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原标题:美国争当量子信息科学领域,美媒称中美进行量

浏览次数:200 时间:2019-11-22

“不自量力”这个成语在物理学领域还有个有趣的引申义,就是“不要试图自学量子力学”。美国白宫近日出台的一份战略性文件建议,为了在未来拥有一支量子科学的人才大军,应从早期开始部署量子科学教育,包括小学、初中和高中阶段。

“量子信息科学代表了信息时代的下一个前沿”,在近日的一份声明中,美国能源部长里克佩里表示。更有美国会议员表示,“这是一场我们必须赢的比赛”。有如此评价,美国最近在量子领域的频频动作也就不难理解了。不久前,也就是在 9 月 24 日,美国的量子科技悄然翻开新的篇章。当天,美国政府在白宫举办了一场声势浩大的量子峰会,除了联邦政府官员以外,一众美国科技巨头纷纷出席,包括谷歌、微软、洛克希德·马丁、IBM、AT&T、高盛和摩根大通等公司。本月更早之前,一项为期 10 年的量子研究加速计划在美获批,国会立法拨款 13 亿美元来支持量子计算研发工作,当时,这一动作被认为是对标对标中国的量子重大专项。该计划预计将在今年晚些时候由参议院批准。如今美国政府马不停蹄地在白宫举办了一场量子峰会,并发布了一份 19 页的国家量子战略概述,其中究竟释放了哪些讯号?美国两大官方机构出资,国家统筹发展量子技术已成现实美国是全球量子技术的领跑者,多年以来一直通过多个研发项目支持量子信息科学的基础研究,承担研发的主要政府机构就包括能源部 (DOE)、美国国家科学基金会(NSF)和美国国家标准与技术化研究院(NIST)。在此次的量子峰会上,首先亮相的就是来自能源部和美国国家科学基金会两大机构的最新投资计划,旨在帮助美国从国家层面上统筹现有资源以支撑研究。美国能源部宣布,它将拨款 2.18 亿美元资助 85 个研究项目,包括 1 个太平洋西北国家实验室提出的项目。美国能源部科学办公室(the DOE's Office of Science)下属的3个项目办公室将负责管理这些项目,分别是高级科学计算研究办公室(ASCR),基础能源科学办公室(BES)和高能物理办公室(HEP)。图丨 ASCR 的负责项目(来源:美国能源部)图丨 BES 负责项目(来源:美国能源部)图丨 HEP 负责项目(来源:美国能源部)尤其值得一提的是,ASCR 将主要负责探索量子计算硬件对科学应用的适用性能力。这样的基础研究将促进非常适合量子计算科学应用的设备架构的开发,并提高科学家对量子计算的理解。除了美国能源部以外,美国国家科学基金会则将提供 3100 万美元用于资助量子基础研究,为推进量子计算、量子保密通信提供支持,而且还将用于培养下一代量子科学家、工程师和企业家等。这部分资金将主要分为两个部分:2,500 万美元用于探索性量子研究,作为跨学科科学与工程研究高级研究(RAISE)、量子系统转换研究(TAQS)工作的一部分;600 万美元用于量子研究和技术开发,作为量子通信集成平台(EQuIP)工作的一部分。其实在此之前,美国国家科学基金会就于今年 8 月份率先通过了首个实用型量子计算机项目。来自杜克大学、马里兰大学、麻省理工、加州伯克利大学等七所高校的研究者将在未来五年时间内完成首台基于离子阱的量子计算机的软硬件设计及实现,项目总金额 1500 万美元。美国科学界对于这样的政府支持也十分欢迎,因为这将有助于更广泛吸引工程师和企业家加入这个刚萌芽的领域。正如美国国家科学基金负责人弗兰茨·科多瓦所说,“这些投资有助于确立美国量子计算研究研发的领军地位,并帮助培养下一代量子计算研究人员”。美国要确立其在量子计算领域的领军地位,也并非信口开河。事实上,除了在量子保密通信领域外,美国在量子计算和量子传感领域的实力可谓独步全球,拥有着顶尖的科学研究团队和与之相匹配的技术实现团队,在多个研究方向上也正在引领全球技术的发展。(来源:麻省理工科技评论)白宫为何向巨头公司伸出橄榄枝?其实,两大官方机构新的拨款计划还只是一种“科学优先”、强调支持基础研究的常规举措,毕竟现在判断量子技术的最佳商业用途还为时尚早,其所需要的基础设施、硬件、人力对任何个人而言都太过昂贵。