量子科技： 中國按下創(chuàng)新“快進(jìn)鍵”

（本刊綜合）

在量子科技領(lǐng)域，一場激烈的競賽正在展開。量子通信、量子計(jì)算、量子測算……如今，量子科技已成為全球科技大國集中發(fā)力的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革前沿陣地。掌握創(chuàng)新的主動(dòng)權(quán)，才能掌握發(fā)展的主動(dòng)權(quán)。搶抓量子科技發(fā)展機(jī)遇，中國已按下“快進(jìn)鍵”。

10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)，并達(dá)成共識(shí)：要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局。

而在10月7日，美國物理學(xué)會(huì)將一年一度的“蘭道爾-本內(nèi)特量子計(jì)算獎(jiǎng)”頒發(fā)給中國科技大學(xué)教授陸朝陽，以表彰其在光學(xué)量子信息科學(xué)，特別是在固態(tài)量子光源、量子隱形傳態(tài)和光量子計(jì)算方面的重要貢獻(xiàn)。

接連不斷的消息讓量子科技成為輿論關(guān)注的熱點(diǎn)。

量子科技被稱為21世紀(jì)的尖端科技，不僅可以讓“竊聽”無處遁形，甚至被認(rèn)為可以改變未來人類生活。近期，我國在量子科技領(lǐng)域取得多項(xiàng)國際前沿重大成果：國際首次實(shí)現(xiàn)高保真度32維量子糾纏態(tài)，自主研發(fā)的6比特超導(dǎo)量子計(jì)算云平臺(tái)上線，千公里級(jí)無中繼量子通信取得新突破……我國已成為國際量子科研強(qiáng)國之一。

神奇的“糾纏”和“疊加”

提到量子科技，不得不提量子。量子指的是物質(zhì)不可再分的基本單元。通俗來說，如果把能量等物理量一份份往下分，分到無法再分的小塊就是量子。例如，光量子就是光能量的基本單元，不可能再分為1/2個(gè)、1/3個(gè)光子。事實(shí)上，我們?cè)谖锢碚n上所學(xué)到的分子、原子、電子等，都是量子的不同表現(xiàn)形式。

1900年，德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克提出量子理論，開啟了研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支。120年來，全球幾代科學(xué)家孜孜以求，在量子理論、量子科技及其應(yīng)用等領(lǐng)域開疆拓土。

在宏觀世界中，牛頓經(jīng)典力學(xué)可以幫助我們理解和測算物體的運(yùn)動(dòng)、速度等規(guī)律。但在量子微觀世界中，許多規(guī)則卻與我們的認(rèn)知截然不同。其中的兩個(gè)基本原理就是“疊加”和“糾纏”。

疊加原理，最經(jīng)典的理論莫過于神秘莫測的“薛定諤的貓”。根據(jù)量子力學(xué)理論，物質(zhì)在微觀尺度上可以同時(shí)存在多種狀態(tài)和多個(gè)位置的“疊加”。

為了解釋疊加狀態(tài)，奧地利物理學(xué)家薛定諤在1935年提出了經(jīng)典理論：將一只貓關(guān)進(jìn)裝有少量鐳和氰化物的箱子里，如果鐳發(fā)生衰變，就會(huì)觸發(fā)機(jī)關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會(huì)死;反之，貓就存活。在量子世界中，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，“可憐的”貓便處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)。

更為神奇的是，如果想要測量量子，它便會(huì)從疊加狀態(tài)變?yōu)榇_定的狀態(tài)，就像是如果有人懷著好奇心去打開箱子，便只能看到一只死貓或者活貓。

一個(gè)量子可以“疊加”多種狀態(tài)，多個(gè)量子則會(huì)產(chǎn)生“糾纏”的奇妙反應(yīng)。兩個(gè)處于量子糾纏狀態(tài)的粒子，就像雙胞胎的心靈感應(yīng)一樣。無論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)一個(gè)量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)量子也會(huì)超“瞬間”發(fā)生變化。對(duì)于詭異的糾纏現(xiàn)象，愛因斯坦在當(dāng)時(shí)也難以作出解釋，將其稱之為“鬼魅般的超距作用”。

