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[科技] 量子科研 Quantum science

量子科研 Quantum science

社評:中國奪量子「首金」 香港可參與大科學
http://news.mingpao.com/pns/dailynews/web_tc/article/20160822/s00003/1471803817792

「創科博覽2016」下月將在本港舉行,屆時內地頂尖科學家、國產919民航客機、蛟龍深潛器等上天入地的尖端科研成果,將在香港現身。在這些國際一流成果之外,內地還有一些領先全球的科研成果未能亮相,而中國正蓄力排難,圖領跑全球「大科學」,香港除了圍觀,當可躋身其間有所貢獻。

在里約奧運會上,中國選手意外失去多個「首金」,中國科學家卻在人類仍陌生的量子科研領域奪得「首金」。全球首顆量子衛星「墨子號」,上周發射成功,將實驗量子通訊,不僅有利中國構建天地一體化保密通訊體系,更可能引發一系列顛覆性突破成果,造福人類。

量子研究中美奧領先
15年後有望取代光纖
提到量子,先得說墨子。墨子不僅以「兼愛」、「非攻」創立墨家學說,成為春秋戰國諸子百家之一,還是個古代發明家,《墨子》之〈經下〉、〈經說下〉篇,各有後世所稱「光學八條」,他在2000多年前就發現光線沿直線傳播,並設計小孔成像實驗,奠定了今天光通訊、量子通訊的基礎。是以中國首顆量子衛星,就定名「墨子號」。

量子乃光量子的簡稱,其研究和利用被認為是當今物理界頂級課題。在全球量子理論研究領域,奧地利、美國、中國居領先地位。奧地利起步最早,美國投入最多,而中國後發先至。此次中國自主研發量子衛星升空,更實現天地實驗設備、量子糾纏源等多方面國際性突破。

在這層意義上,今次「墨子號」成功發射,今年底京滬「量子通訊幹線」鋪設成功,意味着中國不但量子理論研究領先世界,且成果已應用於遠距離通訊實驗。量子通訊技術一旦成功,中國政府、軍方和金融部門將率先應用,國家資訊安全和金融安全得以保障,軍方信息化戰爭指揮體系也由之建立。

然而,「墨子號」只是中國量子科研的初步成果。按預定規劃,中國將陸續發射「墨子二號」、「墨子三號」,到2025年前後構建起全球首座由中國主導的「量子星群」。則未來量子通訊工程應用、量子通訊產業化推進,均可全球領先。展望約15年後,中國定制的「量子互聯網」,有望取代今天美國主導的「光纖互聯網」。

然而,量子科技領先,只是中國雄心勃勃加入「大科技計劃」的一小步。就在量子衛星成功發射後數日,全國政協上周四在北京召開「雙周協商座談會」,其核心議題正是「國際科技合作與大科學計劃」,會議明顯有意借量子衛星成功升空的「東風」,商議中國如何由全球大科學「跟跑者」,變成尖端科技的「同跑者」,進一步成為「領跑者」。

中國過去30多年的發展,靠廉價勞動力、污染耗能製造業及濫佔土地的粗放式發展雖然取得了一定經濟成就,奠定了經濟實力的基礎,但也付出了慘痛的代價。在國際競爭加劇的今天,科技創新之路已成了中國經濟轉型的必然選擇。

十三五定大科技計劃
香港所長可貢獻國家
中共十八屆五中全會定下新的發展理念,決意落實創新驅動發展戰略。其後國務院提交《「十三五」國家科技創新規劃》,對組織實施國際大科學計劃和大科學工程作出戰略部署,其中包括一批體現國家戰略意圖的重大科技項目。

所謂「大科學」,一般指投入大、多學科交叉的大型基礎科學研究項目。所謂大科學計劃,主要指以國際合作形式展開、成果由參與者共享的大型科學工程或分佈式研究。

大科學計劃有助中國創新科技的發展和領先。量子衛星首席科學家潘建偉就在「雙周協商座談會」上,結合量子研究領域的實踐,提出應借鑑國際經驗,對中國主導的國際大科學計劃中某些任務,借助國際優勢研究力量幫助完成。

然而中國發展大科學仍存在多方面的問題,包括內地的國際合作大科學計劃支持體系尚未建立;現行行政審批體制滯後,先導科研受阻,又常出現斥巨資引進無效或落後技術;內地人事體制不適應統籌人才隊伍建設,難以吸納外籍優才;內地仍缺乏知識產權管理和保護制度,一些合作成果較易以各種形式流失等。

