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量子网络发展或引发新一轮国际竞争

胡小文

2020-05-21 02:58

李广民 王菲
中国社会科学网-中国社会科学报

2020年2月7日,美国白宫发布《美国量子网络战略构想》(A Strategic Vision for America’s Quantum Networks),意图再创互联网时代之后的又一个奇迹,再次站到引领全球科技的浪头,让量子网络成为主导百姓生活、释放国家经济发展活力,甚至制约国家安全、重塑国家综合实力的利器,值得全球关注。  

从量子计算机到量子网络

人们不仅会产生疑问:为什么这次美国将科技发展的重头投放在量子网络科技领域?也许当2012年诺贝尔奖物理学奖颁给了谢尔盖·哈罗奇和大卫·怀恩兰时,我们就该看到端倪。诺奖委员会说:“量子计算机将在本世纪改变我们的日常生活。” 2018年6月公布的《白宫量子信息科学峰会综述》中提到,量子科学技术发展有助于改变美国人民看世界的方式,缓解就业压力,释放经济活力。这次会议是“白宫首次召集了来自13个联邦机构的代表,以及一些最伟大的创新者……我们召集了白宫的所有人,因为我们认识到政府不能单独做到这一点。在专业知识指导下,我们可以长期关注这一领域,挖掘量子科学技术的惊人潜力”,美国负责技术政策的总统技术助理顾问迈克尔·克拉齐奥斯(Michael Kratsios)如是说。

量子网络的安全和防御领域是建立在肖尔量子计算机算法发展基础上的。1994年,彼得·肖尔(Peter Shor)发明了量子计算机,其算法能够高效、快速地破解典型的加密信息。当美国国家安全局的科学家认识到这一无可比拟的优点时,他们开启了寻求获取国家资助从而进行有关科研工作。随后,量子信息科学技术首次出现在美国2008财年预算中并一直保持到现在。量子信息科学技术随后成为2015年美国国家战略计算倡议的一部分。至此,白宫已经发布了两份关于量子信息技术战略的报告:第一份是在奥巴马总统领导下,第二份是在特朗普总统领导下。此外,2019年8月30日,特朗普根据2018年底签署的《国家量子倡议法案》,成立了国家量子倡议咨询委员会,通过增加联邦投资和协调机制促进量子信息技术的研发。 

战略内容涉及六大技术领域

《美国量子网络战略构想》内容翔实而具体。它确立了美国量子网络的量子信息技术行业的发展目标——两个“发展计划”,并为重点研究活动推荐了六个具体的技术领域。战略构想中提到,维护量子网络的长期发展面临一个艰巨挑战:是否能够搭建“稳定的连接量子设备的平台,并开发利用量子安全、传感和计算模式的应用程序”。考虑至此,该构想提出了两个重点目标:一是未来五年的计划。五年内,“美国公司和实验室将展示从量子互连、量子中继器到量子网络的基础科学和关键技术,以及量子存储器到高通量量子信道和洲际天基纠缠分布”。这将为美国带来商业、科学、卫生和国家安全方面的实际好处。二是未来二十年的计划。在未来20年里,量子互联网链路将借助网络化量子设备实现传统经典技术无法实现的新功能。同时,构想中还涉及国家科学技术委员会和国家量子信息科学小组委员会建议开展的一系列活动,并详细罗列其细节内容:“关键部件的技术和平台开发,包括经典源、量子有限探测器、超低损耗互连、空间对地连接、经典网络和网络安全协议以及扩展成本;将量子源和信号从光学和电信领域转移到量子计算机相关领域,包括微波;纠缠和超纠缠态的产生,量子态的传输、控制和测量;开发与光学或电信波长中基于光子的量子比特兼容的量子存储器和小规模量子计算机;探索用于小规模和大规模量子处理器之间的远程纠缠的新算法和应用,包括量子纠错、量子云计算协议和新的量子传感模式;探索用于地面和天基纠缠分布的技术。”最后,该构想进一步明确了美国设立量子相关主要职能机构,包括白宫国家量子协调办公室、国家科学技术委员会和国家量子信息科学小组委员会。值得注意的是,国家量子信息科学小组委员会由能源部、国家标准与技术研究所、国家科学基金会和白宫科技政策办公室共同主持。其他成员包括国防部、国家航空航天局、国家安全局、国家情报局长办公室、管理和预算办公室、美国专利和商标局以及国务院。 

