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量子科技:飞向未来的船与帆
发布时间:2023-10-30 来源:武汉市工程咨询部有限公司 浏览:489

习总书记在主持中央政治局第二十四次集体学习时强调,量子科技发展具有重大科学意义和战略价值,是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新,将引领新一轮科技革命和产业变革方向。

    一、量子科技的概念

量子科技是一门研究和应用基于量子力学原理的科技领域,其目标是利用量子态的特殊性质来开发新型的计算、通信、传感、加密和其他技术应用。量子科技涵盖了多个子领域,包括量子计算、量子通信、量子传感、量子加密、量子仿真等,在提升计算困难问题运算处理能力、加强信息安全保护能力、提高传感测量精度等方面,具备超越经典信息技术的潜力,并由此产生相应若干个产业赛道。

量子科技发展具有重大科学意义和战略价值,被视为一场生产力革命。量子科技是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新,将引领新一轮科技革命和产业变革方向,是加快实现中国制造2025,推动实现我国由“中国制造”向“中国创造”转变的重要内容,是加快建设创新型国家,创新引领发展战略的重要抓手,为全面深化“三去一降一补”污染防治攻坚战作了有力支撑。

    二、量子科技核心技术进展

量子科技属于战略性、基础性的前沿科技创新领域,可以在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典技术的瓶颈,事关全球科技革命和产业变革的走向,是国际竞争的焦点。以量子通信、量子测量和量子计算为代表的量子科技技术已成为未来国家科技发展的重要领域之一,这三大技术的应用领域广泛,相关领域的发展始终得到国家高度重视和大力支持。虽然我国在量子科技领域的研究和应用起步较晚,但经过20余年的不懈奋斗,我国已经在量子科技领域形成了具有相当体量和规模的研究队伍,突破了一系列重要科学问题和关键核心技术,取得了一系列重大突破。

量子通信方面,我国率先发射了首颗量子科学实验卫星“墨子号”,并建成了千公里级的量子保密通信“京沪干线”,在此基础上成功构建天地一体化量子通信网络,跨度达4600公里。

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图1 全球首个天地一体化量子通信网络

(来源:中国科学技术大学)

量子测量方面在国际上首次实现了亚纳米分辨的单分子光学拉曼成像,在室温大气条件下获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱。实验中通过引入量子控制把非对易的量子信道调控为对易量子信道,在国际上首次实现对一般非对易信道参数测量中达到海森堡精度极限。

量子计算方面,研制出世界首台光量子计算原型机,2020年12月,中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”,这一突破使我国成为全球第二个实现 “量子优越性”的国家。2021年10月,祖冲之二号的问世使得中国成为目前唯一在光量子和超导量子比特体系两条技术路线上达到“量子优越性”里程碑的国家。2023年10月11日,成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”,再度刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录。我国在量子计算领域已完成了光量子、超导、超冷原子、离子阱、硅基、金刚石色心、拓扑等所有重要量子计算体系的研究布局,使得我国成为包括欧盟、美国在内的三个具有完整布局的国家(地区)之一。

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图2 祖冲之2.0超导量子芯片(左)、祖冲之2.0实验室(右)

(来源:中国科学技术大学)

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图3 九章二号量子计算机原型(左)、九章2.0全图(右)

(来源:中国科学技术大学)

    三、我国量子科技发展面临多重挑战

(一)基础科学和关键技术方面存在不足,仍需着重填补多项短板

加强基础研究,是实现高水平科技自立自强的迫切要求,是建设世界科技强国的必由之路。量子科技的发展离不开基础科学研究的支撑,包括量子物理学、量子力学等方面的研究。我国在这些领域的研究相对滞后,需要加强基础科学研究的投入与支持。

(二)量子科技领域研发主要集中于科研院所,企业参与程度有待提升

近年来,国内商业巨头先后成立实验室,扩大量子信息领域布局,但在成果研发上与国际龙头企业还存在一定差距;国有企业则多通过与私营企业合作模式推动量子通信子领域产品化、产业化。总之,国内企业在研发中发挥作用较小,研究机构和企业之间合作交流有限,缺乏稳定沟通合作平台与机制,难以推动产学研在量子信息领域联合创新。

(三)高水平科研人才紧缺,专业学科基础人才储备不足

提高量子技术领域竞争优势,人才生态建设至关重要。目前,我国量子信息科学后备人才培养体系较为单一,主要基于中国科学技术大学、清华大学、浙江大学等高校硕博研究生培养,量子信息领军企业中专业人才比重不高,人才培养起步晚,无法及时填补我国量子信息人才的缺口。

    四、对武汉发展量子科技的相关建议

(一)强化基础研究,从源头和底层解决关键技术问题

抓牢量子科技发展机遇,实现量子科技高质量发展,就要扎实做好基础性工作。要筑牢理论基础,强化量子科技基础研究的部署和投入,加强基础理论研究,增强支撑量子科技创新驱动发展的源头供给,不断提升原始创新能力,依托武汉大学、中国地质大学(武汉)、海军工程大学、中科院武汉分院等知名高校科研院所,着力实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。

(二)推进产学研深度融合,保障量子科技成果转化

创新科技金融体系,引导、鼓励企业和社会资本参与量子科技研发,实现创新链和产业链贯通发展。同时,武汉科教、人才资源丰富,“未来产业”基础研究成果突出,政府可以进一步健全科技成果转化机制,为企业提供资金、政策支持,助力企业、产品落地全过程,构建良好的创新生态,全力保障、服务科研成果转化。

(三)加强统筹布局,不断增强量子科技创新水平

量子科技的进一步发展,迫切需要多学科的交叉融合和各项关键技术的系统集成。面向这一需求,需要充分发挥体制优势,以长远科技目标为牵引,通过人才、基地、项目全要素一体化配置,会聚相关优势力量统筹组织基础研究、应用基础研究、技术研发、成果转化与产业化全链条布局,构筑武汉量子科技发展系统性优势。

(四)培育专业型人才,完善人才战略布局

要加快量子科技领域人才培养力度,依托武汉各大高校、国家重点实验室,围绕量子科技前沿方向,加强相关学科和课程体系建设,加快培养一批量子科技领域的高精尖人才,建立适应量子科技发展的专门培养计划,打造体系化、高层次量子科技人才培养平台,营造有利于激发科技人才创新的生态系统。进一步制定更为先进合理的人才政策、培育和引进高层次人才、加大对“未来产业”基础研究的扶持力度,为武汉市培育发展“未来产业”提供支撑。

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