、暗能量的形式存在的,这是宇宙大爆炸理论探索出来的。现在有另外一个非常热的分支,就是引力波测量。如果引力波像电子波一样应用了,我们就能够找到暗物质和暗能量,这第一颗卫星就是探索有没有暗物质。这颗卫星是比我们早一点发射的,当时全国进行征名,最后起了一个名字叫“悟空号”,这个名字对它很贴切,“悟”在汉语里有参悟、理解的意思,“空”是空间,探索暗物质就是参悟、理解空间,而且“悟空”这个名字家喻户晓。

到我们这颗卫星就有一点小尴尬了,我们该取什么名字?要不要也征一个名,期间有人开玩笑说,不用征名了,那颗老大(悟空)这颗老二(八戒),这当然不可能了。后来潘建伟院士说,我们不要争了,我提议叫“墨子号”,墨子是中国四大圣人,他更偏于技术,墨家在古代都是能工巧匠。而且我们在《墨经》里面找到一段话“景,光之人,煦若射。下者之人也高,高者之人也下。”这描述的就是小孔成像的原理,全世界第一次有文字记录这一原理的就是《墨经》。所以墨子不仅仅是一个哲学家,还是一个科学家,也是我们做光学的祖宗,为了纪念他我们起名为“墨子号”。

“墨子号”的所有实验我们不到6个月就做完了,第一篇论文是2017年6月发表在Science上面的,封面文章《1200公里的纠缠分发》。2018年的时候,潘建伟院士打电话给说我们得了一个大奖,就是Science的最佳论文奖。他看我没有什么反应,说Science一年只评1篇最佳论文,而且这个评审不是我们自己申报的,是全世界科学家评审的,叫克利夫兰奖。从历史上看,评上克利夫兰奖的作者有很大比例最后都得了诺贝尔奖。这样一说这个奖的含金量就比较高了。可以说“墨子号”第二个实验纠缠分发得到了国际上非常好的承认和荣誉。

还有两个实验,密钥分发和量子隐形传态,相关的两篇文章我们是在2017年8月份发表在Nature杂志上的。Science、Nature是美国、英国,两大巨头科学类杂志。原来Science不太愿意发表潘建伟院士的研究,所以当时基本上都发表在Nature上。但是这一次Science一反常态,非常积极,一个月就给了我们论文的通知,而Nature审了很长的时间。后来我们知道,因为Science审我们纠缠分发实验的人本身也在做这个,他们发现你们做这个以后,正好利用这么好的机会从头到尾好好问,那时候必须把各种问题回答他,所以他们后来就发表了。Nature方面我们也有一个突破性的成果,一个团队一次登两篇文章,以前也是没有的。

“墨子号”三大实验任务我们到这个时候就非常完美地完成了,这里我给大家简单分享一些结果。这张图片是我们在北京兴隆站做的实验,绿色的就是我们的卫星,红色的是地面,这个是信道光,这是看热闹的,门道不在这里,门道在光里面,真正通信用的光子是看不到的。

这是新疆南山站建立的台站,这个拍得好像是白天一样,我们相机曝光的时间很长,所以满天的星斗都看得很清楚。能够看到卫星从这个方向出来移过去,移了很长时间。

这是我们在第三个站丽江站做的实验,下面是一个镇。这里会发现一个现象,前两张照片可以看到,尽管时间很短,但红的非常明显,而第三张红光不太能够看得出来,什么原因造成的?其实是大气的差别。看到红光不是好事,因为大气污染比较严重的情况下,光打上去以后很多被大气反射回来,才会看到这个东西。如果大气很干净的话,打上去的光是看不见的,这背后是物理学上的“后向反射”原理。三张照片的差别间接印证了丽江的大气非常好。

这张照片拍摄于乌鲁木齐南山,多张照片合成了卫星过境的全貌。

完成了三大实验后,2017年9月份还专门通过“墨子号”量子科学实验卫星进行了洲际的量子密钥分发。当时中国科学院的白春礼院长和奥地利科学院院长安东·塞林格进行了世界首次洲际量子保密通信视频通话,在世界上第一次实现了洲际的量子保密通信。

做这个实验,如果光自己做,外部的人不会太信,会质疑中国的水平怎么一下子这么高了,所以我们开展了很多的国际合作。只要他们地面站能建好,我们的卫星就给他们通信,这也证明了我们是开放的。但这也是有前后顺序的,等三个实验都完成了、论文都发表了的时候,我们才开放,再面向国际合作,因为科学只有第一没有第二。

