中美正進行量子霸權競賽

一、量子技術對世界霸權的重要

          能夠成功將量子計算與現實世界系統融合的國家將塑造未來的基礎設施成為強國。中美競爭已成歷史必然趨勢，其中科技競爭之一是量子計算，量子計算正成為21世紀中美技術競爭的決定性戰場。除了競爭計算速度，更重要的誰將建立未來的技術基礎設施，包括智慧供應鏈、個人化醫療、量子安全通訊和人工智慧增強機器人技術。這是一場爭奪21世紀基礎設施的戰鬥。量子計算結合了計算機原理和量子力學原理。1981年，美國量子物理學家理查德·費曼指出，傳統計算機無論是類比電腦還是數位電腦，都無法模擬量子現象。1985年，英國物理學家多伊奇發表了題為“量子理論、丘奇圖靈原理和通用量子計算機”的論文。多伊奇提出了通用量子計算機的理論框架，引入了量子門和電路的概念，這是量子算法的構建塊。量子計算機的核心是量子比特，與數位電腦中的常規位元（0或1）不同，量子位元可以同時為0和1，這得益於疊加的特殊量子力學特性，使量子電腦能夠比傳統電腦更快地解決問題。量子位元可以透過多種方式創建，例如利用電子等微小粒子的自旋或光的特性，具體取決於特定任務。量子位元通常視覺化為球體，稱為布洛赫球體，可以將其視為3D指南針。它們是0還是1可能取決於上下文。量子演算法依靠這種相互作用來實現解決特定問題的指數級加速。第一台實驗性量子計算機於 1990 年代後期問世。1998 年，牛津大學和麻省理工學院的研究人員利用核磁共振 （NMR） 技術構建了一台基本的雙量子比特量子計算機。雖然功能有限，但它作為概念驗證。從 2000 年代開始，量子計算成為一場全球性的技術競賽，涉及學術界、政府、科技巨頭和初創公司。

           依據美國國家利益雜誌報導，量子技術對美國的技術領導地位至關重要，忽視它可能會帶來經濟、科學和國家安全的挫折。在美中之戰中，技術主導地位的矛尖不僅限於人工智慧，還包括量子物理學在未來計算、測量和通信中的應用。量子帶來的經濟和科學機會是無與倫比的。例如，它在原子水準上類比分子相互作用的能力可以顯著加速藥物發現。它解決複雜數學問題的能力在從材料科學到太空旅行的各個領域都有應用。量子優化演算法還可以改變金融風險評估並增強供應鏈物流。量子經濟前景是巨大的，但公眾的理解仍然不足。麥肯錫2022年的報告稱到2035年，量子技術市場可能達到1萬億美元，其中製藥、金融和材料科學等行業將從中受益最大。這轉化為就業機會的創造，據估計，隨著對量子工程師、密碼學家和量子材料科學專家的需求增加。推進量子系統具有明顯的優勢，從增強經濟到幫助國防。2006年，中國政府將「量子控制」定為基礎研究的關鍵領域。2021年，在「十四五」規劃中，量子資訊在尖端科技領域排名第二，僅次於人工智慧（AI）。2025年3月，中國啟動了1兆元人民幣的國家創投基金，明確針對量子運算及相關技術，中國在量子計算方面的進步令人矚目。2020年，中國科技大學的科學家推出了 九章量子計算機，可在200秒內完成一項任務，而經典超級計算機需要2.5億年以上的時間。2021年，中國科技大學推出了九章2.1，這是一款66量子比特超導量子處理器，與經典超級計算機相比具有顯著的量子優勢。中國還在構建全球量子通信網路方面取得了重大飛躍，在北京和南非之間成功建立了超安全的量子密鑰分發鏈路。這一突破標誌著中國雄心勃勃的太空量子實驗計劃的最新里程碑，該計劃以2016年發射的墨子號衛星為中心。量子金鑰分發是一種使用量子粒子傳輸加密密鑰的方法。如果被攔截，這些量子金鑰會崩潰，提醒使用者注意違規行為，從而確保傳統方法無法達到的安全級別

二、量子計算將改變人類與機器互動方式

            量子計算機將改變人類與機器交互的方式。通過融合類比和數位計算的優勢，它有望重塑人機介面，並加速人工智慧、機器人技術和先進感測技術的融合。這種混合功能為更直觀、回應更靈敏、適應性更強的機器打開了大門，這些機器可以更接近人類的思維和感受方式與世界互動。傳統的二進位計算依賴離散位元、符號邏輯和基於規則的處理。相比之下，人類經驗本質上是模擬的：我們在感知、運動、情感和意圖的流暢、連續的流動中感知世界。這種根本的不匹配限制了當前機器解釋複雜的人類狀態。量子計算彌合了這一差距，作為一個混合系統，它將類比系統的流動性與數位邏輯的結構相結合，為構建機器提供了一個強大的新平台，既可以處理連續的感官輸入，又可以做出離散的、上下文相關的決策。在機器人領域，類比和數位系統之間的緊張關係尤為明顯。類人運動涉及解決連續運動軌跡，同時做出離散的決定，例如何時停止、轉動或抓住物體。這種流體動力學和符號邏輯的結合對於經典電腦來說很難有效管理。腦機介面 （BCI） 也出現了類似的挑戰。大腦活動本質上是類比的，透過連續波和電模式的細微波動來表達。將這些訊號轉換為數位系統的離散命令需要巨大的運算能力和精度。

