近年，“量子”“量子熱學(xué)”這些名詞的熱度不斷攀升，與之相關(guān)的量子科技也得到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，美國(guó)各界尤其是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)界正在不斷加強(qiáng)量子科技方面的研究力度。一時(shí)間，量子科技這一前沿技術(shù)如洪災(zāi)通常快速發(fā)展，而且成為推進(jìn)數(shù)字時(shí)代產(chǎn)業(yè)革新、計(jì)算結(jié)構(gòu)升級(jí)以及經(jīng)濟(jì)快速高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎，量子科技領(lǐng)域研制風(fēng)潮不斷飆升。
追本探源——量子科技由何而至
不同于第一代量子科技，現(xiàn)在的量子科技是一門綜合性很強(qiáng)的交叉學(xué)科，其從量子化學(xué)基本原理——量子熱學(xué)出發(fā)，借助量子相干特點(diǎn)，以探求用于估算、編碼和信息傳輸?shù)娜滦问健?span style="display:none">ELi物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
為了理解量子科技，我們必需要先厘清楚量子科技的基礎(chǔ)——量子熱學(xué)。量子熱學(xué)是研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)學(xué)，主要研究原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)等。自其完善以來，量子熱學(xué)便成為整個(gè)微觀數(shù)學(xué)學(xué)的理論框架，幫助人們更好地認(rèn)識(shí)宇宙的本源、物質(zhì)的本質(zhì)以及事物的發(fā)展規(guī)律。
量子科技便是以量子熱學(xué)為理論基礎(chǔ)的新興前沿技術(shù)，科學(xué)家們借助量子本身的特點(diǎn)，操控量子的存在狀態(tài)，研制出如量子估算、量子通訊、量子貨幣等一系列技術(shù)應(yīng)用，極大地改變了人們的日常生活，量子科技成為新時(shí)代福音。
作為量子熱學(xué)的理論基礎(chǔ)，知名的海森堡不確定性原理表明：對(duì)微觀粒子未能同時(shí)精確地檢測(cè)其位置和速率。而海森堡提出的微觀世界量子化學(xué)學(xué)和傳統(tǒng)數(shù)學(xué)學(xué)的區(qū)別促使愛因斯坦提出了“上帝不擲色子”的知名論斷，喻示著量子熱學(xué)發(fā)展的曲折。
1935年多位科學(xué)家一起提出的“量子糾纏”概念更是進(jìn)一步旁證了微觀粒子在系統(tǒng)中互相作用、相互影響，而不能單獨(dú)觀測(cè)的相干特點(diǎn)。
隨著時(shí)間的推移，休·埃弗雷特于20世紀(jì)中葉又提出了多元世界理論，這些理論強(qiáng)調(diào)只要某一物體存在于一種特定狀態(tài)下，該對(duì)象所處的世界才能轉(zhuǎn)化為與它可能存在的狀態(tài)數(shù)相等的一系列平行世界，其中每一個(gè)平行世界就會(huì)包含該物體的一個(gè)獨(dú)一無二的狀態(tài)。這一解釋加深了理論化學(xué)學(xué)和量子化學(xué)學(xué)之間的聯(lián)系。
▲休·埃弗雷特于20世紀(jì)中葉提出了多元世界理論
現(xiàn)在，量子理論方面的研究仍在繼續(xù)推動(dòng)，其中部份理論早已進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證，但是被廣泛用于現(xiàn)實(shí)生活中。量子理論的階段性研究推動(dòng)了現(xiàn)代量子科技的發(fā)展，同時(shí)也為日后的技術(shù)研制奠定了理論基礎(chǔ)。
百舸爭(zhēng)流——大國(guó)博弈日趨激烈
隨著各國(guó)不斷加強(qiáng)對(duì)量子科技方面的資金投入和新政支持，并將“瞄準(zhǔn)量子科技，建設(shè)技術(shù)高地”列入本國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略，量子科技便開始以“星火燎原”之勢(shì)對(duì)社會(huì)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致顛覆性影響。