“墨子号”量子科学实验卫星完成实验后,在国际上影响是比较大的,因为量子技术在欧盟、美国都是被列为国家科学发展、战略发展的前沿。特别是美国还专门召开了听证会讨论如何保证美国在量子技术国际竞争中的领导地位,他们的结论是美国绝对无法承受在量子技术革命中失败的代价。据说听证会上有一个研究量子非常有名的科学家,这个时候直接指责国会,说几年前就提醒过你们要在这方面投钱,因为中国已经开始做了,但当时你们认为中国肯定做不成,结果到了现在,中国的技术已经超越了我们。他后面有一句话非常有意思,他说,不要紧的,我们美国也曾经被苏联超越了,但是我们美国人只要认真了,我们一定是世界第一,我们会抢回来的,只要你投钱。

从“墨子号”的成功中国高技术

如何从跟踪到引领

下面我要分享的是为什么中国能够完成这么一个高技术的实验,我从四个方面来讲“墨子号”成功的基础:

第一,中国航天技术和空间激光技术已经有长足的进步,航天器发射的数量居国际第二。就是说中国在做卫星、做激光这两个领域已经有很好的基础了。

我们回顾一下1957年的第一颗人造卫星,这对美国来说是一个耻辱,因为被苏联抢在他们前面了。并不是说美国不努力在做,而是航天的风险确实很大,美国第一颗卫星发射的时候没有成功,所以当时苏联人抢先发射了。美国在不久后的1958年1月份就发射成功了,我们中国那时候差距比较大,到1970年4月才成功发射第一颗卫星。

现在我们的技术上已经和国际上最先进的技术基本上并驾齐驱了,比如我们载人航天天地往返能力、在轨控制能力、人类的空间生存能力,探月工程超远距离的测控能力、球外形体卫星的控制能力,还有高分辨率对地观测能力、卫星的长寿命能力等。

中国到现在为止在航天上是世界老二,老大还是美国,我们可以说是航天大国,但绝对不是航天强国,因为其中原创的东西,最新的概念还是美国强。而对于“墨子号”我们中国比较自豪,因为从原理到最终都是我们自己做的。

我今天非常高兴到深圳来,因为深圳的创新思想是全国最领先的。在座的g朋友中,关注航天的人可能知道,现在最热的就是马斯克的星链计划,他号称要发几万颗卫星到天上去,而且最早提出要做火箭回收。大家最早笑话他,现在人家成功了,有人又说这个也不难,别人也可以做,但是谁先提出来、先做到还是完全不一样的。再比如激光器是美国1960年制成的,虽然中国在1961年8月份也做出来了,但是第一和第二有本质的区别。

第二,多年的开放,为科学家的原创提供了条件,为“墨子号”注入了灵魂。“墨子号”如果没有像潘建伟院士这样的科学家从国外回来,没有他的思想是难以成功的。

当时我们在青海湖和地面做了大量的实验,验证是可以上去的,同时当时也产生了很多科学产出。我们中国人本事挺大的,给一点钱可以用土办法来验证。最难的是当时在地面本来是在实验室做的实验,但现在要到卫星上去做。卫星是运动的,而且飞行速度这么快怎么办?当时我们想在天上找一个动的东西,最早想到飞机,后来想不太可能。后来我们说能不能用热气球做,这是很土的办法,但是成功了,我们做了一个全国最大的热气球在上面完成了实验。我们最早还利用吊车做了各种各样的实验。所以说有时候技术的创新不一定要花很多的钱,要想办法。

第三,多学科融合交叉、强强融合,是量子卫星在空间光电技术上的主要进步。因为很多的科学实验不是一个人能够做成的,虽然说科学家最主要的是智商,智商低的人肯定做不了科学家,但是大工程做到后面情商比智商更重要。一个人很有智商,不能和别人合作,事情就做不成。

我开玩笑说“墨子号”可能是五分技术、五分管理。这里面有很多的难题,比如这不是一家能够完成的,要发射,要卫星平台,要做纠缠源,要天地对接。举例来说,卫星发射出去后,因为是低空绕着地球转的,离地面大概是1千公里,飞行的速度是每秒7公里多,不到8公里。这个时候最难的是能不能找到它,我们最怕的是卫星上去以后找不到了,那就什么都没有了。

这种事情不是没有发生过,确实发生过,发生过两件事情。第一件事情,美国在2000年发射全世界第一颗激光卫星,但是发射之后就找不到了。我们国家曾经也发生过在海洋上发射的卫星一开始找不到,后来通过天文台站突然看到一个信号兴奋得不得了,成功找到了。所以说找不到是最让人担心的,人不怕一万就怕万一,所以我们花的力气很大,要抓得住,跟得牢,打得准。