           量子計算為對外部設備進行即時心理控制提供了可能性，甚至出現了共用認知環境，資訊在人與機器之間無縫流動。在這樣的系統中，意圖、注意力和情感可以以前所未有的速度和靈敏度被感知、解碼和回應。除了硬體競爭之外，量子計算的長期領導地位將集中在各種技術的集成上。中國憑藉其獨特的工業能力、政策協調和最先進的公共基礎設施組合，在量子計算、人工智能和機器人技術整合方面處於有利地位，可以發揮主導作用。在硬體層面，中國大規模生產量子和人工智慧組件的能力是無與倫比的。它在超導量子處理器、光子計算和可擴展控制系統等關鍵技術方面取得了突破。與此同時，中國在機器人製造方面處於世界領先地位，其國內公司生產具有競爭力的AI加速器晶片，例如華為的垂直整合的供應鏈使中國在構建緊密耦合的量子、人工智慧和機器人系統方面具有明顯的優勢。中國還通過技術出口擴大其地緣政治影響力，例如與奧地利、俄羅斯和南非的量子密鑰分發鏈接，以及全球南方的機器人和人工智能系統。其目標不僅是掌握這些技術，還在於塑造全球標準和基礎設施，特別是在金磚國家和「一帶一路」國家之間。量子運算將逐步增強其能力，並擴展到更多領域。主要用戶將是製藥和化學公司、金融機構、科技巨頭、政府和參與氣候建模的研究機構。

三、量子霸權及量子計算機對未來世界的影響  

            2019年4月，中國潘建偉團隊實現了國際上最大規模超導量子比特糾纏態12比特的製備，通過設計和加工了高品質的12比特一維鏈超導比特芯片，並且採用並行邏輯門操作方式避免比特間的串擾，以及熱循環操作去除不需要的二能級系統對於比特性能的影響，首次製備並驗證了12個超導比特的真糾纏，保真度達到70%，打破了2017年創造的10個超導量子比特糾纏的記錄。此卓越成就讓潘建偉教授35歲就獲世界大獎——菲涅爾獎，中國大陸非常重視量子計算機的研究，2016年“十三五”國家科技創新規劃中，將量子通信與量子計算機列入“科技創新重大項目，2017年列入“十三五”國家基礎研究專項規劃中，量子通信與量子計算機被列為“事關未來發展的重大科技戰略任務”的首位。此外，2020年計劃開放安徽省合肥市量子信息科學國家實驗室，這將是世界上最大的量子研究機構。反觀台灣一直陷於政治紛擾中，政府不提倡科技，量子計算機領域也只是跟著美國IBM釋出的訊息走，缺乏獨自創新的能力。 

             2019年有兩件引起世人關注，一個是IBM公司在年初的國際消費類電子產品展覽會（CES）上，展出了最新的量子計算機模型，另一個，則是谷歌在《自然》雜誌上發文，宣告“量子霸權”，IBM傳達的只是：把以往被關在數十平方米計算中心裡的量子計算系統，做到了能夠一體化交付的狀態但離真正意義上的商用還相去甚遠。谷歌在《自然》雜誌上發表的（用可編程超導處理器實現的量子霸權）的論文，助其率先實現了量子霸權。論文提到，谷歌團隊研發出了一款由54個量子比特（qubits）組成的量子處理器，命名為西克莫，它只花約200秒的時間完成超級計算機來需要花1萬年才能完成的任務。阿里達摩院發布的2020十大科技趨勢中，趨勢七就是量子計算進入攻堅期。量子計算機技術的實際運用，在經濟上，信息時代是被各種軟件和硬件所支撐的，金融、科技、、軍事、行政、基礎設施等方面的數據庫就是“心臟”，一旦“心臟”陷入癱瘓，所有軍事、行政、經濟基礎都將陷入癱瘓。量子計算機出現後，幾百萬年破譯不了的信息都能破譯，也就是說，一旦一國掌握了量子霸權，其他國家軍事、政治、銀行、基礎設施等諸多方面的數據庫都將很容易遭到攻擊，無論再強大的國家都可能在瞬間癱瘓。例如在導彈攔截過程中，攔截導彈的運行速度及攔截方運算的速度是戰鬥勝利的關鍵，各國比拼的實際就是飛彈軌跡運算速度，量子計算機的速度優勢是無庸置疑的。