“拿著錘子找釘子” 量子科技產(chǎn)業(yè)化大幕拉開
只要在內(nèi)部裝上一顆小小的鉆石，它就能測量芯片的缺陷，甚至地球的磁場……
原本需要靜置一兩周才能檢測出是否漏電的鋰電池，用上它后只要幾分鐘就完成檢測……
用它輔助新藥研發(fā)，研發(fā)時間可從數(shù)年縮短到兩個月……
這個神乎其技、玄而又玄的“它”，指的是基于量子技術(shù)的各類儀器設(shè)備。作為當(dāng)下全球最前沿的科技之一，量子已是各國戰(zhàn)略較量的“必爭之地”。
黨的二十屆三中全會提出，完善推動新一代信息技術(shù)、人工智能、航空航天、新能源、新材料、高端裝備、生物醫(yī)藥、量子科技等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策和治理體系，引導(dǎo)新興產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。
日前，上海證券報記者在國內(nèi)量子產(chǎn)業(yè)集聚地合肥調(diào)研采訪多家量子龍頭企業(yè)，了解到量子領(lǐng)域的諸多最新應(yīng)用成果。記者獲悉，一項(xiàng)有助于推動和規(guī)范量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頂層規(guī)劃也在積極制定中。對這項(xiàng)當(dāng)今全球最前沿的黑科技來說，產(chǎn)業(yè)化的大幕已經(jīng)徐徐拉開。
碾壓傳統(tǒng)計算機(jī)的“大家伙”
漫步在國盾量子一樓展廳，隨處可見量子成像雷達(dá)、量子密鑰分發(fā)設(shè)備、自由運(yùn)行單光子探測器、量子安全SIM卡等一系列量子科技產(chǎn)品，但最引人注目的還是角落里一只從天花板上垂下來的白色大圓罐。
大圓罐頂部用金屬支架牢牢固定，支架左側(cè)垂下密密麻麻的線纜，線纜的一頭與圓罐內(nèi)部相連，另一頭則接入左下方堆疊著的、如保險箱大小的十臺機(jī)箱，再加上右下方的顯示設(shè)備，就組成了聞名遐邇的“祖沖之二號”超導(dǎo)量子計算機(jī)同款真機(jī)。整個裝置由國盾量子自主搭建完成，占地面積約35平方米。
白色大圓罐的學(xué)名叫稀釋制冷機(jī)，罐內(nèi)溫度可接近絕對零度，也就是零下273度左右。因超導(dǎo)量子芯片需要在極低溫的環(huán)境下才能呈現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)，故必須依靠這個大圓罐提供運(yùn)行環(huán)境。而神秘的量子芯片，則位于圓罐的底部。
“之前，稀釋制冷機(jī)只有美國、芬蘭等少數(shù)國家能制造，但最近，國盾攜手中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等攻克了相關(guān)技術(shù)，終于有了自主研發(fā)生產(chǎn)的稀釋制冷機(jī)?！眹芰孔右晃粌?nèi)部人士對記者說。
十臺機(jī)箱是超導(dǎo)量子計算機(jī)的測控系統(tǒng)，用來控制和讀取信號的重要外部電子設(shè)備，相當(dāng)于經(jīng)典計算機(jī)中的主板。
至于這些如發(fā)束一般的線纜則是信號傳輸線，連接著測控系統(tǒng)。每單臺測控系統(tǒng)可以控制8個物理比特，共控制66個物理比特。
這66個物理比特再加上110個耦合比特，合起來就是“祖沖之二號”的176個量子比特。
所謂量子比特是量子計算的基本單位，而量子計算是一種基于量子力學(xué)原理調(diào)控量子比特進(jìn)行計算的新型計算模式。與傳統(tǒng)計算機(jī)相比，量子計算機(jī)具有指數(shù)級的計算能力優(yōu)勢，這意味著其不僅有望破解當(dāng)下幾乎所有被廣泛使用的公鑰算法密碼，更可賦能其他各個需要極大算力的領(lǐng)域，如人工智能、無人駕駛等。
“量子計算在工業(yè)上用途廣泛，以醫(yī)藥為例，研發(fā)一種新藥實(shí)際上就是在自然界發(fā)現(xiàn)一種不存在的分子結(jié)構(gòu)，用現(xiàn)有算法大概要幾年時間才能發(fā)現(xiàn)，但使用量子計算，只需要不到兩個月?！币晃徊辉妇呙男袠I(yè)人士對記者說。
在他看來，這就相當(dāng)于算盤和電腦的差距，兩者不是一個等量級的。
