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未来五年,我们应当关注哪些信息技术领域?

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发表于 2019-1-18 09:21:04 | 显示全部楼层 |阅读模式


近几年来,人工智能似乎是站在了科技领域的最顶端。几乎所有领域都在尝试利用人工智能技术改变现有的生成和研究状态,希望利用人工智能领域的成果获取新的发展和突破。在这样的背景下,如果说有哪些科学技术的发展潜力是相比人工智能更加令人期待的,那量子信息技术必然是其中之一。相比于人工智能技术的易于理解性,量子信息技术的门槛更高。那么,这个领域的现状和发展如何呢,是否值得作为自己职业生涯的起点呢,这篇文章将带大家了解量子信息技术的发展和现状。

2018 年 5 月 28 日的两院院士大会上,指出以 “以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用”。量子信息技术作为最具有发展前景的技术领域之一,值得被关注。

量子信息科技第一次革命浪潮是在 19 世纪 20 到 30 年代,爱因斯坦,波尔以及薛定谔等物理学家的研究成果奠定了量子力学理论。第二次革命浪潮出现在 19 世纪末 20 世纪初,朱棣文,崔琦以及格拉布尔等物理学家在量子系统观测调控技术领域取得了重大突破,量子通信技术,量子计算技术以及量子测量技术有了最初步的基础。
    量子计算 以量子比特为基本单元,通过量子态的受控演化实现数据的存储计算,具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力。量子计算技术所带来的算力飞跃。有可能成为未来科技加速演进的“催化剂”,一旦取得突破,将在基础科研、新型材料与医药研发、信息安全与人工智能等经济社会的诸多领域产生颠覆性影响,其发展与应用对国家科技发展和产业转型升级具有重要促进作用。量子通信 利用微观粒子的量子叠加态或量子纠缠效应等进行信息或密钥传输,基于量子力学原理保证信息或密钥传输安全性,主要分量子隐形传态和量子密钥分发两类。量子通信和量子信息网络的研究和发展,将对信息安全和通信网络等领域产生重大变革和影响。量子测量 基于微观粒子系统及其量子态的精密测量,完成被测系统物理量的执行变换和信息输出,在测量精度、灵敏度和稳定性等方面比传统测量技术有明显优势。量子测量主要包括时间基准、惯性测量、重力测量、磁场测量和目标识别五个方向,应用涵盖基础科研、空间探测、生物医疗、惯性制导、地质勘测、灾害预防等领域。

01 量子计算技术




目前,以半导体大规模集成电路为基础的经典计算性能提升或将面临瓶颈。而量子计算则利用量子叠加和纠缠等物理特性,随着量子比特数量增加,量子计算算力可呈指数级规模拓展,理论上具有经典计算无法比拟的巨大信息携带和超强并行处理能力、以及攻克经典计算无解难题的巨大潜力。量子计算理论创立于 1980 年,目前处于实验验证和样机研发阶段,2017 年,IBM 量子计算平台 IBM Q 发布了 50 量子位的原理样机;2018 年 Google 发布了 72 量子位的超导量子计算处理器芯片。虽然近年来量子计算技术发展速度快,但仍面临量子比特数量少、相干时间短、出错率高等诸多挑战。

目前的量子计算机可分为通用机和专用机两类。通用量子计算机需要上百万甚至更多物理比特,具备容错计算能力,需要量子算法和软件的支撑,其实用化是长期渐进过程。专用量子计算机用于解决某些经典计算难以处理的特定问题,只需相对少量物理比特和特定算法,实现相对容易且存在巨大市场需求。有专家估计,专用机预计 5 年左右将率先突破,而通用机的实用化则是长期的过程。目前的量子计算产业发展上,美国的综合实力全面领跑,取得系列重要成果并建立领先优势。Rigetti computing、IonQ 和 Qubitek 等初创公司在芯片、硬件、软件以及云平台领域展现了极大的创新力。而 Google、IBM、英特尔以及微软等科技巨头成为推动量子计算加速发展的重要力量,量子比特数迭代速度明显加快,在近三年内实现了 8 倍的提升。