將在港舉行的「創科博覽」,可令香港青年認識國家科技成就,同時給港人有所啟示,即中國加入大科學計劃所受制約之短,恰是香港制度優勢所長,特別是在知識產權保護、國際人才吸納等方面。香港可以更具雄心而非僅作輔助,大專院校可搭建相應平台,與內地科研機構或科學家合作,吸納大科學計劃項目,走出港式大科學的新路。

[ 本帖最後由 大的水 於 2016-8-23 14:50 編輯 ]
大的水

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傳中國量子技術獲突破,可追蹤美國轟炸機
http://technews.tw/2017/11/28/quantum-satellite-china-track-b-2-spirit/
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驅動AI、醫療、通訊新變革,量子電腦將顛覆世界
https://www.bnext.com.tw/article/49062/serious-quantum-computers-are-finally-here.-what-are-we-going-to-do-with-them

具有高速運算優勢的量子電腦,未來若普及化,將對人工智慧(AI)、生技醫療、區塊鏈、通訊領域帶來衝擊與改變。
量子電腦的厲害之處,在於可以在很短的時間內,解決本來需要耗費數十年,甚至好幾個世代才能解決的問題,雖然目前仍面臨許多障礙與困難,但在可預期的未來中,這項新科技將可以用哪些型式顛覆未來世界呢?

人工智慧
量子電腦擁有極快的運算能力,將能大大顛覆人工智慧(AI)發展以及應用場景,利用可以快速處理大量資訊的特性,能夠解決傳統電腦所不能解決的問題。

未來量子晶片將能讓人工智慧邁向行動化,不論是無人機、手機、無人車,都能藉由量子運算系統,即時因應狀況處理資料,若量子電腦能克服只能在低溫環境運作的特性,將能提升資料傳輸效率,甚至透過量子系統加速機器學習速度。

生技醫療
新藥研發是一條漫長且所費不貲的過程,必須通過臨床實驗、主管單位核准等繁複過程,往往需耗費十年之久才能正式上市。

一款藥品是各種化學成分之間的組合交錯,化學家必須嘗試、評估各種組合,才能知道哪種配方可以對疾病有功效,這需要大量的時間、精力不斷嘗試,量子電腦高速的運算特性,可以大幅縮短藥品研發流程,可以協助人類快速檢查藥品配方、計算出最適合的成分。

不僅能提升效率,更能減少人為失誤,能在最短的時間針對疾病,設計出最有療效的藥品,將可大幅縮減藥品的研發成本與加快上市時間。

加密貨幣市場受威脅
區塊鏈最為人所知的應用之一「加密貨幣」在近年掀起熱潮,許多人會透過「挖礦」的方式來獲得虛擬貨幣,那麼擁有高速運算能力的量子電腦,如果加入挖礦的行列,有沒有可能憑著運算優勢為所欲為讓比特幣市場瓦解呢?

對此,新加坡國立大學資工系教授 Divesh Aggarwal 博士曾進行研究,將未來十年量子電腦運算能力的預測,與目前傳統電腦硬體的運算能力做比較,結果顯示現有的硬體在十年內仍能在速度上占有優勢,量子電腦瓦解挖礦的狀況應該還不至於太快發生。

但加密貨幣本身的安全性恐怕也將成問題,目前比特幣透過私鑰以及公開的公鑰進行加密,交易時可以在不公開私鑰的情況下,透過數位簽章驗證持幣者是否持有私鑰,這種技術稱為「橢圓曲線數位簽章演算法(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm)」,而量子電腦有能力解開大部分加密技術。

工研院產經中心經理林澤民就以虛擬貨幣的公鑰與私鑰舉例,傳統電腦要解開私鑰約需耗費1,092億年,但在量子電腦的幫助下,100量子位元的量子電腦只需要三個小時就能破解,對資安甚至國安都是一大威脅 。

隨著量子電腦技術的演進,將會對現在的加密技術安全性產生威脅,Aggarwal 博士更斷言,現行的橢圓曲線數位簽章演算法將可能在2027 年被量子電腦徹底破解,因此目前美國、日本為了因應量子電腦時代,都開始投入新密碼架構的研發。

量子通訊
「量子力學傳送」在十多年前仍只是理論階段,量子傳送必須以「量子糾纏」為基礎,意思是幾個粒子彼此作用後,每個粒子所有的特性都會綜合成為整體性質,無法單獨描述各別粒子的性質,只能描述整體系統的性質,物理學家愛因斯坦(Albert Einstein)曾稱量子糾纏是「鬼魅般的超距作用」。

如何長距離傳輸纏結光子,一直是量子加密通訊一大難題,中國在2016 年 8 月發射量子衛星「墨子號」,任務之一就是從衛星向地面發射糾纏量子,由於量子通訊的安全性是基於量子物理的基本原理,而非一般的加密技術,因此若能有所進展,將能從根本解決資訊安全問題,避免駭客攻擊和竊聽。