在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院執(zhí)行院長陸朝陽看來，量子計算的發(fā)展可分為幾個階段：第一階段是對一些原理進(jìn)行演示；第二階段，轉(zhuǎn)向真正能解決現(xiàn)有知識框架和算力所不能及的問題，即“量子計算的優(yōu)越性”。
目前，量子計算已跨過原理演示的第一階段，進(jìn)入第二階段，即實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。
2019年，谷歌宣布研制出53個量子比特的計算機(jī)“懸鈴木”，在全球首次實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。而記者此次所見的“祖沖之號”則幫助中國成為全球第二個實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。
量子應(yīng)用場景無限
日常生活中隨處可見的火腿腸，其生產(chǎn)竟然也可用到量子科技。
記者在某頭部量子測量公司調(diào)研時了解到這樣一個故事：在生產(chǎn)過程中，磨損的金屬工具有可能掉進(jìn)火腿腸中；甚至豬在打疫苗時，針頭也可能斷在豬腿上，繼而被加工到火腿腸中。
雖然出現(xiàn)的概率很低，但這些異物一旦被消費(fèi)者吃到，就是極大的食品安全問題，為此需要精確檢測。而現(xiàn)有的火腿腸生產(chǎn)檢測設(shè)備，很難高效靈敏地檢測金屬異物。
“金屬異物的磁性比肉類高幾個量級，但凡有一點(diǎn)點(diǎn)金屬粉末，量子傳感器就能測出來?！痹摴居嘘P(guān)負(fù)責(zé)人說，“一家大型肉制品加工廠曾找到我們希望解決這個痛點(diǎn)。我們自己也沒想到，量子精密測量還可用到火腿腸生產(chǎn)中。”
盡管由于成本關(guān)系，這一應(yīng)用尚未最終落地，但它無疑給量子應(yīng)用的未來打開了無限可能空間。和量子計算、量子通信相比，量子測量是最接近落地且應(yīng)用場景非常廣泛的量子科技。
在國盛量子和國儀量子等公司調(diào)研時，記者都見到了這樣一顆鉆石——色心中摻入氮原子、反射著紅色光的純度極高的人造金剛石。該鉆石對溫度、磁場等高度敏感，且長期穩(wěn)定，是量子傳感器的核心部件。
通過幾十道工藝，其可被加工成直徑0.5納米的顆粒，裝在直徑500納米的探針尖端，成為原子尺度的傳感器。如果說傳感器是智能系統(tǒng)的眼睛，那么量子傳感器可謂真正的“火眼金睛”——大到測量地球的磁場，小到測量芯片的缺陷，從治病救人，再到“上天入?！?，它都有用武之地。
據(jù)了解，量子傳感器之所以能做到如此精準(zhǔn)，是由于傳統(tǒng)測量磁場、電流值或溫度的傳感器是將待測物理量轉(zhuǎn)化為電阻形式，而量子測量是將測量對象轉(zhuǎn)化成時間。目前，最精確的時間測量可達(dá)到10的負(fù)19次方，也就是幾百萬年時間誤差不超過一秒鐘。
這也使得量子時鐘得以成為當(dāng)今世界最準(zhǔn)的計時裝置。
除此之外，重力儀也是量子技術(shù)的一項(xiàng)重要應(yīng)用——用它檢測地震數(shù)據(jù)和地質(zhì)的變化，就可據(jù)此提升地震預(yù)報精度。
“以前這類儀器都是進(jìn)口的，但現(xiàn)在國產(chǎn)設(shè)備也有了，對地震的測量將更加精準(zhǔn)，且可實(shí)現(xiàn)長期的數(shù)據(jù)積累?！眹芰孔痈笨偛锰剖辣胝f。
“我們向各行各業(yè)介紹量子科技，就像‘拿著錘子找釘子’。”國儀量子副總裁許克標(biāo)形容。近年來，隨著量子知識的普及，不少企業(yè)也帶來研發(fā)生產(chǎn)過程中存在的技術(shù)難題尋求新解決方案。一次次的“思想碰撞”中，量子科技不斷找到新的應(yīng)用場景。
在一家頭部鋰電池廠商的電池裝配線上，平均2.5分鐘就有一套完整電池組下線。但生產(chǎn)出來的電池，還要檢測是否存在輕微漏電以規(guī)避自燃隱患。按目前的檢測方式，電池生產(chǎn)出來后需要先充滿電，再于恒溫恒濕的空間中放置一到兩周，觀察其漏電速度，這個過程周期長、成本高，極大減緩了電池的周轉(zhuǎn)效率，是鋰電生產(chǎn)質(zhì)控環(huán)節(jié)的一個顯著痛點(diǎn)。
一次偶然的機(jī)會，這家頭部企業(yè)在政府組織的產(chǎn)業(yè)對接活動上意外發(fā)現(xiàn)，用量子技術(shù)竟能輕易解決這個痛點(diǎn)。因電池在自放電過程中會產(chǎn)生微弱電流，其產(chǎn)生的磁場可被量子測量設(shè)備檢測到。用這種測量方法可做到即產(chǎn)即檢，有望大幅縮短電池出貨周期和成本。