在国内,量子计算仍处于探索和研究阶段,主要以科研机构的研究为主。目前中国的量子计算在产业界的发展十分有限:
    阿里巴巴与中科大联合发布量子计算云平台;华为宣布了由量子计算模拟器和编程框架组成的云平台;2017 年成立国内首家量子计算初创企业合肥本源量子。

量子计算属于交叉学科,需要量子物理、应用数学、计算机科学等多种专业的协同配合,在国内有极大的发展潜力,当然也伴随着长久的初级探索阶段。

02 量子通信

目前常被谈论到的量子通信主要指量子隐形传态,量子隐形传态是基于通信双方的光子纠缠对分发(信道建立)、贝尔态测量(信息调制)和幺正变换(信息解调)实现量子态信息直接传输。量子隐形传态的基础是基于 1982 年被法国科学家首次观测到的光子系统中的量子纠缠现象。然而,这种听起来十分精彩的技术仍然处于理论探索和实验验证阶段。准确的说,目前的量子通信技术主要分为四个方面:
    量子隐形传态:通信双方的光子纠缠对分发(信道建立)、贝尔态测量(信息调制)和幺正变换(信息解调)实现量子态信息直接传输。量子隐形传态是目前量子信息前言研究热点。量子密钥分发:通信双方通过量子态传输和测量共享无法被窃听的安全密钥,再采用“一次一密” 体制,进行信息加密传输。量子密钥分发是目前量子通信唯一可以实用化的分支。量子安全直接通信: 实用量子纠缠对序列中的部分基矢检测确定信道安全,再用另一部分基矢实现信息和检测码的传输,但需要量子存储完成两步操作的缓存和读取,目前还没有完善的实验系统可以实现。量子秘密共享:A 将单光子或者纠缠对分发给 B 和 C,各自进行秘密信息基矢编码,回传 A 后再做解码测量,实现 ABC 三方的秘密共享,目前暂时没有实用化的前景。

目前,基于量子密钥分发的理论和研究上,我国的量子保密通信产业基本已经初步形成。下面这张来自中国信通院的统计图中给出了量子保密通信产业的基本架构。



(图片来源:中国信通院)

03 量子测量




测量传感技术历经机电式、光电式两代发展,目前前沿研究已经开始进入量子测量领域。国际计量基准中的七个基本物理量,已经有时间和长度两个实现了完全量子化标定,质量、电流、温度和物质量等物理量的量子化标定研究已经完成,并在 2018 年 11 月的第 26 届国际度量衡大会正式公布使用。量子测量可以用于成像识别、目标探测、生物医疗、交通运输、定位导航以及土木工程资源探测等各个领域。其中,量子目标识别将传统雷达与量子技术相结合,利用电磁波的波粒二象性,通过对电磁场的微观量子态操控实现目标检测和成像,具有提高灵敏度,突破分辨率极限,增强抗干扰能力等优势。目前,最新的研究成果是 2017 年中电 14 所报道的高精度微波光子成像雷达实验,距离在工业界的使用还有很长一段距离。



总体而言,未来 5 年会有一定发展的领域是量子密钥分发以及量子保密通信。未来 10 年内可能有一定发展的领域为量子计算原理样机、量子计算专用处理器、量子卫星、广域量子保密通信网络以及量子重力仪、量子陀螺等领域。而实用化的量子计算机、量子计算软件、量子信息互联网以及量子传感芯片等领域的发展则需要漫长的时间。量子信息技术一旦取得一定的进展,对计算机以及其他多个工程和科学领域都会有爆炸性的冲击,这是一个崭新充满希望和趣味的领域,然而,真正有意义成果也是需要漫长时间的洗礼。就个人发展而言,如果热爱其中某个领域、热爱科研的氛围和生活同时也不那么着急挣钱,那这是一个完美的领域,有太多未知等待你去探索,有各种可能推动人类科技的发展。如果单纯从目前就业和工业界的发展而言,除去其中一两个初步开启工业界大门的领域外,其余的领域都有些为时过早了,但未来值得期待。



本文作者:宋娜

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