2017年中國研究人員表示,「墨子號」順利從太空傳送了「無法破解的」高速量子密鑰,被稱為「中國量子之父」的物理學家潘建偉表示,量子密鑰分發是目前人類唯一已知不可竊聽、不可破譯的安全通訊方式。

量子密鑰分發就像是一個人要把寶物交付給另一個人,需要同時將放置寶物的箱子以及鑰匙一起交出,而鑰匙正是唯一可以開啟箱子的工具,一旦鑰匙被動過手腳,寶物持有者就會發現並將原本的鑰匙作廢,並換一把新鑰匙,確保收到寶物的人是對的。量子加密通訊採用「一次一密」機制,一旦量子密鑰被駭客攔截,自身狀態便會改變,攔截者將無法取得資訊,而「墨子號」的實驗,將為全球量子通訊奠定基礎。
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谷歌发布72位量子处理器“狐尾松” 称将实现“量子霸权”
http://www.guancha.cn/industry-science/2018_03_09_449562.shtml

近日,在美国洛杉矶举行的美国物理学会年会上,谷歌公司发布72量子比特的量子处理器“狐尾松”(Bristlecone),称这一设备未来可实现“量子霸权”(quantum supremacy)。

量子计算机的基本单位是量子比特,与传统比特取值0或1不同,量子比特可以是0,1或两者的叠加,这要归功于量子的叠加性。通常来说,能使用的量子比特越多,计算能力就越强。业界认为,如果量子计算机能以足够低的误差有效操纵50个左右量子比特,计算能力就能超越传统计算机,即实现量子霸权。

所谓“量子霸权”,即它可以在一个明确的计算机科学相关的问题上具有超越经典的超级计算机的表现。从计算复杂度理论的角度来看,这意味着超过目前最佳经典算法的超多项式加速。

“狐尾松”这一名字的由来是源于芯片中的量子比特排列成类似松果鳞片的图案。据美国《科学》杂志报道,“狐尾松”是谷歌此前9量子比特处理器的扩展版本,采用了相同方案进行耦合、控制和读出,但被扩展为72个量子比特的阵列。

此前,经谷歌研究人员计算后认为,量子霸权的目标可以通过使用49个量子比特,一个超过40的电路深度,一个低于0.5%的2个比特误差进行完美的证明。为何这次这次“狐尾松”一下子跳到了“72”量子比特?

据《麻省理工科技评论》分析,谷歌选取72位量子位这一数值不仅能展现未来的量子霸权,还能利用面编码技术进行一阶和二阶纠错研究,用作研究量子比特可扩展性和错误率的试验装置,开发量子模拟、优化和机器学习等应用程序。

那么,这个72量子比特处理器实现“量子霸权”的可能有多大?

谷歌联合美国航天局等机构成立的“量子人工智能实验室”5日表示,谷歌对“狐尾松”实现量子霸权持“谨慎乐观”态度。

“狐尾松”要实现这一里程碑,面临的最大挑战是将系统错误率降到9量子比特处理器水平,即1%的读数错误率、0.1%的单量子比特门错误率和0.6%的双量子比特门错误率。降低错误率需要调试整套系统,包括软件、电子控制元件和处理器本身。业界认为,这一过程可能需要数月时间。

上面的 2D 概念图显示了误差率和量子比特数之间的关系。谷歌量子人工智能实验室的预期研究方向为图中红色曲线,谷歌希望在不断纠错中,让量子计算机实现相关应用。

谷歌表示,当我们可以实现几十乃至几百万量子比特0.1-1%的错误率时,量子计算机将开始真正高效解决实际问题。这可能需要十年或者更久的时间。

但是,在制造出大规模量子比特量子计算机之前,我们可能会先实现一些小型的、甚至是商用的量子计算机,或者说量子计算商业应用。

2017年,谷歌量子团队在《自然》杂志刊文称,他们坚信即使还缺乏能够完整纠错的理论,但5年之内仍会有与量子计算有关的小型设备问世,而这也将给投资者带来短期的回报。

“早期的量子计算设备将在量子模拟,量子辅助优化和量子采样领域有商业运用。更快的计算速度对从人工智能到金融和医疗等领域具有明显的商业优势。”

目前,全球范围内对量子霸权的竞逐已进入白热化阶段。美国国际商用机器公司(IBM)去年11月推出了全球首款50量子比特的量子计算机原型机,并于上周公开展示了这一原型机和内部结构图。英特尔、微软等科技巨头都在这个领域大量投入。中国研究人员也正在光与冷原子系统、超导系统等多种量子计算技术路线上同时发展。
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