但,我们又如何理解这次一众民营科技公司在此次量子峰会以及以后美国量子技术发展中的角色?正如上文提到,美国能源部和国家科学基金会等联邦机构其实在量子领域已经有了长期研究,但是,鉴于学术机构往往缺乏系统工程和产品开发的经验,而民间私企中受过专门培训的量子工程人员则非常稀缺罕见,这些种种构成了目前量子技术从政府部门“流向”企业再“流向”大众中难以跨越的鸿沟。因此,白宫向这些公司伸出橄榄枝,其背后意义不但在于推动这些官方机构之间进行合作,更希望推动他们与私营科技公司进行广泛合作,这不但利于加强技术转化,对培育量子创新生态系统来说也能添上一把火,进而推进加强量子信息科学的商业化应用。图丨 谷歌的 Bristlecone(来源:麻省理工科技评论)于是,我们在参会名单上看到了一连串硅谷科技巨头的名字,这些公司近些年在量子领域都有着不凡表现:谷歌已经开发出一个名为“ Bristlecone ”的 72 超导量子比特芯片;IBM 即将实现50超导量子计算机的研发和制造;微软也在积极研发基于拓扑量子比特的量子计算机;不仅如此,三家公司还推出了相应的量子计算软件开发工具,从硬件、软件两方面共同推动量子计算的发展。尽管所采取的技术路线不尽相同,但这些科技巨头都对量子计算的重视程度均以上升至公司未来战略的高度。值得一提的是,除了谷歌、IBM等科技巨头以外,美国还有一众初创公司在量子信息领域的表现也非常抢眼。这些初创公司大多脱胎于美国大学和研究机构的顶尖实验室,由研究领域领军的科学家成立。其产品涵盖了从基础的真空系统、光学电学器件到成熟产品和解决方案等,其供货单位不仅包括全球的实验室和研究机构,还包括NASA以及美国军方等政府部门,为近期美国在量子计算、量子传感领域的重要突破提供了支撑。那么美国究竟打算如何在量子技术的发展中实现政府、产业和私营参与者之间的无缝协调?一份 19 页的文件可供我们窥得其中一二。国家级量子科技战略出台,19 页文件定调除了推动国家层面的支持和探索各界合作以外,这次的量子峰会还发布了一份非常不寻常的文件:量子信息科学国家战略概述(以下简称为“战略概述”)。这份国家级的科技战略旨在维持和扩大美国在量子信息科学领域的领导力,并为美国往后的量子技术发展定下基调。战略概述由白宫国家科学技术委员会(NSTC)发布,首先明确了量子技术的重要性——“量子信息科学是即将发生新一代技术变革的领域,通过它,美国可以改善工业基础,创造就业,满足经济和国家安全利益”。图丨战略概述的目录(来源:NSTC)具体而言,战略概述列出了六个方面的建议和对应的具体措施:选择“科学第一”的方法。例如建立适当的中心和财团支持研究、优先考虑基础研究和应用研究中面临的投资问题等。培养具备量子信息科学的未来劳动力。例如在早期阶段解决量子科学教育问题,其中就包括小学、初中和高中。强化产业合作。包括促成由产业、学术界和政府组成的美国量子财团、简化技术转让机制、探索在政府内培养潜在应用领域。提供必需基础设施。例如确定基础设施建设的方向并鼓励必要的投资。推动经济增长、维护国家安全。例如为美国高校和工业界提供最大量的信息,保护知识产权等。发展国际合作。例如寻求志同道合的行业和政府伙伴、确保美国继续吸引并留住最优秀的人才、从技术和政策角度更好地了解不断变化的国际量子技术格局。其中,战略概述中的关键政策机会包括:推动联邦政府资助的“核心研究计划”、促进不同学科的以量子为中心的研究人员进行对话、并鼓励学术界将量子科学作为自己的学科内容。战略概述还设想构建一个“美国量子联盟”,与来自工业界、政府和学术界的参与者预测并就需求和障碍达成共识,协调研究工作,解决知识产权问题,并简化技术转让机制,并通过工业界,政府和学术界之间的伙伴关系增加对“联合量子技术研究中心”的投资。(来源:NSTC)此外,战略概述一大重点还有研究和开发确定“急需的基础设施”,通过可用于快速推进量子技术开发的现有基础设施,以及用户测试平台设施,允许联邦机构和利益相关者探索他们各自的使命。