当中国科学家团队在2017年从中国的“墨子号”卫星发射纠缠光子，进行世界首次量子安全视频通话时，专家宣称中国已在量子通信领域取得领先地位。新的研究表明，这种领先地位也已扩展到量子计算领域。
在上个月发布在arXiv.org上的三篇预印本论文中，中国科学技术大学（USTC）的物理学家报告了量子通信和量子计算方面的重大进展。其中一项研究中，研究人员使用纳米级半导体，即量子点，可靠地传输单光子——任何量子网络的必要资源——通过超过300公里的光纤，比之前的尝试远100多倍。在另一项研究中，科学家们将他们的光子量子计算机从76个探测到的光子升级到113个，对其“量子优势”进行了显著提升，即在特定任务上比经典计算机快多少。“第三篇论文介绍了祖冲之号，它由66个超导量子比特组成，并使用其中56个量子比特解决了一个问题——这个数字与谷歌的量子计算机“西克莫”中使用的53个量子比特相似，后者在2019年创下了性能记录。
“这是一个令人兴奋的进展。我不知道他们会在同一周发布不止一项，而是两项[量子计算成果]，”得克萨斯大学奥斯汀分校的理论计算机科学家斯科特·阿伦森说。“这真是太疯狂了。”
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所有这三项成就都是世界领先的，但特别是“祖冲之号”引起了科学家的关注，因为它是对谷歌2019年里程碑式成果的首次证实。“我很高兴有人重复了这项实验，并表明它运行良好，”前谷歌研究员约翰·马蒂尼斯说，他领导了构建“西克莫”的努力。“这对该领域来说真的很好，超导量子比特是一个稳定的平台，你真的可以在上面构建这些机器。”
量子计算机和量子通信是新兴技术。这些研究都不太可能在未来许多年内投入实际应用。但是量子技术的地缘政治风险很高：成熟的量子网络可以提供无法破解的通信渠道，而强大的量子计算机理论上可以破解目前用于保护电子邮件和互联网交易的大部分加密技术。
目前，美国和中国之间的紧张关系处于几十年来的最高点，两国在贸易、人权问题、间谍活动担忧、新冠疫情和台湾问题上存在冲突。在中国在2017年展示“墨子号”卫星后，美国政治家通过国家量子倡议投入数亿美元用于量子信息科学。这是一种诡异的似曾相识感。大约60年前，美国也同样受到刺激，资助了另一项空中楼阁般的计划——太空探索——因为担心一颗名为“ спутник”的苏联小卫星。
但是，这场争夺量子优势的斗争不必完全是太空竞赛的翻版。加州州立理工大学波莫纳分校的科学历史学家王作跃指出，中国和美国在许多领域——包括科学领域——都密切交织在一起，这可以防止在量子领域出现充满敌意的新竞争。今天，成千上万的学生从中国到美国学习，两国科学家在从农业到动物学的研究领域密切合作。尽管两国之间的地缘政治紧张局势日益加剧，但“他们是彼此之间最大的国际合作伙伴，”王作跃说。
量子比特接力
四十年前，物理学家理查德·费曼提出了一个直截了当的命题：试图模拟基本量子现实的经典计算机可能会被像现实一样本身就是量子的计算机超越。2019年，谷歌的一个由马蒂尼斯领导的团队实现了所谓的量子优势，证明了该公司的“西克莫”系统确实可以在特定、有限的任务上比最强大的经典超级计算机快指数倍（尽管IBM的一个竞争团队对谷歌的成就是否代表真正的量子优势提出了异议）。一年后，中国科学技术大学的研究人员用光子量子计算机进行了类似的实验。
为什么初级的量子计算机在特定任务上可以击败经典超级计算机？常见的说法是这样的：量子计算机不使用经典比特0或1，而是使用量子比特，其状态在测量之前介于0和1之间——所谓的量子叠加。为了在计算机内部协同工作，量子比特还必须纠缠在一起，或者彼此量子关联。
考虑“祖冲之号”和“西克莫”执行的任务可能更直观。“这几乎是令人尴尬的简单，”阿伦森说。“你所做的只是一个随机的量子操作序列。”这组混乱的指令将所有量子比特纠缠成一个大的、混乱的状态。描述这种状态对于量子比特比比特更容易。描述两个纠缠的量子比特需要四个经典比特。（有四种可能的结果：00、01、10或11。）状态复杂度呈指数级增长，因此描述50个量子比特需要250，或者大约一千万亿比特。光子量子计算机创建了类似纠缠的混乱状态，但使用光子代替量子比特。
