世界步入“量子科技年”：一文了解美中在量子技术上的竞争态势
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- 世界步入“量子科技年”：一文了解美中在量子技术上的竞争态势
- January 1, 2025
- Article Body Text 华盛顿 — <p>世界进入2025年，也步入了联合国大会去年6月<a class="wsw__a" href="https://documents.un.org/doc/undoc/ltd/n24/131/79/pdf/n2413179.pdf" target="_blank">宣布</a>的“世界量子科技年”。自马克斯·普朗克(Max Planck)在124年前提出“量子”概念以来，量子科技一度只是科幻小说中的酷炫概念，但在2024年中，量子技术的现实应用取得了一系列超乎预期的发展。</p> <p>被中国领导人习近平称为“颠覆性技术创新”的量子科技不仅关乎全球经济、科技和安全格局，更是决定未来国际影响力格局的重要因素。美中两国在这一领域的竞争尤为激烈，被部分观察人士称为新冷战时代的“量子竞赛”。文本为你简要介绍什么量子技术，并为你梳理美中“量子竞赛”的态势。</p> <p><strong>美中对量子科技的重视</strong></p> <p>2025年1月2日，美国财政部的一项有关量子科技的新规则将要生效，即禁止美国个人和公司在中国投资开发一系列包括量子技术在内的先进技术。这是财政部在2024年10月28日最终敲定的。</p> <p><a href="https://www.voachinese.com/a/us-finalizes-rule-restricting-investment-in-chinese-tech-firms-20241029/7844269.html"><figure><img src="https://gdb.voanews.com/453bd2f0-0883-48a6-a80c-e06523d8e1ee_w1600_r0_n_s.jpg" /></figure></a><a href="https://www.voachinese.com/a/us-finalizes-rule-restricting-investment-in-chinese-tech-firms-20241029/7844269.html">美国敲定新规，禁止美国公司和个人帮助中国开发尖端半导体、人工智能和量子计算</a></p> <p>美国在2018年通过了《国家量子倡议法案》，加速美国量子技术发展。2024年12月，美国参议院修订并发布了《国家量子倡议重新授权法案》，加大对美国量子技术发展的支持力度。</p> <p>2023年5月，美国拜登政府发布了“针对重要技术和新兴技术的国家标准化战略”，将量子技术定位为战略领域。</p> <p>12月9日，谷歌宣布其名为“柳木”(Willow)的量子芯片在不到5分钟内完成了一项计算。这项计算的疯狂之处在于，目前世界上最先进的超级计算机需要10,000,000,000,000,000,000,000,000年（10的25次方）才能完成这项计算。</p> <p>量子技术同样得到中国政府的重视。中国政府通过“十四五规划”等政策文件，将量子技术列为国家优先发展领域之一，并注入远超欧美国家的政府资金支持。</p> <p>早在2020年10月，中共中央政治局就曾以“量子科技研究和应用前景”为主题举行了一次集体学习，主持会议的习近平<a class="wsw__a" href="http://www.xinhuanet.com/politics/2020-10/17/c_1126623288.htm" target="_blank">强调</a>要“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。”</p> <p>中国政府在2021年把量子技术列入其“十四五”规划中的7大“科技前沿领域攻关”领域。</p> <p>根据麦肯锡公司2022年的一份<a class="wsw__a" href="https://www.mckinsey.com/featured-insights/sustainable-inclusive-growth/charts/betting-big-on-quantum" target="_blank">报告</a>，中国对量子技术的公共资金投入遥遥领先全球，高达153亿美元--这是美国政府投资的8倍(19亿)，是欧盟各成员国投资总额的两倍(72亿美元)。</p> <p>10月11日，香港《南华早报》<a class="wsw__a" href="https://www.scmp.com/news/china/science/article/3282051/chinese-scientists-hack-military-grade-encryption-quantum-computer-paper" target="_blank">报道</a>称中国科研团队使用加拿大公司D-Wave开发的量子计算机成功破解了目前广泛使用于商业领域的RSA加密算法，甚至能破解被视为“军用级”的AES加密（“高级加密标准”），引发国际量子届的广泛关注和<a class="wsw__a" href="https://www.forbes.com/sites/craigsmith/2024/10/16/department-of-anti-hype-no-china-hasnt-broken-military-encryption-with-quantum-computers/" target="_blank">争议</a>。