量子科技方面的競(jìng)技也早已上升到了國(guó)家層面，越來越多的國(guó)家競(jìng)相制定量子科技發(fā)展戰(zhàn)略和專向計(jì)劃，世界即將步入全面推進(jìn)量子科技發(fā)展的戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)時(shí)代，量子科技方面的大國(guó)博弈日趨白熱化，各大國(guó)及各組織都制訂了相應(yīng)的量子科技發(fā)展戰(zhàn)略，在適應(yīng)本國(guó)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的同時(shí)又提出了一些創(chuàng)新型計(jì)劃。
目前，加拿大在能源行業(yè)加強(qiáng)量子估算的融合創(chuàng)新量子物理就業(yè)前景如何，創(chuàng)立了首個(gè)能源行業(yè)量子估算聯(lián)盟——量子未來電力系統(tǒng)升級(jí)計(jì)劃，借以“結(jié)合量子信息和量子估算的力量，專注開發(fā)新的量子模型、方法和算法”。
為保證數(shù)據(jù)安全傳輸，歐共體各成員國(guó)加強(qiáng)量子加密通訊方面的研究力度，并成功構(gòu)建量子通訊基礎(chǔ)設(shè)施，共同進(jìn)行量子保密通訊管理，因而確保敏感信息和數(shù)據(jù)的絕對(duì)安全。臺(tái)灣在量子保密通訊科研方面投入力度巨大，與法國(guó)聯(lián)合構(gòu)建東京量子保密通訊試驗(yàn)床網(wǎng)路并持續(xù)舉辦現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。
據(jù)悉，量子計(jì)算機(jī)的研制和量子算法的提出也對(duì)世界形成了極大影響。相較于往年的計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速率更快。日本的超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”，其運(yùn)算峰值可達(dá)每秒20億億次。據(jù)恐怕，“頂點(diǎn)”運(yùn)算一萬年能夠解決的問題，53個(gè)比特的量子計(jì)算機(jī)僅需200秒便可解決，極大地提高了算力。
據(jù)悉，量子計(jì)算機(jī)的初始化能力、可控能力、擴(kuò)展能力、穩(wěn)定能力和被檢測(cè)能力更強(qiáng)，更能滿足人們的日常生活須要。量子算法的提出則使實(shí)現(xiàn)人工智能算法成為了可能。
現(xiàn)現(xiàn)在，機(jī)器自主學(xué)習(xí)算法幫助處理數(shù)據(jù)、進(jìn)行檢測(cè)已是常事，但在面對(duì)海量數(shù)據(jù)時(shí)，精典算法的估算能力不能滿足生產(chǎn)生活須要，而量子算法強(qiáng)悍的并行估算能力則解決了這一困局。
量子科技帶來的技術(shù)紅利和科技先進(jìn)性為許多國(guó)家?guī)砹素?cái)富效益和進(jìn)行科技創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，量子科技絕佳的發(fā)展前景造成量子科技領(lǐng)域“你追我趕”的現(xiàn)象愈演愈烈。歐共體作為亞洲地區(qū)的重要組織之一，牽頭制訂了一系列量子技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略。
2020年3月3日，量子旗艦計(jì)劃成員向法國(guó)委員會(huì)遞交了一份戰(zhàn)略研究議題文件（SRA），該文件圍繞量子通訊、量子估算、量子模擬、量子傳感器和計(jì)量等4個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域提出了未來短期、中期、長(zhǎng)期的發(fā)展計(jì)劃和預(yù)期成果，致力推動(dòng)量子旗艦計(jì)劃在量子技術(shù)、創(chuàng)新和發(fā)展等各個(gè)方面的研究量子物理就業(yè)前景如何，并不斷減短和其他國(guó)家的發(fā)展差別。
