美中「量子科技」爭霸戰─科技與智慧（8）
作者：陳華夫
美國2020/10/15日公佈「關鍵和新興科技國家戰略」，人工智慧 (AI)、量子資訊科學、半導體等 20 項技術都被列入清單，藉此保護美國在這些尖端科技方面的領先優勢。兩天後（2020/10/17日）中國通過《中華人民共和國出口管制法》自2020/12/1日起施行。據彭博新聞社報導：「這項新法律將“加入”北京的監管“武器庫”，其中已經包括一份禁止出口限制出口技術目錄和一份不可靠實體清單。這項法律還將有助於把中國置於與美國類似的地位，美國經常戰略性地對其對手使用出口管制和許可證。」
於是美中科技戰，已從5G的半導體IC戰（見拙文「華為禁令」對台積電的考驗─貿易戰（22））、造船（見拙文美中軍民用造船工業爭霸戰─貿易戰（27））、造飛機（見拙文美中軍民用飛機製造工業的爭霸戰─貿易戰（28））、稀土材料（見拙文「石油時代」翻篇與「稀土時代」崛起的啟示錄─貿易戰（26））、彈導導彈（見拙文美中彈道導彈之異地異時攻擊的爭霸戰─科技與智慧（6）），正式進入「量子科技」爭霸戰。
所謂「量子科技」就是如何操控個別原子、電子、光子甚至原子核等的「量子退相干」（Quantum decoherence）及量子糾纏（quantum entanglement）行為。當前「量子科技」主要分為3方面：1）量子計算、2）量子通訊、及3）量子雷達，現在分別解析如下：
1）量子計算：
雖然全球的超級電腦由日、美、中三強鼎力（見拙文超級電腦世界爭霸戰的啟示錄─貿易戰（14）），但美國Google在2019/8月宣佈了重大突破，Google的「量子處理器」Sycamore花3分20秒就完成當前最快速超級電腦要花一萬年完成的運算，而實現「量子至尊」（quantum supremacy），領先日、中。而2020年超級電腦冠軍的日本，在研發量子技術的費用僅中美的 1/3，在量子電腦的爭霸戰裡，已被邊緣化。
（按：根據美國國家科學基金會（NSF）的調查數據，比較 2017 年各國包含民間機構在內的研發費用，美國是以近 5500 億美元奪冠，中國的研發費用也逼近 5000 億美元，日本只有 1700 多億美元。）
儘管Google此次量子計算佔了上風，但有分析指出，中國由十多年前開始投資量子力學研究和人才培養，以各種優惠政策，在美國、歐洲等地挖角，聘請了在當地留學的量子力學科學家。去年中國擁有的量子力學相關專利為492件，是排名第二的美國（248件）的約兩倍。
量子（quantum）是構成物質的最基本單元，早已成為未來人類的核心技術，甚至有人說「支配量子的國家將支配世界」。「量子電腦」所處理的資訊是「量子位元」，而非普通二元的0與1位元（bit）。也就是說，一個「量子位元」（quantum bit或 qubit）並非二元的，而是可以處於一種所謂的「疊加狀態」（superposition state）─即一個量子系統的幾個量子狀態的線性組合。
若把「量子位元」看成是球面上的一點，地球北極代表普通的二位元的”1 bit”，地球南極是”0 bit”，地球表面的其它的地點，則代表可能的「疊加狀態」。量子電腦之所以具有特殊能力，原因就在於「量子位元」能夠自由地在整個地球表面上漫遊。
通常在實際的量子電腦裡，「量子位元」是用局限於某個地方的粒子（如單獨的「原子離子」或「電子」）的某些量子性質來代表，而它們的疊加狀態極為脆弱，會和周遭的電腦外殼之材料交互作用，而破壞「量子位元」的「疊加狀態」，於是干擾了量子計算的結果。