</p> <p>12月7日，中电信量子集团发布了超导量子计算机“天衍504”，搭载中国科大国盾量子生产的拥有504个量子比特的“骁鸿”芯片，成为中国单台比特数最多的量子计算机。它将被接入“天衍”量子计算云平台并对外服务，“将实现算力规模和算力类型双重升级，”新华社报道说。</p> <p>“美国和中国都将量子技术提升为全球技术竞争的一个竞技场，类似于冷战时期对核能力的争夺，”德国智库墨卡托中国研究所(Mercator Institute for China Studies)在一份<a class="wsw__a" href="https://merics.org/en/report/chinas-long-view-quantum-tech-has-us-and-eu-playing-catch" target="_blank">报告</a>中写道。</p> <p>“尽管最终产物不是炸弹而是计算机，但率先开发出量子计算技术的一方将在密码学、通信和信息处理等军事领域拥有显著优势。”</p> <p><strong>什么是量子技术？</strong></p> <p>量子技术基于量子力学的三大核心原理——</p> <ul> <li>量子叠加<strong>：</strong>传统计算机的比特(bit)只能表示0或1的状态，而量子比特(qubit)则可以是“0”和“1”的叠加态，使其能够以两种以上的状态存在，这使得计算能力呈指数级增长。</li> <li>量子纠缠<strong>：</strong>两个或多个粒子可以通过“纠缠”相互关联，无论相隔多远，一个粒子的变化会瞬时影响另一个粒子。这种特性为量子通信提供了理论基础。</li> <li>量子隧穿<strong>：</strong>使得粒子能够穿越经典物理学中无法跨越的势垒，这一现象在量子传感器中得到应用，以实现极高精度的测量。</li> </ul> <p> </p> <p>量子技术主要集中于三大领域：</p> <ul> <li>量子计算：利用量子比特进行复杂计算，比如可以用于模拟分子行为以加速新药开发以及解决人工智能中的复杂问题。</li> <li>量子通信：通过量子密钥分发（QKD）实现高度安全的通信，无惧窃听威胁。</li> <li>量子传感：极高精度的测量技术，用于地震监测、医疗成像和军事侦察等。</li> </ul> <p> </p> <figure><img src="https://gdb.voanews.com/5ECB802A-AAFE-461A-A805-206911251382_w1600_r1_n_s.jpg" /><figcaption>谷歌公司首席执行官桑德尔·皮查伊（左）在美加州圣塔芭芭拉实验室观看谷歌资深科学家桑科在谷歌量子计算机上工作。（2019年10月）</figcaption></figure> <p><strong>量子技术为何重要？</strong></p> <p>量子技术被视为未来科技竞争的核心，实现“量子霸权”的国家将在计算能力、信息安全与军事优势等方面取得压倒性优势。</p> <ul> <li>国家安全需求：量子通信的不可窃听特性为政府、军事和金融机构提供了前所未有的通信保障。同时，量子计算机可能在未来破解现有加密算法，迫使全球开发抗量子加密技术，以应对可能的“Q-Day”——即量子计算破解传统加密的时刻。</li> <li>军事领域颠覆性影响：量子雷达能够探测隐形战机等目标；量子导航无需卫星即可提供精准定位，增强导航系统可靠性，这在潜艇、水下无人机和其他复杂环境下尤为关键。</li> <li>巨大经济潜力：量子技术有望解决许多当前无法解决的复杂问题，例如优化物流网络、加速药物研发、提升金融风险管理等。据麦肯锡预测，到2035年，量子技术在医药、金融、化学等领域的市场价值将超过7000亿美元，其中金融和制药行业的收益将最为显著。</li> </ul> <p> </p> <p><strong>美中量子技术的竞争现状</strong></p> <p>包括华盛顿智库信息技术与创新基金会(ITIF)在内的诸多西方智库一致表示--</p> <ul> <li>在量子通信领域，中国领先全球；</li> <li>在量子计算方面，中国落后于美国；</li> <li>在量子传感方面，美中旗鼓相当；</li> <li>在市场化的量子技术上，中国表现出色；但在高影响力的量子技术方面，美国仍占据主导地位。</li> </ul> <p> </p> <figure><img src="https://gdb.voanews.com/14A35010-BC00-4E50-B933-3DF4D9CBFED4_cx0_cy10_cw100_w1600_r1_n_s.jpg" /><figcaption>位于中国甘肃省的酒泉卫星发射中心发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。（2016年8月16日）</figcaption></figure> <p>ITIF这份<a class="wsw__a" href="https://itif.org/publications/2024/09/09/how-innovative-is-china-in-quantum/#" target="_blank">报告</a>援引一位专家的话称，美中在量子技术领域各自优势的差异反映了两国以截然不同的国家策略来应对量子技术领域的挑战。