这就是为什么即使是一台小型50量子比特的量子计算机也可以击败一台大型经典超级计算机。“如果你看看西方——美国、欧洲——没有很多人谈论重复[谷歌2019年]的实验，”马蒂尼斯说。“我钦佩的是，在中国，他们想认真地做这件事。”
凭借56个量子比特和113个探测到的光子，中国科学技术大学在两篇新的预印本中详细描述的系统现在在技术上是世界上最强大的量子计算机——有两个重要的注意事项。首先，这两台量子计算机都不能做任何有用的事情。（光子量子计算不是一个通用的计算机平台，因此即使扩大规模，它也不会成为传统的、可编程的计算机。）其次，目前尚不清楚它们实际上比经典计算机有多少量子优势。在过去的几个月中，一些研究声称有能力近似地模拟那种混乱的纠缠态，特别是对于光子量子计算机而言。
尽管使用光子量子计算机存在困难，但中国科学技术大学的研究人员有充分的理由掌握这个平台，因为光子是中国新兴量子网络的媒介。目前，数千公里的光纤电缆已经在北京和上海之间创建了一条初步的量子链路。这条链路不是完全实现的量子连接：它被节点分割开来，因为光子在光纤中传播一定距离后会屈服于噪声。真正的量子网络可能具有多种应用，但主要的两个应用是精确同步和无法破解的通信。
为了实现这一承诺，量子网络将需要——除其他事项外——可以用于量子密钥分发或其他需要纠缠的操作的纠缠单光子。量子点被认为是单光子的理想来源。到目前为止，量子点从未通过超过约1公里的光纤发送过单光子。（通常，光纤越长，噪声越大。）但是，中国科学技术大学的团队设法增加了传输距离，同时还降低了单光子的噪声。他们的成功来自于采取了艰苦的措施，例如将300公里光纤的温度稳定在摄氏十分之一度以内。
在量子领域竞赛
中国在量子信息技术方面领先于美国吗？答案取决于你如何衡量。虽然估计各不相同，但两国似乎都为这项研究每年投入超过1亿美元的资金。中国在量子技术的全 spectrum 拥有更多的专利总数，但美国公司在量子计算专利方面拥有显著的领先优势。当然，中国拥有更先进的量子网络，现在还声称拥有世界顶级的两台量子计算机。
“对于美国来说，这是一个非常新的问题，”美国物理学会的科学政策分析师米奇·安布罗斯说。“它在很长一段时间内，在很多领域都处于领先地位，以至于它实际上并没有过多考虑落后意味着什么。”
从广义上讲，中国的量子研究几乎完全是国家驱动的——集中在少数几所大学和公司。相比之下，美国的科研则分散得多——分布在数十个资助机构、大学和私营公司。
“中国政府非常认真地考虑科学技术，可能比美国政府更认真，”王作跃说。“没有人会承担这个责任。”
目前，美国政府正在确定如何资助量子信息科学的未来，例如拟议的2021年创新和竞争法案，该法案将为通信研究提供15亿美元，包括量子技术。为了应对对中国的安全担忧，该法案还优先考虑半导体制造业，并包含一项条款，限制与中国在核能和武器方面的合作。这并不是首次限制两国之间的科学合作。自2011年以来，美国宇航局一直受到沃尔夫修正案的约束，该修正案禁止与中国航天机构进行任何合作，除非获得豁免。相反，由于1979年美中科学技术合作协定，中国和美国也进行了四十多年的官方科学合作。
随着两国紧张关系的持续升级，量子研究占据了一个尴尬的位置：尽管它仍然是当前的实际应用有限的基础研究，但其未来的战略潜力是显而易见的和巨大的。“对于任何领域的科学交流，更不用说量子领域了，未来的规则是什么？”安布罗斯问道。对量子技术的大量资助可能会进一步激化关系，但也可能刺激竞争国家之间为证明其量子实力而进行的更多合作和透明度。
在冷战期间，美国和苏联试图在核武器、太空飞行和其他具有战略意义的技术追求方面，展示与对方的对等，甚至超越对方的实力。莫斯科国立高等经济研究大学的科学外交专家奥尔加·克拉斯尼亚克认为，由此产生的美苏科学交流帮助结束了冷战。“科学外交具有这种优势——它使用科学，而科学是普遍的，”克拉斯尼亚克说。同样重要的是，它使用科学家——他们历来利用共同的人性和对知识的共同追求来克服任何意识形态差异带来的压力。量子计算和通信可能确实有能力重塑世界。但是，克拉斯尼亚克说，“我也相信人类沟通的力量。”