关于抓得住,还有一个故事。潘建伟院士当时跟我们一起做的时候,他建议不要全部自己做,有些部分可以引进。我们知道从美国引进肯定不可能了,就找到了欧洲几家公司,他们说了三句话给我印象非常深。第一句话,你们找我们肯定是对的,我们是这项技术全世界做得最强的,别的地方达不到你们要的这个质量。第二句话,你们有多少钱?卖最高技术给你们肯定很贵。如果他们就说这两句,我和潘院士就答应了,只需要回来找钱,因为国家给我们的预算是有限的。但他们又说了第三句,这个技术不可能卖给中国。听了第三句我们就死心了,决定回来自己做。我们做完以后,这项技术指标在全世界是最好的。可以说不被逼到死胡同上是做不出这个东西的。

其实观测卫星的原理非常简单。我们天文观测的水平是非常高的,用1米多的望远镜,可以说你想看什么都可以看到。卫星在天上飞,我们测控的精度是百米。所以时间的进度很重要,我们在一个地方等着,卫星一定会从头顶上飞过。

所以只要我们在下面打一束光,让这个光在天上有1公里范围的大小,确保卫星一定会飞过这1公里范围。卫星一飞过,我们就探测到了,天上马上反打一个光过来,两边就连住了。连住了以后,我们再启动一套非常高精度的跟踪系统,我们的精度指标是0.7个角秒,最后可以做到0.02个角秒,这是技术最高之一。所以技术上要敢去做,敢去做才能够做到。另外,我们这个光要发射得很窄,因为光越小越好,我们这个光束也是全世界做得最窄的。

我们还有一个技术叫做天地链路偏振态保持,这么高精度的东西受不得振动,所以在卫星上怎么样把它控制住?我们发现卫星上的环境尽管比我们下面汽车要好多了,但不让它振是不可能的,唯一的办法是根据它的振动把它进行矫正。我们现在跟踪的技术非常高,全部做到了。

我们拥有的下一个技术叫做单光子接收的技术。天上的密钥是一个个光子,就是一个黄绿颜色的灯或者是一个个波长。1瓦的灯泡每秒钟发出来的光子是10的18次方,这个能量非常小,我们怎么把它测试出来?讲得通俗一点,就是假如说我坐在一个万米高空的飞机上,向下面扔硬币,这个硬币要扔到下面一个储蓄盒里面,储蓄盒的投币口是细长的,而且我们做这个实验不是扔一个,要同时扔两个方向都准了,才能开始做这个。举这个例子后大家也能感受到这个难度。

探测一个光子的灵敏度要达到什么程度呢?我们地面站现在大概是1米的望远镜,这个望远镜可以看到的灵敏度相当于,如果月球上有人有空气,上面有人划一个火柴都能够发现。

第四,中国的科研组织和管理模式,为“墨子号”的成功发射提供了强有力的保障。我们国家的体制促成了我们的成功,整个实验不是由一家单位就能做成的,做这个很强的最主要的单位都参与了,是一个国家系统工程,是一种高科技的比拼。当然对我们来做还是一种对科学的追求,因为这个东西失败的概率很大,做的时候很痛苦,也要有对未知探索的精神才能做成。

对中国式的科技创新,我总结了几点:

第一,我们觉得原创的科学思想是灵魂。没有原创的思想、没有原始的创新就没有这样的成果。

第二,还是要感谢管理层的快速决策。一般如果管理层为了让自己没有责任,不汇报就能让这个事情做不成了。而对于科学领域,要想让什么事情做不成,就不断地论证,科学家不断提出质疑,来说明这个事情有风险。但当时我们中国科学院就决定了要做,有问题后面再说。

第三,兵团式的多团队联合。也就是我刚刚说的不是一个人做的,是一个团队,这跟做企业也是一样的。为什么很多科学家有很多的发明,但是做不到,因为他老盯着自己的事情。专业的人做专业的事情,科学家做科学家的事情,工程师做工程的事情。

第四,科学团队和工程团队的交叉融合,1+1>2。这里有一个故事来说明这个结论。载人航天器里搭载了很多科学家的成果,过两天就要发射了。这时有科学家提出说,领导,我昨天晚上想到了半夜,想出来比现在还要好的办法,能不能帮我们改一改?工程师说,对不起,现在不能动了,如果动一个东西可能把全局搞坏了。这个故事说的就是科学家和工程师怎么融合,把这个事情做成非常重要。