美国专注于量子计算的长期潜力，尽管这类技术尚不成熟，但应用前景广阔，可覆盖多个行业。而中国侧重于量子通信的即时性和安全性应用，这是一种更加成熟但市场范围较为狭窄的技术。</p> <p>《南华早报》在2017年就<a class="wsw__a" href="https://www.scmp.com/news/china/society/article/2110563/china-building-worlds-biggest-quantum-research-facility" target="_blank">报道</a>称，中国已在安徽省会合肥--中科大所在地--开始建造“世界最大量子实验室”。当时有西方媒体将之比做诞生世界上第一颗原子弹和氢弹的美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室。</p> <p>安徽省在2017年启动了首期规模100亿元的量子科学发展基金。2017年7月11日，中国的量子创新院在这里正式揭牌，被称为中国“量子之父”的潘建伟担任院长。他牵头研发“墨子号”量子科学实验卫星和量子保密通信“京沪干线”。</p> <p>被称为中国第一个量子计算独角兽企业的本源量子也在这里。2024年1月，该公司研制的中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”上线运行，该机搭载的“悟空芯”共有198个量子比特。</p> <p>“造出中国人自己的量子计算机，”《人民日报》海外版对此进行大篇幅报道。本源量子的联合创始人和首席科学家郭国平对该报称：“绝不能在关键核心技术领域受制于人，一定要有中国自主可控的量子计算机。”</p> <p>英国《经济学人》杂志12月31日发表题为“中国在量子技术领域正逐步赶超美国”的<a class="wsw__a" href="https://www.economist.com/business/2024/12/31/china-is-catching-up-with-america-in-quantum-technology?utm_medium=social-media.content.np&utm_source=twitter&utm_campaign=editorial-social&utm_content=discovery.content" target="_blank">文章</a>开头就对本源量子和它的“本源悟空”量子计算机进行了特写。</p> <p>“目前尚不清楚展厅中的展品是否对外出售，但这些设备显然不应被外国人看到。在记者的到访过程中（事先已获得同意），公司在看到外国人后显得极为惊慌，突然取消了采访安排并通知了警方，”《经济学人》报道说，“除了武器制造业之外，很少有行业像量子技术这样敏感。”</p> <p>而世界各国军方也正对量子技术表现出浓厚兴趣。“这也是中国严格保护其量子产业的原因之一。”《经济学人》写道。</p> <p>关于其组件供应链的运作方式知之甚少，中国政府还对某些相关技术的出口施加了限制。同样，美国也对其量子技术采取了保护措施。今年10月，美国财政部对中国量子产业的美国投资实施了严格限制。</p> <p><strong>量子通信：中国领先全球</strong></p> <ul> <li>量子卫星：2016年，中国发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，成功实现了卫星对地面站的高速量子密钥分发。2022年，中国发射了第二颗量子卫星“济南一号”，性能显著提升。第三颗量子卫星计划于2026年发射。</li> </ul> <ul> <li>京沪干线：2017，中国建成了量子保密通信“京沪干线”，总长超2000公里，“是目前世界上最远距离的基于可信中继方案的量子安全密钥分发干线，”中国官媒称。</li> <li>国际合作<strong>：</strong>中国与俄罗斯于2023年测试了量子卫星连接，有可能扩展至其他金砖国家。</li> <li>专利优势：据日经中文网<a class="wsw__a" href="https://cn.nikkei.com/china/ceconomy/57302-2024-11-20-10-54-53.html?start=0" target="_blank">报道</a>，截至2024年8月，中国在量子加密通信领域的公开专利数量为5544件，远超美国的806件。“由于公开专利也会导致技术披露，因此欧美国家也存在故意不申请专利的趋势，”日经中文网指出。</li> </ul> <p><a href="https://www.voachinese.com/a/us-china-russia-quantum-communication-20240110/7434011.html"><figure><img src="https://gdb.voanews.com/cc659810-2829-48b0-af62-903d2513bd38_w1600_r0_n_s.jpg" /></figure></a><a href="https://www.voachinese.com/a/us-china-russia-quantum-communication-20240110/7434011.html">中俄合作测试量子卫星通信有多重要？美中量子实力谁更强？</a></p> <p><strong>量子计算：美国优</strong><strong>势显著</strong></p> <p>在量子计算方面，美国在硬件开发和算法复杂性上都大幅领先中国。