因為建造此種干擾少到可接受的量子電腦極為困難，於是科學家另起爐灶，利用的量子狀態的「拓撲」（topology）性質來做量子計算。「拓撲」是一門數學，它研究的是，當物體在平滑變形（例如伸長、擠壓、彎曲、但不得切斷或連接起來）之下仍會保持不變的性質。「拓撲」涵蓋的項目之一是「紐結理論」（Knot theory）。
微小平滑變形的擾動，並不會改變物體的「拓撲」性質。例如，一條弦綁成一個扭結的封閉迴圈，和沒有扭結的封閉迴圈相比，在拓撲上兩者是不同的。將沒有扭結的封閉迴圈變成一個封閉迴圈加上扭結的唯一辦法是切斷弦，綁出扭結，再將弦的兩端封起來。
同樣的，要把一個拓撲量子位元轉變成另一種狀態，也非得利用類似的激烈方式不可，來自周遭的電腦外殼的材料的一點點推擠干擾是無法改變「拓撲」量子位元的。
目前也在微軟從事研究的傅利曼（Michael H. Freedman）於1988年秋天在哈佛大學演講，主題就是利用量子「拓撲」進行量子計算的可能性。他在1998年發表了一篇研究論文，闡述了他的想法。傅利曼的想法奠基於一項數學發現：某些屬於「結不變量」的數學量，和二維曲面隨著時間而演變的量子物理有關。如果我們可以創造物理系統的某個狀況，同時對它做適當的測量，就可以約略自動計算出「結不變量」，不然我們就得透過傳統電腦執行冗長又不方便的計算。這就是結合數學上拓撲的概念，創造出的新的量子計算方式。
量子電腦可以計算一般電腦無能為力的計算。例如，它能夠在合理的時間之內，將很大的數字分解成其組成因數，就可以破解密碼系統。幾乎所有保護高度敏感資料的密碼系統，都會被某個量子計算所破解。
目前英特爾(Intel)、IBM、微軟(Microsoft)及 Google等世界各大科技公司都在重點開發的下世代的產品─量子電腦。在量子電腦的研發中，完全拋棄半導體控制門閥開關的0與1的數位化，而是用「量子疊加狀態」來處理資訊（稱之為量子資訊），並用「量子糾纏」實現「平行計算」。
位於加拿大溫哥華附近的D-Wave 系統公司（D-Wave Systems, Inc）是全球最早的量子電腦研發製造公司，去年他們研發的D-Wave II，其處理器含2000多個超導量子位元，計算能力與解決同一問題的傳統超級電腦相比，快了1億倍，但只用來解決單一問題，是一種做優化方法的機器，稱為量子退火機，並不是真正的量子電腦。研發通用的量子電腦首先要克服的難題是克服「量子退相干」（Quantum decoherence）問題。微軟公司10多年前就專注在「拓撲」量子電腦的研發上，因為「拓撲」量子態被認為可能不受「量子退相干」的影響，但至今單個「拓撲」量子位元的成功實驗還沒有實現。
2）量子通訊：
中國已擁有多項重大成果，諸如中國建造並交付使用的全球首顆量子科學實驗衛星─墨子號、世界首條量子保密通信幹線─京滬幹線，以及2020/9月，北京清華大學研發推出的量子通信樣機。（見量子通信重大进展！北京成功研制首台量子直接通信样机）
量子網際網路（Quantum Internet）是指在多個通訊節點間，利用量子密鑰分發（QKD，即Quantum Key Distribution）進行安全通訊的網路。各節點間產生的量子密鑰可以對傳統的語音、圖像以及數位多媒體等通訊數據進行加密和解密。於是量子通訊線路無法遭掛接竊聽或攔截竊聽，因為只要被竊聽就會讓量子態發生變化，就會被發現而處理，而實現了安全無洩密的通訊。
世界上已有美國、歐洲、中國等多個研究小組和機構致力於量子通訊網的研發。2004年，中國科學技術大學潘建偉教授的科研團隊首次實現五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸。2016/8/6日，中國發射全世界首顆量子科學實驗衛星。截至2017年8月，已完成了包括千公里級的量子糾纏分發、星地的高速量子秘鑰分發（QKD），以及地球的量子隱形傳態等預定的科學目標。