除了上面总结的四点之外,从长远发展来说还有四方面需要注意:

第一,长期支持,有所为有所不为。这个事情我们做成了,其中有我们的能力,也不排除运气比较好,这和量子一样,也是有概率的。运气不好都变成0了,现在都是1。所以希望有长期的支持,希望国家在后面还要支持我们做更高精的东西。

第二,要有宽容失败的文化。这一点是最难的。我们争取做这些事情的过程中,全国有那么多的科学家、那么多的idea,最后国家就选了你。然后你做了三、五年以后,说对不起我什么都没有成功,再给我一次机会。理论上是可以的,实际上却是不可能的。但我们整体还是要有一种宽容失败的文化,来确保创新的能力。

第三,多元化评价体系。不同的人有不同的评价体系,实现人才互补。

第四,在破坏性创新中发展高技术,才能从跟踪到引领。

下面介绍的内容是我们在量子通信如何往应用上推进。比如做一些低轨的密钥的分发,然后在国家的支持下做一些高轨的高精尖的研发。最近我发现一个很有意思的事,我发现商业的航天非常热门,很多的资本都往这个方向去。我本来觉得航天是一件风险非常大,收益不可期待的一件事情。但是现在企业家的眼光比我们更远,觉得都可以投资,好多都已经投到这个上面去了。

在这里面也有一些产业化的东西,比如以后天上有上万颗卫星,生产卫星就跟生产小汽车一样,可能达到一天产出几颗卫星这种速度了。上万颗卫星,我不要求每一颗卫星都不坏,坏就坏了,1万颗卫星上面坏了10颗没有问题。

现在做卫星还不行,开始做的时候老是盯你的进度,必须什么时候发上去,符合“五年计划”的安排等等。到最后一年一直跟我说,你要确保成功,这个国际影响力太大,万一不成功不好交代。我觉得成功虽然是第一位的,但催赶进度是不科学的,我该做出来就做出来了,可靠性的问题是靠平时积累的,不是最后一年努力就可以把可靠性提高的。

以后还是要做成小型化的,卫星也是一样。“墨子号”已经花了国家大概20亿,这个花费在算是很低的,但是要做商业应用这个价格还是很高的,还要把它再往下降。

现在的卫星是白天、下雨天运行,或者是工作时间很短,我们要实现全天24小时量级,这样才能真正让大家用起来。这最快可能到2025年会有类似的卫星,小卫星这两年就有了,大的、高轨的卫星可能要再过四、五年。

拥有了量子技术,

人类生活方式会有怎样的改变

下面和大家分享一下拥有了量子技术,人类生活方式会有怎样的改变?前面提到了量子通信,以后还会有什么样的改变呢?

量子力学是物理学四大基础理论之一。上个世纪20年代以后,量子力学已经渗透到各个领域和学科,比如半导体物理、量子化学,量子生物学,在很多地方都会起作用。这里我举几个比较容易理解的例子。

第一个例子是基于原子干涉的量子陀螺仪。陀螺是很古老、很传统的东西,小时候拿一个陀螺,鞭子一挥就转,那是最简单的。后来用的陀螺是机械的,以前我们做航空遥感的时候会用到,是液体的陀螺,用油的,必须加温,提前2个小时要把它暖上,但是精度不是太高。现在大量用的是光纤陀螺,用激光干涉的方法做的陀螺,这个精度比机械陀螺高很多。假如船上有一个陀螺,就不需要GPS这些东西,但现在这些陀螺可能十天、半个月就要矫正一次,它会偏掉。而用量子方法干涉出来的陀螺,可能半年、一年不矫都不会有问题,能够提高几个数量级。

第二个例子是量子定位系统。现在谁也离不开GPS了,甚至没有导航系统都不会开车了,这些系统对于民用来说都没问题。这里又要说到大气了,底层大气不但对光探测有干扰,对导航也是有干扰的。导航的科学原理就是,另外三点位置确定时可以确定第四点,只要算出这个点和这三点的方位和距离,这是最古老、最精准的。但是到地面受大气的影响,有一些应用再进一步提高精度就提高不上去了,这就是大气的随机干扰。如果用纠缠的方法提供一个量子的定位仪,就能把现在高精度的定位再提高上去。

