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你是否想像過，有一天，你的手機可以比現在的超級計算機還要快，你的醫生可以用一種新型的傳感器來檢測你身體裡最微小的變化，你的銀行可以用一種無法破解的密碼來保護你的帳戶，甚至你的國家可以用一顆衛星來實現安全而迅速的通信？
這些聽起來像是科幻小說里的情節，但其實它們都是量子科技研發所能帶來的可能性。本文將從兩個重要而具有代表性的領域——量子通信和量子計算——入手，分析中國在這兩個領域中所取得了哪些進展。
量子通信是什麼？和傳統通信有什麼不同？
量子通信是一種利用量子物理定律來保護數據的技術。它可以讓兩個通信方之間共享加密的數據，而這些數據是通過粒子（通常是光子）來傳輸的，這些粒子被稱為量子比特或qubit。
它具有一種神奇的性質，就是它們像薛丁格的貓一樣可以處於疊加態，也就是說它們可以同時表示多個1和0的組合。
量子通信最常用的一種方法是量子密鑰分發（QKD），它可以讓兩個通信方之間建立一個安全的密鑰，用來解密傳輸的信息。
QKD的原理是，兩個通信方分別發送和接收一系列隨機生成的量子比特，並通過公開信道進行比對和校驗，從而得到一個只有他們知道的密鑰。
量子通信與傳統加密方式有很大的不同。傳統加密方式依賴於數學算法來生成和破解密鑰，而這些算法可能會被強大的計算機或者數學家所攻破。
而量子通信則利用了量子力學中一個重要的原理：不可克隆定理。
這個定理表明，任何未知狀態的量子比特都不能被完美地複製。這意味著如果有人試圖攔截或者竊聽量子通信中傳輸的信息，他們就會破壞原始信息，並且被立即發現。
量子通信——中國領先
目前，在量子領域的信息傳遞方面，中國的研究和應用已經走在了世界前列，取得了一系列令人矚目的成就。
首先，中國搭建了世界上最長的陸地量子通信網絡，連接了北京和上海之間的超過2000公里的距離。
這條網絡由32個中繼站組成，每個中繼站都能夠實現量子態轉換和存儲，從而保證了信息的連續傳輸。這條網絡已經投入商業運行，為政府、金融、能源等部門提供了高效安全的數據服務。
其次，中國發射了第一顆量子衛星「墨子號」，開創了空間量子通信的新紀元。這顆衛星能夠將地面上兩個相距12000公里的接收站之間建立起量子糾纏態，從而實現跨洲間和跨海洋間的量子密鑰分發。
這意味著中國可以通過衛星來構建一個全球範圍內的量子通信網絡，無需依賴於光纖或其他傳統媒介。
最後，中國還與其他國家進行了多項國際合作項目，在空間和地面上展示了量子通信的前沿應用。
例如，在2017年，中國與奧地利之間進行了世界上第一個基於衛星的量子視頻會議；在2020年，中國與義大利之間完成了首次基於衛星和光纖相結合的跨境量子密鑰分發；在2021年，中國與德國之間實現了首次基於衛星和自由空間光學鏈路相結合的雙向高速率密鑰傳輸。
可以說，中國在量子通信方面已經形成了一個完整而強大的體系，從理論到實驗再到工程應用都有著突出優勢。
如果把信息傳輸比作是一場馬拉松比賽，那麼中國就像是一個身穿高科技裝備、速度驚人、不斷刷新記錄、讓對手望塵莫及的選手。而美國則像是一個身穿普通運動服、速度平平、不斷落後、只能眼巴巴地看著對手遠去。
美國對中國在量子通信方面的擔憂
中國在量子通信方面的領先地位，讓美國感到不安。美國擔心，中國將其軍事和政治通信轉移到量子網絡上，使得美國無法維持其現有的情報收集能力。
此外，中國還在太空領域展示了其量子通信技術的優勢，發射了世界上第一顆量子衛星「墨子號」，並與地面站點實現了跨洲間和跨海洋間的量子密鑰分發。這意味著中國有可能建立一個全球範圍內的量子通信網絡，從而威脅到美國在太空領域的霸權。
中國在量子計算方面的發展
量子計算是利用量子力學原理進行信息處理和運算的一種新型計算方式，它可以在極短的時間內完成傳統計算機無法實現或需要很長時間才能實現的任務。
