當中國科學家團隊在2017年從中國的“墨子號”衛星發射糾纏光子，進行世界首次量子安全視訊通話時，專家宣稱中國已在量子通訊領域取得領先地位。新的研究表明，這種領先地位也已擴充套件到量子計算領域。
在上個月釋出在arXiv.org上的三篇預印本論文中，中國科學技術大學（USTC）的物理學家報告了量子通訊和量子計算方面的重大進展。其中一項研究中，研究人員使用奈米級半導體，即量子點，可靠地傳輸單光子——任何量子網路的必要資源——透過超過300公里的光纖，比之前的嘗試遠100多倍。在另一項研究中，科學家們將他們的光子量子計算機從76個探測到的光子升級到113個，對其“量子優勢”進行了顯著提升，即在特定任務上比經典計算機快多少。“第三篇論文介紹了祖沖之號，它由66個超導量子位元組成，並使用其中56個量子位元解決了一個問題——這個數字與谷歌的量子計算機“西克莫”中使用的53個量子位元相似，後者在2019年創下了效能記錄。
“這是一個令人興奮的進展。我不知道他們會在同一周釋出不止一項，而是兩項[量子計算成果]，”得克薩斯大學奧斯汀分校的理論計算機科學家斯科特·阿倫森說。“這真是太瘋狂了。”
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所有這三項成就都是世界領先的，但特別是“祖沖之號”引起了科學家的關注，因為它是對谷歌2019年裡程碑式成果的首次證實。“我很高興有人重複了這項實驗，並表明它執行良好，”前谷歌研究員約翰·馬蒂尼斯說，他領導了構建“西克莫”的努力。“這對該領域來說真的很好，超導量子位元是一個穩定的平臺，你真的可以在上面構建這些機器。”
量子計算機和量子通訊是新興技術。這些研究都不太可能在未來許多年內投入實際應用。但是量子技術的地緣政治風險很高：成熟的量子網路可以提供無法破解的通訊渠道，而強大的量子計算機理論上可以破解目前用於保護電子郵件和網際網路交易的大部分加密技術。
目前，美國和中國之間的緊張關係處於幾十年來的最高點，兩國在貿易、人權問題、間諜活動擔憂、新冠疫情和臺灣問題上存在衝突。在中國在2017年展示“墨子號”衛星後，美國政治家透過國家量子倡議投入數億美元用於量子資訊科學。這是一種詭異的似曾相識感。大約60年前，美國也同樣受到刺激，資助了另一項空中樓閣般的計劃——太空探索——因為擔心一顆名為“ спутник”的蘇聯小衛星。
但是，這場爭奪量子優勢的鬥爭不必完全是太空競賽的翻版。加州州立理工大學波莫納分校的科學歷史學家王作躍指出，中國和美國在許多領域——包括科學領域——都密切交織在一起，這可以防止在量子領域出現充滿敵意的新競爭。今天，成千上萬的學生從中國到美國學習，兩國科學家在從農業到動物學的研究領域密切合作。儘管兩國之間的地緣政治緊張局勢日益加劇，但“他們是彼此之間最大的國際合作夥伴，”王作躍說。
量子位元接力
四十年前，物理學家理查德·費曼提出了一個直截了當的命題：試圖模擬基本量子現實的經典計算機可能會被像現實一樣本身就是量子的計算機超越。2019年，谷歌的一個由馬蒂尼斯領導的團隊實現了所謂的量子優勢，證明了該公司的“西克莫”系統確實可以在特定、有限的任務上比最強大的經典超級計算機快指數倍（儘管IBM的一個競爭團隊對谷歌的成就是否代表真正的量子優勢提出了異議）。一年後，中國科學技術大學的研究人員用光子量子計算機進行了類似的實驗。
為什麼初級的量子計算機在特定任務上可以擊敗經典超級計算機？常見的說法是這樣的：量子計算機不使用經典位元0或1，而是使用量子位元，其狀態在測量之前介於0和1之間——所謂的量子疊加。為了在計算機內部協同工作，量子位元還必須糾纏在一起，或者彼此量子關聯。
考慮“祖沖之號”和“西克莫”執行的任務可能更直觀。“這幾乎是令人尷尬的簡單，”阿倫森說。“你所做的只是一個隨機的量子操作序列。”這組混亂的指令將所有量子位元糾纏成一個大的、混亂的狀態。描述這種狀態對於量子位元比位元更容易。描述兩個糾纏的量子位元需要四個經典位元。（有四種可能的結果：00、01、10或11。）狀態複雜度呈指數級增長，因此描述50個量子位元需要250，或者大約一千萬億位元。光子量子計算機建立了類似糾纏的混亂狀態，但使用光子代替量子位元。