“目前，我們正和多家電池生產(chǎn)商推進(jìn)合作，研發(fā)原理樣機(jī)，推進(jìn)導(dǎo)入驗(yàn)證?！痹S克標(biāo)說。
此外，量子測量技術(shù)在我國當(dāng)下如火如荼的特高壓建設(shè)中也能扮演重要角色，國盛量子與國儀量子兩家企業(yè)均有所布局。
據(jù)國盛量子技術(shù)總監(jiān)、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特任副研究員張少春介紹，目前我國特高壓線路電流測量使用進(jìn)口光CT監(jiān)控電流，最大痛點(diǎn)是受溫度影響很大。搭載金剛石量子傳感器的量子電流互感器，可以實(shí)現(xiàn)大動態(tài)范圍、高精度、高穩(wěn)定性、低溫漂的交直流電流測量，可應(yīng)用在新能源發(fā)電、高壓柔性直流輸電、交直流變電站等場合。
“國盛量子與國網(wǎng)安徽公司目前正在聯(lián)合研發(fā)第三代量子電流測量設(shè)備，計劃到今年年底前將成本降到接近傳統(tǒng)測量設(shè)備的水平。屆時，量子測量的電力市場應(yīng)用有望打開。”國盛量子董事長、總經(jīng)理趙博文說。
業(yè)界期待出臺專項(xiàng)政策
量子科技已成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的必爭領(lǐng)域之一。記者在此次調(diào)研中了解到，一項(xiàng)有助于推動和規(guī)范量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頂層規(guī)劃在積極制定中，并在業(yè)內(nèi)部分層面開始征求意見。
今年年初，工業(yè)和信息化部等七部門發(fā)布《關(guān)于推動未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見》（以下簡稱《實(shí)施意見》），量子計算機(jī)被列為未來產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新標(biāo)志性產(chǎn)品?！秾?shí)施意見》還提出，將圍繞量子信息等專業(yè)領(lǐng)域制定專項(xiàng)政策文件，形成完備的未來產(chǎn)業(yè)政策體系。
在產(chǎn)業(yè)協(xié)同方面，量子信息產(chǎn)業(yè)鏈多個環(huán)節(jié)還處于從0到1的階段。以做量子傳感器為例，張少春透露，從材料制備、器件研制再到裝置集成，國盛量子都花費(fèi)了大量時間調(diào)研和培養(yǎng)上游。尤其是部分環(huán)節(jié)并非技術(shù)上達(dá)不到，而是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)沒有形成足量需求，上游公司就不會投入精力研發(fā)。這種模式增加了研發(fā)周期，也讓成本難以降下來，而降本是擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的先決條件。
記者在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)量子產(chǎn)業(yè)仍存在“叫好不叫座”的現(xiàn)象。以量子通信為例，量子通信的主要應(yīng)用場景是加強(qiáng)信息安全。但實(shí)際上，有時受限于政策、資金或其他條件，量子通信的應(yīng)用推進(jìn)較緩慢。
趙博文說，量子科技作為新質(zhì)生產(chǎn)力的代表，近年來越來越受到資本市場的關(guān)注，但目前量子科技產(chǎn)業(yè)中民營資本參與者并不多，小型初創(chuàng)企業(yè)的資金支持基本上還是以政府投資基金為主。“我們期盼有一個好的引導(dǎo)，讓產(chǎn)業(yè)資本、民營資本也進(jìn)一步參與進(jìn)來，對技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展形成強(qiáng)大助力?！?/p>
“量子科技作為未來產(chǎn)業(yè)，意味著其發(fā)展在全球少有成熟經(jīng)驗(yàn)可循?！碧剖辣胩岢?，我國在量子通信賽道上已形成先發(fā)優(yōu)勢，這離不開我國獨(dú)有的新型舉國體制。
在他看來，保持道路自信和戰(zhàn)略定力非常重要，業(yè)界也非常期待出臺量子信息的專項(xiàng)政策。