</p> <ul> <li>美国企业(如谷歌、IBM和IonQ)开发的量子计算机的量子比特数量显著高于中国。量子比特数量是衡量量子计算机性能的重要标准。相比中国目前504个量子比特的记录，美国企业开发的量子计算机拥有上千个量子比特。</li> <li>谷歌在2024年12月推出的“柳木”量子芯片实现了纠错功能，称为量子计算迈向实用化的重要一步。美国在纠错算法、量子门设计和超导量子计算领域表现出色。</li> <li>美国IBM在2022年<a class="wsw__a" href="https://cn.wsj.com/articles/ibm发布最新量子计算芯片-11668042306" target="_blank">开发</a>了433量子比特的量子计算芯片“鱼鹰”芯片(Osprey)，并计划在2025年推出一个超过4000个量子比特的量子计算机。</li> <li>美国企业拥有更先进的硬件设计能力，例如基于超导材料和离子阱的技术，这些技术在量子比特的稳定性和错误率降低方面都优于中国。</li> <li>两个最著名的量子算法--用于大数分解的Shor算法和更快破解加密信息的Grover算法--均由美国研究人员开发。美国公司及其盟友国家的公司在量子算法的实际应用上处于领先地位。</li> </ul> <p> </p> <p>《经济学人》文章指出，中国可能正在缩小这一差距。</p> <p>2024年12月17日，中国科大潘建伟团队研制的105个量子比特的“祖冲之三号”量子计算机上线。中国官方表示，“祖冲之三号”超过了谷歌在2024年10月份发表于《自然》期刊的72比特“悬铃木”处理器6个数量级，“是目前超导量子计算的最强优越性。”</p> <p>尽管中国在量子计算机运行所需的许多关键组件（如专用激光器）上仍依赖西方供应商，但依赖度正在降低。波士顿咨询公司表示，“随着中国公司在制造这些必要设备方面的能力不断提高，西方供应商预计在中国的销量将逐步减少。”</p> <p>中国自主研发的稀释制冷机就是例子之一。这种设备用于产生运行量子计算机所需的超低温。2024年期间，多家中国公司和实验室宣布在这一领域取得突破。</p> <ul> <li>2024年6月，中国官媒报道称，本源量子研发的本源SL1000稀释制冷机“追赶上国际稀释制冷第一梯队，实现了从跟跑到并跑”。同年9月，合肥知冷低温科技有限公司研制的400系列稀释制冷机在“某实验室实际使用中实现连续运行最低温度7.45毫开超过100天，创下国内最低温度最长时间运行纪录，”中国官媒称。</li> </ul> <p> </p> <p>《经济学人》指出，由于中国量子行业的高保密性，外界很难验证中国制造的稀释制冷机的实际性能以及它们是否真的足以支持量子计算机的运行。“但如果这些声明属实，将标志着一个重要的里程碑。”该杂志称。</p> <p>稀释制冷机是量子供应链中的核心设备。多年来，芬兰公司BlueFors和英国的牛津仪器(Oxford Instruments)一直是全球量子计算机所用制冷机的主要供应商。美国在2024年9月出台了针对中国量子计算领域的出口管制,其中就包括高性能冷却系统及其他量子计算机所需的设备、组件、材料和软件，并呼吁盟友跟进。</p> <p><strong>量子传感：势均力敌</strong></p> <p>量子传感主要研究微弱信号的精确检测，如磁场和引力变化。这一领域的潜在应用广泛，包括医学成像、地质勘探、军事雷达和军事导航。多家西方智库得出的结论是，美中在量子传感方面技术实力接近，竞争态势呈现胶着状态。“这一领域的领导地位对短期应用至关重要。”ITIF指出。量子传感技术中的其中一些技术已经达到了高度成熟的水平，正在逐步进入各种工业进行应用，提供了传统传感器无法匹敌的更高灵敏度和新能力。</p> <p>在医疗保健方面，这些技术正在实现更精确的心脏监测和先进的脑机接口。麻省理工学院（MIT）和哈佛大学的研究团队利用量子传感技术改进了MRI成像精度，可用于早期癌症检测。</p> <p>在军事应用方面，中国军事研究机构声称已开发出可以探测海底潜艇和其他隐藏威胁的量子传感器。中国官方也称其量子雷达技术显著提高探测隐形飞机的能力。美国军方也正在开发高精度的量子重力传感器，用于探测核潜艇和隧道等地下结构。美国海军研究实验室正在探索量子罗盘技术，以便在没有GPS信号的情况下，提供高度精确的导航能力。中国北斗导航系统也正在利用量子传感技术以提高定位和导航精度。</p> <p>此外，中国地震局已开始试验基于量子传感的地震监测设备。美国正开发用于油气勘探的量子传感器，更高效地探测地下资源，降低开采成本，等等。</p> <p><strong>创新模式对比</strong></p> <p>在发展量子技术方面，中国的国家主导模式和美国的市场驱动模式迥然不同。</p> <ul> <li>美国依靠大型科技公司、风险投资、初创公司和大学研究驱动，私营企业在研发中占主导地位，政府支持则相对有限。美国量子技术初创公司获得的私募资金总额为中国的10倍以上。这种模式鼓励竞争和多样化发展，但也存在资金分散和协调不足的问题。</li> <li>中国更多依赖国家主导。大部分研究由国有大学和国家实验室进行，企业与政策制定者之间的联系紧密。国家自然科学基金会资助了近半数的量子领域论文，量子初创公司如本源量子也受到政府的直接或间接支持。这种自上而下的模式在资源整合和供应链构建上具有优势，但也可能因为缺乏竞争而限制创新。</li> </ul>
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