中國量子技術領先美國

一、中國量子科技超越美國

   依據日本經濟新聞章，在量子專利、量子電腦方面，中國本源量子公司已超越美國IBM位居首位，中國在量子技術領域的存在感日益突出。量子電腦可實現超快速計算，在已公佈的量子電腦專利數量上，中國已經超過美國，位居第一。量子技術可靈活用於藥物研發、金融等多個領域，同時也與安保有著密切關係。今年1月上線運行的量子計算機“本源悟空”是由安徽省一家名為「本源量子」的公司研發。中國工程師歷經艱辛，花費20多年時間研發獲得這項技術。這台以「悟空」命名的計算機表現不俗。根據中國媒體10月的報導，截至10月底，“本源悟空”已為全球133個國家超過1500萬人次提供量子雲服務，完成27萬個亮子運算任務。在資訊分析公司VALUENEX今年10月統計的量子電腦團體公開專利數中，“本源量子”首次佔據了第一位，而在上一次2020年的統計調查中“本源量子”位居第十位。在2021-2024年間，「本源量子」新增了363項專利，超過了212項的美國IBM。依國家劃分，中國累計擁有3217項專利，超過了擁有2740項專利的美國。支撐中國企業飛躍發展的是中國政府公佈的「十四五」規劃。自2021年以來，中國一直在積極投資建立專門的量子研究中心。美國麥肯錫公司稱，到2025年，中國政府在量子技術研究方面的投資將高達150億美元。量子電腦具有超強的運算能力，因此被期待用於藥物研發、金融等各行各業。量子密碼是一種理論上牢不可破的加密技術，在這一領域，中國的優勢正在加強。截至2024年8月，中國累計公佈相關專利5,544項，超過美國的806項、日本的548項。在社會實施方面，中國也走在了其他國家的前面。量子晶片是“量子計算大腦”，需要在接近絕對零度的極低溫環境中運行。本源量子公司表示，已成功自主研發出實現這種運作環境所需的主要設備—稀釋冷凍機。安徽是中國最早開始量子運算研究及產業化的省份，而本源量子的成功離不開中國對「量子資訊」的重視。在量子電腦工程之路上，中國科學家不僅催生出大批原創性成果，也主導了國內第一個量子運算產業聯盟。截至2024年7月，有超100家企業、大學等機構加入聯盟，涉及航空航太、大數據、先進運算、金融等領域。

    韓國《今日貨幣》報導，中國橫掃全球一半專利的量子技術令美國憂心。在政府主導下，中國量子信息技術的基礎科學研發力量正快速成長，潘建偉是中國最偉大的量子科學家，潘建偉團隊研究的量子保密通信傳輸早已領先世界。中國對量子信息技術的投資規模位居第一，並建造世界最大的量子實驗室。無論是量子信息技術還是電動汽車，都可以看出中國政府的前瞻性及重視科技創新。憑藉龐大的投資，中國在量子信息技術方面正走在全球前列。中國的量子計算機也在快速發展，比如中國科學技術大學的潘建偉教授團隊研發的“九章”和“祖沖之二號”，中國政府，百度 、華為、阿里巴巴等科技企業都積極參與。去年8月，百度發布超導量子計算機“乾始”。美國在未來核心技術的人工智能、量子計算機等領域限制對華投資，也是因為中國在上述領域的發展領先美國。不過量子計算要實現真正的商業化，至少需要幾百萬的量子比特，量子計算在未來5年內不會獲得有意義的利潤，可能需要10年以上才能達到這一目標。目前最先進的量子計算機是IBM在2022年11月發布的433個量子比特的計算機，IBM還計劃在2025年推出4158量子比特的計算機。2021年，中國合肥本源量子公司研發的超導量子計算機「悟源」有24個量子比特。中國將量子技術視為戰略重點，其第14個五年計劃的一個優先要務是量子科技。

二、中美科技大戰

   依據美國《外交官》雜誌報導，中美大國競爭優先考慮的三項科技包括太空探索、人工智能以及量子通信和計算。中國已制定了各種戰略來推動科技進步，包括創新戰略及“中國製造2025”戰略。太空、人工智能、量子計算和通信的結合正在推動中國發展成為一個科技大國，關鍵戰略技術的發展將有助於中國成為21世紀國際關係的領先國家，並將培育新的增長引擎。在崛起的中國和衰落的美國之間，實力消長將對構建國際秩序產生直接的戰略影響。中國在太空、人工智能、量子三大戰略技術上取得的進步，表明它們正在走向全球領先。中美在人工智能領域的科學技術實力，均領先於其他國家和地區。在基礎科研方面、產業技術方面及應用技術方面，中美各有千秋，但美國在生物合成、藥物研發中引入機器學習技術，取得了重大突破，美國也領先推進人工智能技術的軍事應用。中美在航空航天領域的技術實力對比，美國在航天運輸、載人航天、衛星導航與通信、深空探測等方面絕對領先，中國則擁有獨立的技術和裝備體系，已可與美國並駕齊驅。