图丨量子信息科学涉及的基础设施(来源:NSTC)NSTC 表示,战略概述的出发点就在于展望未来十年,希望在以下一系列领域取得突破:计算应用、 传感器技术、用于军事和商业应用的定位导航系统、网络安全系统、量子密码学、机器学习的新算法以及“通过量子信息理论理解材料,化学甚至引力的新方法”。其计划支持的量子项目可以分为 7 大类,包括 4 类科学项目和 3 类技术项目。这 7 大类构成了整个量子技术的广泛基础,因此也将凝结学术界、工业界以及政府的共同努力。其中,传感器技术将获得了最大额度的投资额配比。图丨战略概述中计划支持的7 大类量子项目及其投资额配比 (来源:NSTC)根据战略概述,为实现这一目标,美国将“为碎片化、单一组织的量子信息研究和开发创造一种可见的、系统的、国家的方法”,并由 NSTC 的量子信息科学小组委员会协调。“这些努力将利用现有的计划和方法,适应不断变化和改进的科学技术知识,反映出对国家量子信息科学的机遇和挑战的最佳理解,并在适当的情况下采取新的措施,”文件写道。NSTC 还要求,在量子信息科学小组委员会中拥有席位的联邦机构,需要在 2019 年第一季度制定详细的书面计划,以实现战略概述中规定的政策目标。这些机构包括美国能源部、国家标准与技术研究所、国家科学基金会、国家安全局、管理和预算办公室、白宫科技政策办公室、国土安全部、国家航空航天局、国立卫生研究院、农业部等机构。由此可见此次这份战略概述起到的整体统筹作用。在 AI 发展上“吃过亏”的美国,正在量子技术上“绷紧神经”我们都知道,理论上来说,量子比特的特殊性质能让量子计算机拥有比目前的超级计算机快得多的计算速度。这样在化学、材料科学或物理领域,量子计算机就能成为更好的辅助工具。而量子计算机的速度有助于发现新药、优化金融投资组合以及寻找更好的运输路线或供应链。量子计算机可以在大量图像和数据中迅速找到合适的模型,所以它还能推动另一个快速发展的领域——人工智能。据外媒 thestar 报道,也正是量子技术潜在的经济效益赢得了两党对这一些列倡议的支持。但这一方面是基于对这种技术的热切期许,另一方面更是担心其在量子计算领域的领先地位遭受来自中国和欧洲的挑战:一个推动政府采取行动的是理由是,如果美国不采取统一战略,有朝一日可能会被其它国家所取代。图丨中国量子通信研究的领军人物潘建伟(来源:Nature)其中,大部分外媒的报道都明确提到了来自中国的压力:中国在量子科技领域已经被视为美国的强力竞争对手。此前一份来自美国的研究报告指出,中国在量子科技领域的发展取得了全球瞩目的成就:墨子号量子通信卫星的升空,“量子京沪干线”等超大规模量子网络的建设及应用,中国在量子保密通信领域创造了一个又一个的记录,研究水平世界领先;量子计算方面,中国虽然起步相对较晚,但发展速度飞快,在光子、超导、离子以及拓扑量子比特等方面,均有建树,目前保持着18个纠缠量子比特的纪录;在量子传感方面,中国在量子雷达、遥感成像、精密测量和导航方面的进展迅速,研究水平处于世界前列。今年 7 月的时候就有美国官员表示,“中国和欧盟都在投资以 10 亿计的美元来支持量子计算领域的研究。特别是中国,该国已经公开宣布,其量子计算的国家研究计划是在下个 10 年超过美国。因此美国必须制定自己的量子研究国家战略,以维持美国在量子计算领域的领先地位。”图丨此前的一份美国政府报告已经点出中国在AI上的超越(来源:美国政府)值得一提的是,此次的一系列的动作,也可能是基于美国在过去一轮人工智能的发展上没有把握住先发优势的“教训”。在过去几年,中国从政府到民间都将 AI 的发展提到非常高的高度,赋予了相当的优先级,相较之下美国则略显“保守”,这也是为什么中国在许多人工智能领域能够挑战美国的部分原因。而对于中国来说,我国一直高度重视量子信息科学的研发投入,在量子通信等领域也确实对发达国家形成了赶超之势,但仍面临着一系列的问题:相比美国,我国的科研机构在创新研究水平、核心材料及工艺、技术成果转化等多个方面还有明显的差距;大型科技企业则在量子技术上起步较晚,技术相对落后;初创公司数量少、技术创新能力弱,与美国在量子领域的初创企业差距非常大。因此,在新一轮的全球量子技术竞赛中,发达国家的科技动态尤其政策走势,对中国如何优化研发布局来说将有重要参考意义。