量子理論誕生一百多年來，催生了許多重大發(fā)明，核能、激光、半導(dǎo)體等科技得以問世，進(jìn)而發(fā)展出計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)等重大應(yīng)用，改變了人類文明進(jìn)程。今天，量子科技發(fā)展具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值，是一項(xiàng)對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進(jìn)行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。

將帶來重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新

量子科技并不是新近出現(xiàn)的新學(xué)科領(lǐng)域，它距離民眾并不遙遠(yuǎn)。量子力學(xué)理論發(fā)軔于1900年，隨后引發(fā)的“第一次量子革命”催生出半導(dǎo)體、激光、計(jì)算機(jī)等改變?nèi)祟愇拿鬟M(jìn)程的重大成果。進(jìn)入新世紀(jì)以來，量子領(lǐng)域新發(fā)現(xiàn)、新理論、新技術(shù)密集涌現(xiàn)，預(yù)示著“第二次量子革命”已進(jìn)入加速期、起跑期。

量子科技已成為當(dāng)前世界科技研究的一大熱點(diǎn)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室副研究員袁嵐峰認(rèn)為，量子科技被中央賦予前所未有的重視程度受之無愧，因?yàn)榱孔恿W(xué)和相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論。人類在20世紀(jì)基于量子力學(xué)了解了微觀世界，才產(chǎn)生了許多重大的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)明創(chuàng)造。例如導(dǎo)電性，就是有了量子力學(xué)后才能解釋清楚的。磁性也是如此。

量子科技的應(yīng)用為科技發(fā)展帶來無限的想象空間。那它將帶來哪些重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新呢？谷歌曾稱，世界第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)要算一萬年的實(shí)驗(yàn)，量子計(jì)算機(jī)只用200秒就能算完。目前全球一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要百億TB的存儲(chǔ)量才能完成，而未來的量子存儲(chǔ)設(shè)備可能只需指甲蓋大小就能存儲(chǔ)人類幾百年的信息數(shù)據(jù)。

量子科技給高密度、低能耗的信息存儲(chǔ)帶來巨大想象空間，而基于此的大數(shù)據(jù)發(fā)展也將突飛猛進(jìn)。清華大學(xué)副校長薛其坤說，量子計(jì)算會(huì)顛覆性提高信息運(yùn)算處理速度，量子通信會(huì)大幅度提升通信安全性，量子精密測量和傳感技術(shù)會(huì)在未來數(shù)字時(shí)代和萬物互聯(lián)時(shí)代有著廣泛的應(yīng)用。此外，得益于量子保密通信的高度安全性，量子通信未來將在國防、財(cái)務(wù)和金融專網(wǎng)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

隨著量子科技的不斷發(fā)展，其在計(jì)算等方面的能力，一定會(huì)超乎人們的想象。清華大學(xué)物理系教授龍桂魯表示：“量子科技就像一只初生的‘老虎，雖然它現(xiàn)在的力量還不大，但它長大后就會(huì)顯示出巨大的威力?！?/p>

各國激烈爭奪技術(shù)制高點(diǎn)

正是因?yàn)榱孔蛹夹g(shù)所蘊(yùn)含的巨大發(fā)展前景，量子科技領(lǐng)域的國際競爭日益激烈。據(jù)了解，全球主要科技強(qiáng)國近期均出臺(tái)了國家層面的量子信息技術(shù)戰(zhàn)略計(jì)劃。美國正在建設(shè)量子網(wǎng)絡(luò);英國建成了連接布里斯托、劍橋等地的量子網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)合新加坡啟動(dòng)了量子衛(wèi)星項(xiàng)目;德國、法國等19個(gè)歐盟成員國簽署了未來10年開發(fā)和部署歐盟范圍內(nèi)量子通信基礎(chǔ)設(shè)施的聲明。

華安證券分析師尹沿枝稱，美國近10年來已通過“量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”等項(xiàng)目，以每年約2億美元的投入力度，持續(xù)支持量子信息各領(lǐng)域研究。歐盟2016年推出“量子宣言”旗艦計(jì)劃，在未來10年投資10億歐元，支持量子計(jì)算、通信、模擬和傳感四大領(lǐng)域的研究和應(yīng)用推廣，并在2018年11月正式啟動(dòng)首批20個(gè)研究項(xiàng)目。日本文部科學(xué)省2013年成立量子信息和通信研究促進(jìn)會(huì)以及量子科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)，計(jì)劃未來十年內(nèi)投資400億日元，支持量子通信和量子信息領(lǐng)域的研發(fā)。