第三量子雷达。量子雷达让人不可隐形。原来是对抗、反对抗的,你要探测我,我要隐形起来。包括两种,一种是可以产生干扰你的方法,让你看不到我。还有一种是用纠缠的办法,可以明确知道是我发的光子打到你身上回来的,这样一来检测的效率能够比传统的高很多。

量子测量还有一个例子。比如我们物理学上有七大物理量,包括时间、长度、重量等。原来长度是怎么做的呢?做一个标准的金属尺告诉你这是1米,全世界就以它为标准。但是物理学家、化学家发现,随着环境条件的变化,金属尺一定会氧化的,这个尺子会在很小的精度上发生变化。现在研究出来了,最不变的是最小的原子核内部有一些原子的电子波段是永远不变的。当电子从高能级跳到低能级,下来以后能量出来了,这个能量以光的形式发出,这个光发出的频率是永远不变的。所以现在尺的长度,用某一个原子发出来的频率多少倍来定义,不用实物了,全部用量子的方法来定义。

量子计算出来以后,首先有了一个摩尔定律。摩尔定律原来的说法是,每隔18个月半导体晶体管数目会增加1倍,价格会降低1倍。随着半导体晶体管的尺寸接近纳米级,电子的运动不再遵守经典物理学规律,半导体晶体管将不再可靠。一般认为摩尔定律还能适用10年左右。

摩尔定律的光刻机越做越窄,密度越来越高,耗能受不了。如果在谷歌上我们做一次搜索,所消耗的能量相当于11瓦的节能灯亮15分钟到1小时。所以他们的工程师计划将数据中心造到海水中去,用海水散热。

再看量子计算机,人类用十进制来计算,效率比较高。二进制0和1实际上是最笨的计算方法,所以机器能够理解。而量子可以是0状态,也可以是1状态,同时可以存在不同的状态,所以用量子的方法来计算,效率会高很多。因此理论上,只要有300个量子比特,其承载的数据就能是2的300次方,这将超过整个宇宙的原子数量总和。而300个传统比特能够承载的数据只有2的300倍。这个原理来说量子的计算能力不可想象,几百个量子组成系统的计算能力,是现在全世界所有计算机计算能力的总和。

当然越好的东西越是难做,什么时候能够实现我不知道。曾经有科学家也开玩笑说,可能几年就做出来了,也可能几百年。但是确实全世界在量子计算领域都在发展,我们中国基本上和美国是并驾齐驱的。前一段时间构建出九章计算机,验证了一种特殊的情况下,所谓的“量子称霸”,或者是“量子霸权”,我们也叫“量子优越性”。实现了某种情况下以量子的方法计算,比传统的计算方法要快好多倍。

企业家们肯定最关注量子产业,我做一些简单的评论。

第一,量子通信是对目前传统通信技术一种重要的补充,不是全面替代。但是就是这么一个补充,市场的容量也是比较大的。所以欢迎企业家能够投资我们量子通信的产业。

第二,量子产业的门槛是比较高的,新技术的含量极高。所以现在看到很多的是自上而下的,政府比较愿意推动这个事,也是高端的科学家去做这个事。

第三,量子信息产业还是以IT技术为基础,同时结合了大量的光电子技术。IT技术和光电子技术的融合形成了量子芯片,这已经有很好的产业基础了,大家可以去做一个调查。

此外,量子信息的核心技术原则上还没有突破,不是说技术上已经很成熟了,学术上的争论至今没有结束。世界上有一派还在说纠缠是胡说八道,是唯心主义的。有一个朋友还特地打电话给我说,不要做这个东西,这个东西是假的,伪科学。

总体上看,技术创新的市场上有一大片的风险。但是商业就在风险中,风险虽大,一旦成功了收益也很大,这是辩证法。在网上查到的很多量子的产品,绝大部分是夸大的,或者是概念的偷换。

中国式的科技创新,原来是追求“相同”,就是人家做了什么我也做什么,现在要追求“不同”,我们不能跟着人家屁股后面走。要从“跟踪”向“引领”跨越,我们在量子科技上应该要引领国际的潮流。我们也希望我们国家从“科学的春天”1978年能够走向“创新的春天”。

最后,引用总书记在报告里面讲的话作为结束语,中华民族一次又一次从困境中奋起,有一种特殊的基因,这种基因就是伟大的中国式创新。“天眼”探空、神舟飞天、墨子“传信”、高铁奔驰、北斗组网、超算“发威”……这些我们长期想干却没有干的大事,让中国“赶上世界”的梦想实现了历史性跨越。 (来源:深圳创新发展研究院,转载请注明出处)

来源:深圳梦(微信号ID:SZeverything)综合

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