據(jù)此，各國(guó)政府對(duì)“快速發(fā)展量子科技、搶占技術(shù)制高點(diǎn)”戰(zhàn)略的注重程度可見一斑，但是隨著不斷擴(kuò)寬技術(shù)領(lǐng)域、加大理論研究力度，量子科技的應(yīng)用范圍勢(shì)必會(huì)顯得更廣，其發(fā)展?jié)摿Σ蝗葺p視。
▲量子旗艦計(jì)劃成員向法國(guó)委員會(huì)遞交的戰(zhàn)略研究議題文件
困難重重——研發(fā)計(jì)劃遭到困局
數(shù)字時(shí)代下，量子科技為世界帶來了許多機(jī)遇。我們?cè)缫呀?jīng)歷了兩次量子革命帶來的深刻改革，兩次改革所帶來的經(jīng)濟(jì)紅利讓我們清楚地認(rèn)識(shí)到量子科技蘊(yùn)藏著極其巨大的能量，它除了是推進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的核心力量，同時(shí)也是推動(dòng)信息領(lǐng)域變化擴(kuò)大的關(guān)鍵技術(shù)。
在認(rèn)清量子信息技術(shù)發(fā)展對(duì)信息安全和估算通訊等方面形成巨大沖擊的同時(shí)，我們也要認(rèn)清其快速發(fā)展背后所面臨的困境。
隨著量子領(lǐng)域的相關(guān)研究不斷深入推動(dòng)，各個(gè)組織對(duì)高質(zhì)量人才的需求量也在以指數(shù)方式逐年暴增，量子領(lǐng)域的研制計(jì)劃迎來了困局期。
2019年，美國(guó)啟動(dòng)《國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃》的第二階段。在此之前，德國(guó)量子技術(shù)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)曾發(fā)布一篇名為《國(guó)家量子技術(shù)戰(zhàn)略》的量子科技戰(zhàn)略路線圖。
在該戰(zhàn)略中，美國(guó)計(jì)劃10年內(nèi)完成低成本的氣復(fù)檢測(cè)及非破壞性的生物顯微鏡的開發(fā)；5～10年內(nèi)，完成抗干擾GPS精度級(jí)水下導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)環(huán)境檢測(cè)、地震預(yù)測(cè)、民用工程地下設(shè)施及廢棄物偵測(cè)等應(yīng)用；20～30年內(nèi)，開發(fā)出解決復(fù)雜問題的個(gè)人量子估算系統(tǒng)和高性能、低幀率量子化協(xié)處理器。
其實(shí)，儲(chǔ)備高精尖技術(shù)人才是完成那些目標(biāo)的一大關(guān)鍵誘因，美國(guó)勢(shì)必會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)就會(huì)非常須要高質(zhì)量人才的技術(shù)支持。
其實(shí)，人才過剩并不是只有俄羅斯才能面臨的問題，其他組織和團(tuán)隊(duì)同樣也有著極大的人才需求，各個(gè)領(lǐng)域的人才過剩現(xiàn)象已成為一個(gè)全球性困局，究其緣由是人才儲(chǔ)備方面出現(xiàn)以下幾點(diǎn)問題。
一是人才選拔限制了人才培養(yǎng)和發(fā)展，造成人才培養(yǎng)類型單一。例如，一些企業(yè)或團(tuán)體對(duì)某類人才有超高需求，應(yīng)聘者為攫取就業(yè)崗位，常會(huì)對(duì)照該企業(yè)的需求而發(fā)展自身能力，限制了其他能力的培養(yǎng)。
二是人才培養(yǎng)各領(lǐng)域之間聯(lián)系不強(qiáng)，無法達(dá)到量子科技對(duì)多領(lǐng)域技術(shù)人才的需求。現(xiàn)現(xiàn)在，單一領(lǐng)域的高質(zhì)量人才儲(chǔ)備仍舊充足，而且量子科技作為一個(gè)學(xué)科綜合性極強(qiáng)的行業(yè)，涉及物理、物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科，因而其對(duì)人才的知識(shí)水平有著很高要求。
三是人才質(zhì)量不高，專業(yè)性、技能性人才嚴(yán)重過剩。人才質(zhì)量的高低關(guān)乎著量子科技能夠順利研制、應(yīng)用、普及，關(guān)乎著能夠產(chǎn)生有機(jī)整體，推動(dòng)進(jìn)行頂樓設(shè)計(jì)等幾個(gè)關(guān)鍵戰(zhàn)略發(fā)展方向。