而美國尤其表現(xiàn)得雄心勃勃。2018年底，美國頒布了《國家量子倡議法案》，宣稱絕不能容忍在量子科技領(lǐng)域落后。2020年7月，美國能源部宣布了建設(shè)量子互聯(lián)網(wǎng)的藍(lán)圖。10月7日，美國發(fā)布的《國家量子信息科學(xué)戰(zhàn)略投入的量子前沿報(bào)告》宣布，美國將在量子信息科學(xué)領(lǐng)域保持領(lǐng)導(dǎo)地位，作為確保美國長期經(jīng)濟(jì)繁榮和國家安全的關(guān)鍵優(yōu)先事項(xiàng)。袁嵐峰說：“這些文件都表明，美國非常重視量子科技，決心用國家的力量大量投入。”

目前，量子科技的競爭并非只局限于政府之間，企業(yè)之間的競爭也非常激烈。中國科學(xué)院院士、世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”首席科學(xué)家潘建偉介紹，谷歌、微軟、IBM、英特爾等國際巨頭都積極投入量子計(jì)算研發(fā)。尹沿枝表示，美國的這些企業(yè)近年來大舉進(jìn)軍量子計(jì)算領(lǐng)域，并且與耶魯大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)共性技術(shù)，主要集中在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域，目前這些企業(yè)已經(jīng)在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域取得較好成果。另外，在產(chǎn)業(yè)化方面，IBM發(fā)布超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算云平臺(tái)。而谷歌也推出了72比特的量子計(jì)算芯片“狐尾松”。

中國量子科技加速前進(jìn)

近年來，我國多次創(chuàng)造量子比特糾纏數(shù)量的世界紀(jì)錄，成功發(fā)射世界首顆量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”、成功開通世界首條量子保密通信干線“京滬干線”、首次實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)……中國已成為國際量子科研強(qiáng)國之一，在量子通信、量子計(jì)算、量子測量三大科研方向居于世界領(lǐng)先。

量子通信“墨子”領(lǐng)跑

2016年8月，中國發(fā)射了自主研制的世界上首顆空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——“墨子號(hào)”?！蹲匀弧冯s志曾評(píng)價(jià)道，在量子通信領(lǐng)域，中國用了不到10年的時(shí)間，由一個(gè)不起眼的國家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美。

量子通信是各國優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)量子科技領(lǐng)域。傳統(tǒng)的通信方式中，加密方式依靠的是計(jì)算的“復(fù)雜性”，有被竊聽的風(fēng)險(xiǎn)。而量子的獨(dú)有特性，使其具有不可克隆、測不準(zhǔn)等“先天優(yōu)勢”。用量子做成的“密鑰”來傳遞信息，加密的內(nèi)容不會(huì)被破譯，竊聽者必然會(huì)被“抓包”。量子通信因此被看作信息安全傳輸?shù)摹氨Ｗo(hù)盾”，為破解信息加密“瓶頸”提供了解決方案。

近年來，中國量子通信技術(shù)取得多項(xiàng)突破性進(jìn)展?！澳犹?hào)”的發(fā)射為通過太空“量子傳密”提供了可能。實(shí)驗(yàn)表明，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比地面光纖信道高1萬億億倍，衛(wèi)星平均每秒發(fā)送4000萬個(gè)信號(hào)光子，一次實(shí)驗(yàn)可生成300千比特的密鑰，平均成碼率達(dá)1.1千比特/秒。

與此同時(shí)，中國科研人員還利用量子衛(wèi)星在國際上率先成功實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)等成果。2017年，全球首條量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”項(xiàng)目通過總技術(shù)驗(yàn)收。

2020年，中國科學(xué)家在量子通信領(lǐng)域同樣取得諸多成果——

3月，潘建偉團(tuán)隊(duì)等研究人員實(shí)現(xiàn)了500公里級(jí)真實(shí)環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(fā)和相位匹配量子密鑰分發(fā)，傳輸距離達(dá)到509公里，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