  [文/观察者网 李东尧]“中国在量子计算上押下重注,美国现在正奋力追赶。”据美国有线电视新闻网(CNN)报道,当地时间9月13日,美国国会众议院一致通过了一项法案,以促进美国在量子计算能力等量子技术领域的发展,并与中国匹敌。

美国争当量子信息科学领域“领头羊”

这份《国家量子信息科学战略概览》在白宫量子信息与计算科学峰会上发布,起草机构为白宫国家科技理事会(NSTC)下属的量子信息科学委员会。

  法案通过后,美媒14日分析称,在中美争夺人工智能领域主导地位之际,两国又陷入了一场平行的、幕后的“量子技术竞赛”。

新华社记者周舟

该委员会于今年6月成立,职责是协调美国联邦政府关于量子信息科学(QIS)的研发活动,持续拓展量子信息科学的应用,保证美国在这一领域的领先地位。

  “量子可能是未来100年里的计算技术,”英特尔量子硬件总监吉姆·克拉克(Jim Clarke)对CNN表示:“这就像一场太空竞赛,每一代人就会发生一次。”

美国政府近日发布《量子信息科学国家战略概述》,力图确保美国在“下一场技术革命”中的全球领导地位。

文件将量子信息科学定性为新一代技术革命,其发展将提高美国的工业基础,创造就业,并带来经济和国家安全利益。特朗普政府承诺将维持并拓展美国在量子信息科学领域的领先地位。

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发布这份文件的白宫科技政策办公室国家科技委员会表示,发展量子信息科学,有望帮助美国改善工业基础,创造就业机会,强化经济发展与国家安全。

为此,文件给出了6点政策建议,并强调遵循落实这些建议关乎美国未来的成功。

  CNN报道截图

该委员会说,半导体微电子、全球定位系统、磁共振成像等科学突破都曾为美国国家经济和国防基础设施提供了重要支撑。与之相比,量子信息科学的发展可能更具影响力,因此要巩固并扩大美国在该领域的领导地位。

这六点政策建议包括:

必威体育官网,  着眼中国,加大资金投入、组建新机构

概述中提到,目前美国在量子信息科学研究领域全球领先,且在该领域的投入主要分为7大类,即量子传感、量子计算、量子网络、量子器件和理论进步带来的科学进步、支持技术、未来应用和风险控制,其中前4类属于基础科学研究,后3类属于技术开发。

1、采取科学优先战略

  法案名为《国家量子倡议法案》(National Quantum Initiative Act)。美国知名科技博客网站Gizmodo 14日介绍,该法案还将提交给参议院审议,等到参议院通过再由特朗普签署成法后,该法案将为推动美国量子发展,提供一项10年期计划。

不过,美国对能否保住这一头把交椅还是存在一定危机感。今年7月美国有国会议员曾公开表示,美国正与中国和欧洲竞赛,争取率先在量子科学领域取得技术突破,“这是一场我们必须赢的比赛”。

2、打造量子科学的未来劳动力

  CNN 14日将法案在众议院的通过称为,美国在与中国等国争夺全球计算机霸主地位的战斗中向前迈出的重要一步。

针对目前发展量子信息科学面临的挑战,这份战略概述提出了多项政策目标,其中第一项就是强化科学研究,即联邦政府将加强资助核心研究项目,促进科研人员交流与合作,并建立相关协调机制,以解决重大挑战,实现变革性的科技进步。

3、深化与量子产业的合作

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概述还提出,在人才培养方面,要鼓励产业界与学术界合作培养符合未来需求的人才,通过多种途径普及量子信息科学知识,并在中小学阶段开始提供相关教育。

