去年年底，美國國會高票通過《國家量子計劃法案》（NQI），意圖在量子科技這個前沿戰場搶佔先機。儘管學術界和產業界都熱情高漲，但一部分人士也在擔心該法案會淪為紙上談兵。畢竟，即使是一些參與在量子技術開發前線的工程師和投資者，也並不理解深奧的量子理論。
近日，來自美國國家標準和技術研究院、白宮科技政策辦公室、馬里蘭大學和俄勒岡大學的研究人員在《科學》雜誌上發表聯名文章，詳解這一國家性法案將如何走向現實。
從量子傳感器、量子計算機再到量子通信網，量子科技將分三大目標實現對未來社會的改造。在這個過程中，新技術和新產品將衝擊現有的加密系統、個人隱私和社會管理。
一邊是深刻的量子理論，一邊是尖端的技術設計，從長期來看，國家需要的是一批真正的“量子勞動力”，在政府、產業界和資本市場的共同扶持下，開發出帶來利潤回報的產品。
文章指出，近幾年來，產業界的投資很熱，但量子信息科技整體還處於萌芽階段，存在嚴峻的技術障礙。機遇、需求和挑戰交匯之際，政府需要發揮實質性的作用，促進量子信息科技生態系統的建立，引導其為社會公益服務。
1994年，麻省理工學院（MIT）應用數學家彼得·肖爾（Peter Shor）提出了一種量子質因子分解算法，能快速對一個特別大的整數進行質因數分解，動搖到現代通行的RSA密碼系統的根基。
但遠在此之前，美國情報部門和國防部在量子信息科學方面的投資就已十分可觀。美國國家標準和技術研究院（NIST）在1980年代開始建設相關實驗室，目前仍在持續擴張。美國國家科學基金會（NSF）資助各類量子信息科技研究人員已有30多年。美國能源部（DOE）則在近幾年開始扶持成規模的研究團隊。
隨著《國家量子計劃法案》超越黨派之爭，獲得高票通過，這些政府機構將秉持“科學優先”的原則，聯合學術界和產業界共同激勵量子新技術的發展和應用，甚至促成跨國界的合作。
量子技術革命的終極目標是發展出信息處理系統的全新形態，具體可以分成量子感測、量子計算和量子網絡三大塊。
從理論上看，量子科技提供了一種觀察世界的顛覆性視角，讓我們重新理解像黑洞這樣的複雜系統。從應用上看，原子鐘、先進激光干涉儀、核磁共振都與量子科技的進步息息相關。就像引力波賦予了人類觀察宇宙的“第三隻眼睛”，一旦打開量子科技這扇窗戶，我們將迎來一個運行在量子法律之下的神奇王國。
三大目標
《國家量子計劃法案》的首個目標是用量子技術開發新一代傳感器。原子鐘和激光測距儀就是用量子理論來實現超高精度的測量。以後，還會出現一些聞所未聞的奇妙技術，比如用量子糾纏將精度提高几個數量級，甚至深入活細胞內部進行測量；基於原子干涉的引力傳感器和加速度計，可以實現無需GPS的導航系統；利用納米尺度的磁場傳感器給單個分子成像，助力醫療診斷。
更遠的一個目標是打造量子計算機。經典計算機中的比特為0或1,基於此進行二進制運算。在神奇的量子“疊加態”和“糾纏態”加持下，量子比特卻可以同時是0和1，正如薛定諤那隻著名的又生又死的貓。在理想狀態下，50個量子比特一次可以進行2的50次方次運算，這已經是個天文數字。
不是所有問題都適合用量子世界的規則進行計算，不過，在特定問題上，量子計算機的表現將碾壓經典計算機。比如，模擬核物理和高能物理現象，設計新化學反應、新材料和新藥，破解經典密碼，優化物流系統、交通樞紐和電網，這些都是量子計算機的拿手好戲。
目前所謂的“量子計算機”要麼是可憐的幾個高質量量子比特，要麼是一大堆低質量的量子比特。真的要開發出可編程的第一代量子計算機，人類需要的是大量高質量量子比特。在未來數年內，科學家有望控制100個高質量量子比特，解決一些最厲害的經典計算機也無能為力的難題。從長遠來看，科學家要提高容錯能力和規模化水平，才能充分發揮量子計算的潛力。