   2017年，中國向世界展示了其在量子通信領域的領先地位，當時中國科學家從2016年發射的世界第一顆量子通信衛星“墨子號”發射了糾纏光子。2020年6月，潘建偉在《自然》雜誌發表的一篇論文中展示了一種安全的方法利用墨子號進行量子通信，使中國更接近不可破解的通信能力的目標。中國正在製定開發量子通信網絡的計劃。中美在信息技術領域的競爭焦點，主要包括集成電路及專用設備、信息通信設備、操作系統及工業軟件這三大領域。其中，美國政府試圖通過加大對集成電路產業的投資保持領先地位，相比之下，中國的集成電路產業處於高速發展期，已基本實現產品領域全覆蓋，但同時也存在企業多而不強等問題。中國現在是繼加拿大和美國分別於2011年和2019年首次交付量子計算機之後，全球第三個建造和交付量子計算機的國家。2017 年在合肥成立的本源量子計算技術有限公司表示，它已經交付了一台 24 量子比特的量子計算機——稱為本源物源——據稱使用了自主研發的超導芯片技術。中國在量子計算機行業落後美國四到五年——但隨著高科技競爭的發展，中國可能在未來幾十年內處於領先地位。量子技術是指使用“量子力學”的技術，它處理構成物質的原子、質子、電子和光子等精細基本粒子的物理現象，進行通信和計算。“量子計算機”是量子計算機的應用之一，近年來受到全世界的關注。應用量子技術的技術研究已經在各個領域展開，隨著信息量的爆炸式增長和對高速處理的需求，人們熱切期待能夠大幅提升傳統計算機處理性能的量子計算機的出現。然而，目前量子計算機正處於研發階段，實際應用前還需克服諸多障礙。

三、中國在太空創造量子未來

   當中國神舟十六號飛船與天宮三號空間站成功對接時，媒體稱三名中國宇航員將有機會研究“新的量子現象”。量子科技是中國太空計劃的一些具特殊價值的研究，與四年前不同，中國現在依靠特殊衛星而不是空間站來執行其主要任務量子實驗。中國現有的墨子號衛星是一個量子實驗室，自 2016 年 8 月發射進入低軌道以來，已經取得了一系列科學成就。接下來，墨子號將進行洲際試驗。去年 7 月，中國成功發射了一顆低軌道量子衛星濟南一號。它計劃在未來幾年內發射一顆中高地球軌道衛星和幾顆較小的低軌道衛星。如果所有這些實驗都成功，中國可以通過量子密鑰分發（QKD）這種加密技術實現不可破解的數據傳輸，並為銀行和政府客戶提供相關服務。中國科技大學物理學教授潘建偉稱“我們現在正在研製第一顆中高軌道量子衛星，計劃在2026年前後發射。”“除了測試 QKD 之外，量子衛星還將為量子精確測量（或量子時鐘）提供一個新的平台，”“有了這個，就可以實現超過一萬公里的量子糾纏分佈。”量子糾纏是一種現象，它解釋了兩個光子如何相互聯繫並具有相同的偏振態，即使它們相距很遠。當其中一個的狀態改變時，另一個也會改變。這種現象可以應用於數據傳輸的加密。這種類型的加密是牢不可破的，因為它依賴於量子力學的基礎。銀行和政府用來保護其數據傳輸的傳統公鑰密碼學依賴於數學函數，可以用超級計算機或量子計算機解密。

    2001年，潘回到中國。2009年，他的團隊進行了16公里以上的量子隱形傳態，創造了當時的世界紀錄。2016年，潘領導了發射墨子號衛星的中國量子科學實驗衛星項目。2017年，衛星利用BB84激光器向地面發射信號，完成了一系列量子實驗。要實現全球量子通信，就必須克服當前量子衛星面臨的困難，”潘說。“一顆低軌道衛星無法覆蓋整個世界。此外，目前的衛星只能在天氣晴朗的夜間發送信號。”他說，可以通過將更多衛星發射到低軌道以覆蓋地面上更廣闊的區域，並將更大的衛星發射到中高軌道以連接它們來解決這些問題。相比之下，埃隆馬斯克的星鏈衛星現在在海拔 550 公里的低軌道上運行。中軌是指海拔20,000公里的高度，GPS衛星和中國的北斗衛星正在運行。高軌道或地球靜止軌道，海拔約 36,000 公里，適用於發送電信和電視信號的傳統衛星。2016 年 9 月中國天宮二號空間站發射進入低軌道時，潘建構建立 QKD 衛星網絡的想法得以實現。該空間站在 2018 年至 2019 年期間向地面發送 QKD 信號，並與墨子號衛星合作。中國科學技術大學（USTC）教授廖勝凱表示，濟南一號衛星總重量為 98 公斤，配備 23 公斤 QKD 發射器，而墨子號衛星重量為 640 公斤，配備 80 公斤 QKD 發射器。雖然中國在太空量子上投入更多，但西方公司更願意留在地面。潘和一批中國科學家在學術周刊《物理評論快報》發表的一篇論文中稱，他們在光纖中實現了1002公里的點對點長距離量子密鑰分發。