5月，中國科研團(tuán)隊(duì)在國際物理學(xué)權(quán)威期刊《現(xiàn)代物理評(píng)論》上發(fā)表論文，系統(tǒng)闡述了量子密碼的原理、理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，為量子密碼的廣泛應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)化制定奠定了基礎(chǔ)。

今年9月，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)與奧地利同行合作，首次實(shí)現(xiàn)了高保真度的32維量子糾纏態(tài)，顯著提高了量子通信的信道容量，創(chuàng)造了當(dāng)前世界最高水平。

量子計(jì)算搶占先機(jī)

量子計(jì)算同樣是各國競相布局的量子科技領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)有獨(dú)特優(yōu)勢。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算單位比特只有0和1兩種狀態(tài)。而在量子計(jì)算機(jī)里，由于量子疊加態(tài)的存在，1個(gè)量子比特可同時(shí)記錄0和1兩個(gè)狀態(tài)。如果計(jì)算機(jī)操縱的量子數(shù)目增多，就會(huì)以指數(shù)級(jí)增長提升計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，計(jì)算能力潛力巨大。

隨著運(yùn)算能力的提升，社會(huì)生活的諸多領(lǐng)域都有望迎來“革命”——提高農(nóng)作物產(chǎn)量、指導(dǎo)科學(xué)的城市交通規(guī)劃、促進(jìn)新藥研發(fā)、實(shí)現(xiàn)高精度的天氣預(yù)報(bào)……專家表示，量子計(jì)算將極大促進(jìn)當(dāng)前人工智能及其應(yīng)用的發(fā)展，深刻地改變包括基礎(chǔ)教育在內(nèi)的眾多領(lǐng)域。

目前，在量子計(jì)算領(lǐng)域，中國整體上與發(fā)達(dá)國家處于同一水平線。近年來，多支科研團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算領(lǐng)域取得階段性成果。2019年底，潘建偉等學(xué)者與德國、荷蘭的科學(xué)家合作，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算，在四大關(guān)鍵指標(biāo)上均大幅刷新國際紀(jì)錄，逼近實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算研究的重要目標(biāo)“量子霸權(quán)”。

而在企業(yè)方面，百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業(yè)也相繼出臺(tái)了量子計(jì)算研究計(jì)劃。今年9月，中國企業(yè)自主研發(fā)的6比特超導(dǎo)量子計(jì)算云平臺(tái)“悟源”正式上線，全球用戶可以在線體驗(yàn)來自中國的量子計(jì)算服務(wù)。

量子測量穩(wěn)步推進(jìn)

相比量子通信、量子計(jì)算，量子測量顯得更為神秘。它的應(yīng)用涵蓋科研、醫(yī)療、地質(zhì)、能源、災(zāi)害預(yù)防等。

“量子測量的精度可以達(dá)到原子量級(jí)?！眹鴥x量子（合肥）技術(shù)有限公司副總經(jīng)理張偉介紹，傳統(tǒng)測量技術(shù)最小只能探測到微米量級(jí)，而量子技術(shù)可以精細(xì)千倍、萬倍到納米、亞納米量級(jí)，帶來革命性的技術(shù)進(jìn)步。

比如將量子測量用于電網(wǎng)，可以精確監(jiān)測電流、電壓;用于探礦，可以邊鉆井邊測量周邊地質(zhì)成分;用于醫(yī)療，可以精確分析血液微量元素含量。

與量子通信和量子計(jì)算相比，量子測量的公眾認(rèn)知度較小，但普通人首先能用上的量子科技，或許就是量子測量相關(guān)成果。

據(jù)中國信息通信研究院統(tǒng)計(jì)，與量子通信和量子計(jì)算相比，量子測量領(lǐng)域的專利申請(qǐng)和研究論文總量偏少，但近年來呈現(xiàn)增長趨勢。從地域上看，美、中、日的專利申請(qǐng)量較多，且中國在 2018 年趕超了美國。

有專家指出，從科研成果來看，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域多集中在原子鐘領(lǐng)域，少數(shù)企業(yè)致力于量子雷達(dá)、量子態(tài)操控與讀取等領(lǐng)域。部分領(lǐng)域與歐美國家有所差距，但總體穩(wěn)步推進(jìn)。