例如，一個量子計算機，如果有100個量子比特（qubit），理論上可以同時表示2100種狀態，這是一個超越宇宙中所有原子數量級別的數字。如果要用傳統計算機模擬一個100個qubit的量子系統，就需要消耗地球上所有電力資源。
中國在量子計算領域擁有雄心勃勃的目標和大量的投入。到2020年，中國預期建立具有50至100個qubit規模的超導或光學體系的量子原型機；到2030年，計劃建立百萬級qubit規模、達到「量子霸權」、可解決實際問題、的大型通用量子計算機。
近年來，中國在量子計算領域取得了令人矚目的一系列成果。自然雜誌於2021年在線發表了兩篇由中國物理所牽頭完成的論文。
其中一篇介紹了使用超導體系構建的66個qubit規模的「祖沖之」2.0型超導電路平台，該平台具有可編程、高保真度、高穩定性和高可重複性等特點，並成功解決了高斯的玻色子取樣難題，傳統超級計算機需要2500萬年才能完成的任務，被它在150秒內完成了。
這是繼谷歌2019年使用53個qubit規模超導體系實現「隨機電路取樣」（Random Circuit Sampling）問題後，世界上第二次出現的「量子優勢」，也是中國首次達到這一里程碑式成就。
另一篇論文介紹了使用光學體系構建的113個光源規模的「玻色取樣」專用型光學平台，該平台具有可編程、全連接等特點，並成功解決了「玻色取樣」問題，在僅200秒內完成了傳統超級計算機需要600億年才能完成的任務。這是世界上首次出現的「光學霸權」，也使中國在光學體系方面達到世界領先水平。
除此之外，中國還在量子計算領域展現了強大的創新能力和商業化潛力。2021年，百度發布了其首台超導量子計算機「千石」，宣稱這是世界上第一款「全平台量子硬體軟體一體化解決方案」，並已向公眾開放使用。
「千石」擁有一個10個qubit規模的處理器，同時百度還研發出了一個36個qubit規模的量子晶片。這些令人驚嘆的技術進步，表明中國在量子計算領域已經具備了與世界先進水平相媲美甚至超越的實力和信心。
量子計算不僅能夠提高計算速度和效率，還能夠更快更準確地預測分子結構和反應過程，從而促進新藥開發和新材料設計；可以更好地理解人類大腦的工作原理，從而提升人工智慧的性能和智能水平；可以更有效地處理海量數據和信息，從而改善交通管理和網絡安全等。
美國的競爭與挑戰
儘管中國在量子計算領域取得了引人矚目的進展，但美國仍然保持著領先地位，擁有多個優勢資源。
美國擁有全球最強大的量子計算機，如谷歌的Sycamore和IBM的Summit，以及眾多頂尖的量子科學家和工程師。
此外，美國在推動公私合作、建立全球標準、培養人才等方面也做出了很多努力。例如，美國政府長期穩定地資助量子研究，並成立了一系列量子信息科學中心，促進了學術界、工業界和政府部門之間的協同創新。
美國還積極參與國際量子合作項目，如歐洲量子旗艦計劃和亞太經合組織量子網絡，同時制定了一些重要的量子技術標準和規範。
結語
通過上文的分析，我們可以看到，中國和美國在量子科技領域中都是最具影響力和創新力的兩個參與者，並且都將其視為戰略性優先事項。
兩國在量子通信和量子計算等方面都取得了令人矚目的成就，也面臨著各自的挑戰和困難。兩國之間既有合作空間也有競爭壓力，在未來可能產生更多摩擦或合作機會。
如何平衡好這種複雜而微妙的關係，是一個需要雙方共同努力、理性溝通、相互尊重、尋求共識的過程。 我們不能因為對方的進步而感到恐懼或嫉妒，也不能因為自己的優勢而感到驕傲或輕視。
我們應該以開放而包容的心態來欣賞對方的成就，以學習而創新的精神來提升自己的水平。在這個日益緊密聯繫、相互依存、充滿變化和不確定性的世界中，沒有哪個國家能夠獨善其身，沒有哪個領域能夠孤立發展。
只有通過合作才能實現共贏，只有通過競爭才能促進進步。
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