這就是為什麼即使是一臺小型50量子位元的量子計算機也可以擊敗一臺大型經典超級計算機。“如果你看看西方——美國、歐洲——沒有很多人談論重複[谷歌2019年]的實驗，”馬蒂尼斯說。“我欽佩的是，在中國，他們想認真地做這件事。”
憑藉56個量子位元和113個探測到的光子，中國科學技術大學在兩篇新的預印本中詳細描述的系統現在在技術上是世界上最強大的量子計算機——有兩個重要的注意事項。首先，這兩臺量子計算機都不能做任何有用的事情。（光子量子計算不是一個通用的計算機平臺，因此即使擴大規模，它也不會成為傳統的、可程式設計的計算機。）其次，目前尚不清楚它們實際上比經典計算機有多少量子優勢。在過去的幾個月中，一些研究聲稱有能力近似地模擬那種混亂的糾纏態，特別是對於光子量子計算機而言。
儘管使用光子量子計算機存在困難，但中國科學技術大學的研究人員有充分的理由掌握這個平臺，因為光子是中國新興量子網路的媒介。目前，數千公里的光纖電纜已經在北京和上海之間建立了一條初步的量子鏈路。這條鏈路不是完全實現的量子連線：它被節點分割開來，因為光子在光纖中傳播一定距離後會屈服於噪聲。真正的量子網路可能具有多種應用，但主要的兩個應用是精確同步和無法破解的通訊。
為了實現這一承諾，量子網路將需要——除其他事項外——可以用於量子金鑰分發或其他需要糾纏的操作的糾纏單光子。量子點被認為是單光子的理想來源。到目前為止，量子點從未透過超過約1公里的光纖傳送過單光子。（通常，光纖越長，噪聲越大。）但是，中國科學技術大學的團隊設法增加了傳輸距離，同時還降低了單光子的噪聲。他們的成功來自於採取了艱苦的措施，例如將300公里光纖的溫度穩定在攝氏十分之一度以內。
在量子領域競賽
中國在量子資訊科技方面領先於美國嗎？答案取決於你如何衡量。雖然估計各不相同，但兩國似乎都為這項研究每年投入超過1億美元的資金。中國在量子技術的全 spectrum 擁有更多的專利總數，但美國公司在量子計算專利方面擁有顯著的領先優勢。當然，中國擁有更先進的量子網路，現在還聲稱擁有世界頂級的兩臺量子計算機。
“對於美國來說，這是一個非常新的問題，”美國物理學會的科學政策分析師米奇·安布羅斯說。“它在很長一段時間內，在很多領域都處於領先地位，以至於它實際上並沒有過多考慮落後意味著什麼。”
從廣義上講，中國的量子研究幾乎完全是國家驅動的——集中在少數幾所大學和公司。相比之下，美國的科研則分散得多——分佈在數十個資助機構、大學和私營公司。
“中國政府非常認真地考慮科學技術，可能比美國政府更認真，”王作躍說。“沒有人會承擔這個責任。”
目前，美國政府正在確定如何資助量子資訊科學的未來，例如擬議的2021年創新和競爭法案，該法案將為通訊研究提供15億美元，包括量子技術。為了應對對中國的安全擔憂，該法案還優先考慮半導體制造業，幷包含一項條款，限制與中國在核能和武器方面的合作。這並不是首次限制兩國之間的科學合作。自2011年以來，美國宇航局一直受到沃爾夫修正案的約束，該修正案禁止與中國航天機構進行任何合作，除非獲得豁免。相反，由於1979年美中科學技術合作協定，中國和美國也進行了四十多年的官方科學合作。
隨著兩國緊張關係的持續升級，量子研究佔據了一個尷尬的位置：儘管它仍然是當前的實際應用有限的基礎研究，但其未來的戰略潛力是顯而易見的和巨大的。“對於任何領域的科學交流，更不用說量子領域了，未來的規則是什麼？”安布羅斯問道。對量子技術的大量資助可能會進一步激化關係，但也可能刺激競爭國家之間為證明其量子實力而進行的更多合作和透明度。
在冷戰期間，美國和蘇聯試圖在核武器、太空飛行和其他具有戰略意義的技術追求方面，展示與對方的對等，甚至超越對方的實力。莫斯科國立高等經濟研究大學的科學外交專家奧爾加·克拉斯尼亞克認為，由此產生的美蘇科學交流幫助結束了冷戰。“科學外交具有這種優勢——它使用科學，而科學是普遍的，”克拉斯尼亞克說。同樣重要的是，它使用科學家——他們歷來利用共同的人性和對知識的共同追求來克服任何意識形態差異帶來的壓力。量子計算和通訊可能確實有能力重塑世界。但是，克拉斯尼亞克說，“我也相信人類溝通的力量。”