2017/9/29世界首條量子保密通訊幹線「京滬幹線」正式開通。當日結合京滬幹線與「墨子號」量子衛星，成功實現人類首次洲際距離且天地鏈路的量子保密通訊。「京滬幹線」接北京、上海，貫穿濟南和合肥全長2000餘公里，全線路密鑰率大於20千位元/秒可同時供上萬用戶密鑰分發（QKD）。
2019/6中國科大潘建偉教授及其同事陳宇翱、徐飛虎等在國際上首次實驗實現全光量子中繼器的原理性驗證，為構建遠距離光纖量子網絡開闢了新途徑。該項工作成功驗證了「全光量子中繼器」的可行性，在原理上使得量子存儲器不再是搭建「量子中繼器」的必要條件，為實用化「量子中繼器」的研究開闢了新途徑。該成果將於國際學術權威期刊《自然·光子學》上在線發表。於是中國在衛星引起的糾纏方面屢創佳績，中國科學家並且在創紀錄的745英里（約1198公里）內實現了QKD（量子密鑰分發）。
（量子科學實驗衛星─墨子號，圖片來源：為我國量子科學實驗衛星“墨子號”點贊）
3）量子雷達： 量子雷達是2008年美國麻省理工學院的Lloyd教授首次提出了量子遠程探測系統模型。2012年美國羅賈斯特大學光學研究所的研究團隊聲稱研發出一種抗干擾的量子雷達理論，這種雷達利用光子碰觸到目標後產生的量子態變換來偵測目標物，可以表徵量子「漲落變化」等微觀資訊，所以整個量子雷達靈敏度極高，雜訊基底極低，又幾乎不可能被電波干擾，再加上能忽略工作頻段、雜波等，此種雷達探測第5代隱形戰機的範圍理論上可達數十倍。
2016/8中國「電科1」的「智慧感知技術重點實驗室」發布成功研製「單光子檢測量子雷達系統」成品，在中國科學技術大學、中國電科27所以及南京大學等協作單位的共同努力下，完成了量子探測機理、目標散射特性研究以及量子探測原理的實驗驗證，並且在外場完成真實大氣環境下探測試驗，獲得了百公里級探測威力，探測靈敏度極大提高，指標均達到預期效果，並且可以發現現役的第5代隱形戰機。（見拙文美中軍民用飛機製造工業的爭霸戰─貿易戰（28））
量子雷達技術是目前世界上公認的克制隱身飛機的技術。這種雷達是基於量子力學原理，依靠量子糾纏特性，來探測外界有著比傳統雷達無可比擬的優點。首先，就是對於隱身飛機的探測，隱身飛機目前只能規避傳統雷達的電測波，在面對量子雷達時，毫無隱身作用，這也意味著中國量子雷達已能成功的偵測第5代隱形戰機。在台海戰雲密佈之際（見拙文台灣已成美中戰略的亞洲「富爾達缺口」與「台灣豪豬論」─貿易戰（30）），應該仔細評估量子雷達的功能。
結論：「量子科技」就是如何操控個別原子、電子、光子甚至原子核等的量子相干及量子糾纏行為。主要分為3方面：1）量子計算、2）量子通訊、及3）量子雷達。Google於2019/8月實現「量子至尊」，但同年中國量子力學相關專利為美國的兩倍。中國的「墨子號」量子衛星領先美國，中國的「量子雷達」已能成功的偵測第5代隱形戰機。
川普怒轟大陸「明明很有錢」！左手借錢右手撒錢…大陸磁浮列車「好犀利」！「無人駕駛」時速達600公里 英特爾「低溫控制晶片」出世！ 「量子電腦」加速商業化
目前做出量子電腦的大多是美國科技廠，為何日企在量子爭霸戰中相對「邊緣」？
10月19日！中國突然宣佈！禁止美國使用這項技術！隱忍60年終於出手！美國54年科技發展化為烏有！習：百年國運在此一戰！
中国新型雷达获重大突破！美军F22无处遁形！美军量子导航超越GPS？