4、提供关键基础设施

  IBM四量子位芯片/资料图自美媒

在产业发展方面,要推动产业界、学术界和政府部门组建美国量子联盟,以预测发展需求及障碍,协调研究工作,解决知识产权、技术转让等问题。

5、维护国家安全和经济增长

  据Gizmodo报道,法案由众议院科学、太空与技术委员会主席,共和党众议员拉默尔·史密斯(Lamar Smith)发起,旨在“确保美国在量子技术上处于持续领导地位”,法案要求增加从事量子信息相关领域的研究人员、学生及工作人员数量,从而加速美国量子技术发展。法案涉及量子计算机、通信与网络安全、传感器与成像技术以及材料科学等技术领域。

此外,相关支持政策还包括为研发提供关键基础设施、建立机制确保及时了解新科技可能带来的安全影响、推进国际合作等。

6、提高国际合作

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目前,美国旨在加速量子计算研发的“国家量子计划法案”正在等待国会批准。法案要求国会同意在这一十年计划的前5年拨款12.75亿美元。

在打造量子科学的未来劳动力部分,文件提到,应鼓励产业界和学界建立殊途同归的跨部门通道,发展多样化的人力资源,以满足国家的量子信息科学需求;

  史密斯在众议院就该法案进行说明/视频截图

就在本月24日,即《量子信息科学国家战略概述》发布的同一天,美国能源部宣布投资2.18亿美元,用于奖励在量子信息科学这一重要新兴领域的研究。

鼓励学界把量子科学和工程当做一个专门的学科,从各个层级提出对新教员、新项目、新措施的需求;

  法案还计划向美国国家标准与技术研究院(NIST,直属商务部)拨款4亿美元,给能源部拨款6.25亿美元,给美国国家科学基金会拨款2.5亿美元。这些资金将用于培养科学家、拓展研究和建立多达10个量子研究与教育中心。

“量子信息科学代表信息时代的下一个前沿,”美国能源部长佩里说,在激烈的国际竞争中,这些投资将确保美国在该领域“持续处于领导地位”。

利用并升级现有的项目,提高量子信息科学可用人力资源的规模;

  近年来,我国为了争夺全球量子技术制高点,已经不断加大投入。据观察者网此前报道,去年9月有消息称,中国正在建设世界上最大的量子研究设施——量子信息科学国家实验室。到了本月,第一财经最新消息指出,中国正筹建的这个国家实验室涉及多地,长期投资将达千亿元(人民币)。

从早期开始部署量子科学教育,包括小学、中学和高中阶段;

  除了资助研究,美国众议院这项法案还提到要促进不同机构之间的协调,使产业界与学术界建立伙伴关系。法案要求建立一个国家量子协调办公室(National Quantum Coordination Office),由白宫科学与技术政策办公室(OSTP)任命一名主任;再组成一个小组委员会,成员来自不同的科学团体与政府部门,包括美国国家科学基金会、国防部、能源部、美国国家标准与技术研究院。

与相关机构和产业合作,拓宽受众范围,同时利用艺术、媒体或文化机构等新兴、非传统渠道;

  法案由共和党人发起,但也得到民主党人的支持。

鼓励量子科学界跟踪并评估量子产业的未来人力需求。

  法案的支持者、民主党众议员艾迪·伯尼斯·约翰逊(Eddie Bernice Johnson)认为,法案旨在保持美国在国际上的竞争力。约翰逊称,“在中国、欧洲与俄罗斯大举投资布局量子研究与技术开发之际,我们必须尽一切努力保持我们在该领域的全球领先地位。”

具体来说,基础研究是培养量子信息科学人才的主要机制,此外,也需要跨学科、跨部门、跨技术的内容。然后,美国现有的教育体系着眼在离散的学科上,极少强调跨学科研究,难以帮助毕业生应对当下如量子信息科学这样的复杂问题。

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因此,培养学生虽然在传统上是学术界的责任,但政府部门和产业界也应参与进来,以满足国家的未来需求。

  民主党众议员艾迪·伯尼斯·约翰逊/资料图自美媒

文件认为,必须让量子力学走出高校,拥有更广泛的受众。在基础教育阶段,需要建立计算思维和科学思维导向的计算机和物理课程项目,从小培养兴趣。

  她认为,“量子计算领域的全球领导地位,带来了军事与情报方面的优势,同时也带了未来几十年量子计算成为一个庞大产业后的竞争优势。《国家量子倡议法案》将让我们走上正确的道路。”