《國家量子計劃法案》的第三個主要目標是建立全球量子通信系統，在遠距離上輸送量子比特產生的隨機密碼，任何竊聽活動都會被察覺。
用量子通信網把高精度的原子鐘同步起來，GPS導航系統就會更加準確。更遙遠些的展望，是用一張“量子互聯網”連接起量子計算機。
這三大目標註定要齊頭並進，相輔相成。製造大型量子計算機必然要用量子通信網絡串聯起數個較小的量子計算模塊，類似經典多核處理器的結構。而搭建長距離量子通信網絡反過來也必然需要小型量子計算機作為節點之間的“中繼站”。至於像單光子探測器這樣的先進量子傳感器，無論是量子計算機還是量子通信網都用得上。
技術與挑戰
作為處理信息的全新形態，量子信息系統也要需要全新的物理平臺。量子系統必須與外界環境完全隔離，才能使儲存起來的量子比特保持疊加態和糾纏態。這就需要低溫系統、超導迴路、超真空環境、激光操縱單個光子等極端精妙的技術。而要在存儲點間傳遞量子信息，還要用到量子電磁場，才能在空氣或光纖中無損耗地傳送。
許多量子科學家只是在鑽研其中的一種或幾種高精尖的前沿技術。若要實現成規模的量子計算機或量子通信網，大家就必須要把這些硬件及軟件技術整合起來，且發展到非常可靠的程度，讓非量子專家的工程師們也能用量子系統來創造應用。
儘管科學家的共識是不存在什麼根本性的、物理性的障礙，但在現實開發的過程中，可能會遇到超乎想象的挑戰。脆弱的量子比特無法承受最輕微的擾動，包括在任何計算機系統中都會存在的電子噪音。量子理論專家們指出這些誤差只要頻率夠低、得到充分理解，就能進行管理和修正。在未來很長時間內，研究這些噪音和誤差會是量子技術研發的重要方向。
量子技術最為人熟知的隱患就是前文提到的對加密系統的衝擊。相比起經典算法，量子算法分解質因數的速度實現了指數級的提高，現代互聯網所用的超文本傳輸協議因此也不再安全。數學家們正在開發抵禦量子計算機的先進方法，一些政府機構聯合產業界進行新佈局。單就眼下而言，沒人能擔保開發出絕對安全的純數學加密系統。
最後，量子技術可能會帶來意想不到的隱私和社會管理問題，超越傳統信息技術和人工智能的範疇。在技術研發的同時，法律和倫理研究必須跟上。
從科學到產品
從高校到企業的傳統科技轉化鏈，在量子技術上不再適用。量子技術涉及到極其深刻的理論和極其尖端的技術，高校和科學機構難以獲得廉價、易得的先進設計和設備，產業界又缺乏將量子科學轉化成產品的物理專家。
從短期來看，要打通量子理論科學家和工程師之間的橋樑，最快的方法是籌建重點合作小組，制定科學而明確的工作目標，處理好知識產權問題等複雜因素。
從長期來，國家需要培養專門的“量子勞動力”。大學應該儘早在課程中做出安排，為產業界的現實需求服務，訓練出一批有志於和工程人員並肩作戰的量子理論科學家、量子實驗科學家。
目前，絕大多數高校的計算機系才剛剛開始招聘研究量子算法的教員。產業界可以通過資金支持的方式，引導高校進行這方面的嘗試。政府則應該鼓勵高校設立相關新課程和新院系。
依據《國家量子計劃法案》設立的美國國家量子協調辦公室未來將會在學術界、產業界和投資界發揮核心的串聯作用。美國國家標準和技術研究院牽頭成立的量子經濟發展財團，也會更多地調動資本市場的積極性。
在該生態系統的孕育過程中，必須保證信息流動和對話，才能減少研究力量的分歧，改善投資者的投資決定和風險評估，讓量子科技真正轉化為帶來利潤的產品，拉動進一步投資。
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