為此，怎么推動(dòng)建設(shè)人才補(bǔ)給鏈?zhǔn)钱?dāng)下各國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略中必需要思索的一大問題。
面對(duì)無法橫貫的人才斷崖，各國(guó)首先要做的就是盡早強(qiáng)化高等高校在量子科技方面的教育，努力培養(yǎng)綜合性強(qiáng)的高檔技術(shù)人才，做好人才儲(chǔ)備因而應(yīng)對(duì)未來的研制建設(shè)須要。
量子科技作為一個(gè)新興領(lǐng)域，許多方面的研究近乎為零，因而須要大量的資金投入以保證順利展開對(duì)該領(lǐng)域的探求、充足的人才供給以作為持續(xù)研究相關(guān)技術(shù)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)、精密的設(shè)備場(chǎng)所以創(chuàng)造穩(wěn)定觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果的環(huán)境。
量子科技領(lǐng)域的研制是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，其在研制資金和科學(xué)團(tuán)隊(duì)方面的消耗與需求不容輕視，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)覺，目前各國(guó)在量子領(lǐng)域的經(jīng)費(fèi)投入巨大，而且會(huì)出現(xiàn)資金投入不足的現(xiàn)象。
2013年，美國(guó)財(cái)政重臣發(fā)起了俄羅斯國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃。此后西班牙在其研究第一階段投資2.7億美元，并預(yù)計(jì)在未來六年再投資10億歐元。2018年12月12日，日本首相宣布計(jì)劃在未來六年內(nèi)耗資12.75億歐元用于量子科技研究。
2020年6月，日本將量子科技研制資金增至20億美元。龐大的資金需求是舉辦量子科技研究的一大挑戰(zhàn)。
▲IBM美國(guó)團(tuán)隊(duì)裝配量子處理
據(jù)悉，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、研發(fā)環(huán)境、科學(xué)團(tuán)隊(duì)等各種資源過分分散也是無法展開對(duì)量子領(lǐng)域研制探求的一大誘因。為此，加強(qiáng)研制資金投入、加快聯(lián)合現(xiàn)有資源、加緊進(jìn)行相關(guān)設(shè)施建設(shè)是去除量子科技發(fā)展困局的關(guān)鍵措施，各國(guó)應(yīng)當(dāng)做好“硬件”保障，進(jìn)而確保順利展開研究。
量子信息技術(shù)作為典型的交叉學(xué)科，許多學(xué)科之間互相交叉、融合、滲透，涉及到的知識(shí)領(lǐng)域相當(dāng)龐雜，所須要的技術(shù)能力也非常專業(yè)。在探求這樣一門學(xué)科時(shí)，單體的研制力量變得非常弱小，很難對(duì)多個(gè)領(lǐng)域同時(shí)展開研究探求，而且很難有階段性成果。為此，合作便成為了突破量子技術(shù)研究難關(guān)的一大關(guān)鍵誘因。
但現(xiàn)在，各國(guó)組織和研制機(jī)構(gòu)之間的合作交流非常有限，無法做到技術(shù)互通、資源共享、共同研究等。究其緣由，一方面是各國(guó)之間存在壁壘，不能互通技術(shù)；另一方面是沒有可以進(jìn)行國(guó)際交流合作的平臺(tái)；總之是沒有制訂相關(guān)制度以提高各國(guó)之間技術(shù)聯(lián)系。
因此，為了推動(dòng)深化量子領(lǐng)域研究探求，填補(bǔ)技術(shù)弱項(xiàng)，強(qiáng)化國(guó)際合作、構(gòu)建學(xué)術(shù)交流平臺(tái)、交流溝通科研布局是十分有必要的。
▲人才過剩是量子技術(shù)研制的一大困局
盡管目前量子領(lǐng)域研制面臨許多困局，但最主要的困難仍是人才過剩這一關(guān)鍵要素，沒有高精尖技術(shù)人才這一強(qiáng)悍支撐，任何研究都只是不切實(shí)際的空談。