在量子信息科学的合理外延中存在既得利益的产业界、学术界和机构可以发挥重要作用,一方面借助新兴技术(比如云端技术),一方面发展多媒体课堂普及学习机会。

  据Gizmodo报道,行业内的美国企业对法案在众议院的通过感到兴奋。

此外,类似博物馆中的非正式教育工具,也可作为课余的有效补充。

  英特尔与IBM的发言人都告诉Gizmodo,他们完全支持这项立法。这两家企业都在开发量子计算机处理器。

除了白宫量子信息科学委员会之外,美国农业部、能源部、国立卫生院、内政部、国土安全部、国务院、国家航空航天局、国家标准与技术研究院、国家科学基金会、国家安全局、国家情报总监办公室、行政管理和预算局、科学和技术政策局也参与起草了《国家量子信息科学战略概览》。

  事实上,美国领导层中也并非只有国会在关注量子技术。据CNN报道,早在今年6月,白宫已经宣布在国家科学技术委员会成立一个新的小组委员会,协调量子信息科学研究与发展。

在同一峰会上,美国能源部宣布为量子信息科学领域的85个研究奖项提供2.18亿美元的资助,研究课题包括:开发新一代量子计算机的硬件和软件、合成特殊量子新材料、探讨量子计算和信息处理对暗物质和黑洞等宇宙现象研究的帮助等。

  美军方智库关注中国量子技术发展:中国雄心正挑战美国创新领导力

美国国家科学基金会则宣布拨款3100万美元用以资助33项推动量子技术发展的研究项目。这些研究项目旨在推进量子通信技术,建立有史以来第一个完全连接的实用量子计算机,并帮助培养下一代量子科学家、工程师和企业家。

  观察者网注意到,就在这项法案13日在众议院进行审议前夕,美国智库“新美国安全中心”(CNAS,该智库由多名前五角大楼官员组成)曾于12日发布了一份题为《量子霸权?中国的雄心与对美国创新领导力的挑战》的报告。

值得一提的是,美国国会在9月中旬同意拨款13亿美元补贴科技公司研发量子计算机。这一系列动作表明,美国越来越担心会在量子信息科学领域失去优势。

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  报告用了大量篇幅渲染中国在量子技术领域的发展,正在对美国构成威胁。报告中警告,“中国在量子科学方面的进步可能会影响未来的军事与战略平衡,甚至可能超越美国传统的军事技术优势。”美国的隐形技术作为一项美国长期的军事优势,可能因为量子技术而过时。“监视中国以及保护美国的敏感信息也可能变得困难。”

  报告的作者之一埃尔莎·卡尼亚(Elsa Kania)14日还对CNN表示,美国在近代史上首次面临被另一个国家所拥有技术惊到的危险。

  “量子研究一些领域取得的重大进展,将使中国在科学领域有望超过美国。”观察者网发现,报告中还能看到引用了如“科技强国”、“源头创新”以及“军民融合”等有关中国发展计划的中文字眼。

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  报告的作者认为,中国在量子密码方面取得的进展是世界级的,2016年中国第一个量子卫星的发射就是证明。报告还特别提到,作为应对,美国是时候启动一项推进计划了,确保量子研究能够得到更好的资助,并吸引更多来自世界各地的顶级科学家。

  报告提醒,美国应该关注“学术知识的海外转移”,如中国学生在美国接受教育后回国从事量子研究。

  而在众议院通过新法案后,美国知名新媒体Axios 14日写道:“在中美争夺人工智能领域主导地位之际,两国又陷入了一场平行的、幕后的量子技术竞赛,这场竞赛可能会带来持久的军事优势,并可能引发一场新的工业革命。”

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  Axios报道截图

  报道称,征服量子技术可以使得通讯不受干扰,研制量子雷达与带来更致命的海底战争。到目前为止,中国在这方面拥有严重优势。

  目前,也有人将各国推动量子技术发展,视为新一轮的“太空竞赛”。

  “量子可能是未来100年里的计算技术,”英特尔量子硬件总监吉姆·克拉克(Jim Clarke)对CNN表示:“这就像一场太空竞赛,每一代人就会发生一次。”

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