新一轮国际科技竞争将趋激烈

毋庸置疑,这份构想对于美国国内的影响将十分巨大。在经济领域,由于美国政府对此投资以及最近吸引了更多的行业参与,这一科学领域已转变为美国研发企业的一个新兴支柱。量子技术将为高科技系统和材料以及信息和通信技术部门,直接创造多个就业岗位,缓解就业压力。量子计算机和传感器(如光学芯片、激光器、低温冷却系统和电子设备)关键部件和半成品的生产,会成为市场投资的新驱动。在安全领域,量子通信的保护手段将大大加强信息安全性,从国家安全角度看,量子传感有望为军事活动提供先进的传感器。例如,在不能使用全球定位系统的情况下导航(敌方领土或地下);从探测安全角度看,使用量子技术的传感器以前所未有的精度绘制地球引力图,加大地质活动,火山勘探与活动预测的准确性;从数据安全角度看,一台通用、纠错、容错的量子计算机可能会超越目前用于保护数据的加密技术,国家安全数据和私人金融或医疗数据都可能受到牵连,然而后量子密码领域的发展就可以对抗类似的威胁;从医疗安全角度看,量子传感器具有巨大的诊断潜力,例如在未来的核磁共振扫描仪中,扫描仪可以呈现可视化分子和蛋白质的结构,从而精确诊断肿瘤。人们对这个话题大多抱有积极乐观的态度,然而,科学技术本身并没有绝对的好与坏。如若出现过度使用,量子技术也会给社会带来潜在风险。加剧两极化风险就是典型代表,即并非所有人都能平等同步使用第一代量子计算机和模拟器。这可能导致权力和财富分配不均。另外,法律风险、社会标准化认证是否能跟上技术的快速发展。后量子密码被积极探索成为更安全的通信途径,美国国内银行和其他金融机构在为量子计算机的到来做好准备的过程中,能否做好在这一领域的标准化认证尚且未知。再者,隐私风险,量子技术可以使政府密切监视其公民。因此,可能需要立法来防止对个人自由和隐私的不正当行为。同样,量子技术也会加大美国当局控制同样采用量子技术的犯罪组织的风险。

中国也已启动相关研究

在国际方面,该战略构想将会在世界范围引发新一轮激烈的科技、人才竞争。美国并不是唯一一个加大对量子信息技术研发投资的国家。中国和欧盟也启动了庞大的相关研究项目。在2016年至2018年间,中国率先实现了三个量子信息科技发展的里程碑:2016年8月发射世界上第一颗量子卫星;2017年9月,在北京和上海之间开通了一条长途量子通信固定电话;2018年1月,在北京的中国科学院和在维也纳的奥地利科学院之间举行了第一次远程量子视频会议。欧盟方面,量子技术旗舰计划是一项11亿美元的10年计划,旨在将欧盟在量子信息技术方面的投资商业化。该计划的目标之一是培育具有竞争力的欧洲量子产业,使欧洲成为未来全球产业格局的领跑者。量子技术的出现可能会加剧各国之间的数字鸿沟,增加各国间安全的差距。例如,倘若少数几个国家都能使用后量子加密算法保护自己的通信安全,那么这种技术优势就会转变成安全优势,在此基础上的某个领域的霸权关系可能会形成并持续下去。这同样适用于大数据时代,技术先进的国家享受实时情报和灵活作战的优势。当然,另一种极端的后果也许相反。随着时间的推移,量子技术的发展和广泛传播可能会降低某些大国在该领域的相对优势,从而形成相对势均力敌的态势,由此各国均具备前所未有的处理情报数据的能力和保护通信的加密能力。在其发展的初级阶段,优势集中的现象使得“量子霸权”成为一种可能,这必须引起高度重视。

总体来看,美国这次量子网络战略构想能否如其所愿成为现实?就像1969年美国国防部高级研究计划局(Department of Defense’s Advanced Research Projects Agency)演示的第一个网络从而将其发展到今天人们所熟知的互联网那样,这需要时间的考验。但无论怎样,制定量子网络国家战略构想是特朗普政府打的一张强有力的“科技牌”,企图在新一轮科技竞争中拔得头筹,占据制高点,进而确保甚至扩大其在经济、科技、安全等领域的霸权。对于世界其他国家而言,“量子网络时代”已经拉开序幕,能否把握尖端科技时代的发展脉搏?能否基于构建人类命运共同体,达成共识、携手共进,让“量子网络”造福全人类,这需要更多政治家的智慧和担当。

 

李广民,王菲 青岛大学当代国际关系研究中心。


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2020-05-21 10:41
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