量子科技及其未來(lái)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用展望

余澤平

除了目前大熱的量子計(jì)算外，量子科技的主要應(yīng)用方向還包括量子通信和量子測(cè)量。同樣是基于量子力學(xué)的特性，量子通信和量子測(cè)量，在信息安全和防竊聽、測(cè)量精度和靈敏度方面突破經(jīng)典技術(shù)的瓶頸。與尚在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研發(fā)的量子計(jì)算相比，量子通信已經(jīng)進(jìn)入到應(yīng)用階段。

近來(lái)，“量子科技”成為了熱詞。但是作為“量子科技”理論基礎(chǔ)的量子論或者量子力學(xué)，卻有了一百多年的歷史。普朗克在1900年10月公布的黑體輻射（即熱輻射）能量密度公式，被認(rèn)為是量子論的開端。其后的物理學(xué)理論基本是以量子力學(xué)為核心的，各領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用可以說(shuō)是量子力學(xué)的衍生品。

起源：物理學(xué)晴朗天空中的“兩朵烏云”

就在1900年，一個(gè)新世紀(jì)的開始，物理學(xué)們心情愉悅，認(rèn)為物理學(xué)的天空一片晴朗，許多重大的物理問(wèn)題都有了答案，可著名物理學(xué)家開爾文勛爵則認(rèn)為，物理學(xué)晴朗的天空中仍在遠(yuǎn)處飄著兩朵烏云。其中的一朵烏云是，電磁波（光）的媒介還沒(méi)有找不到。人們知道水波的媒介是水，找到了聲波的媒介是空氣或者其他可以傳播聲音的物質(zhì)。電磁波的媒介雖然被稱為以太，但卻找不到它的媒介物。 另一朵烏云是，有關(guān)電磁波的能量均分定理，無(wú)法確定一定溫度下各種電磁波的能量究竟是多少的問(wèn)題。

幾乎以光的速度，開爾文勛爵的“兩朵烏云”被照亮了。

普朗克寫出了熱輻射中各種電磁波能量的公式，即普朗克定律。為此，普朗克假設(shè)，物質(zhì)通過(guò)振動(dòng)發(fā)出或吸收電磁波時(shí)，振動(dòng)的能量必須是某個(gè)基本單元的整數(shù)倍。這個(gè)基本單元叫做量子（愛(ài)因斯坦叫做光量子），是頻率乘以一個(gè)常數(shù)。這個(gè)常數(shù)就叫做普朗克常數(shù)。

5年之后的1905年，愛(ài)因斯坦在解釋了光電效應(yīng)的同時(shí)，還創(chuàng)立了相對(duì)論，并說(shuō)明電磁波不需要媒介，由此第一朵烏云化作烏有。再過(guò)一年，愛(ài)因斯坦指出，光量子假說(shuō)自然導(dǎo)致普朗克定律，第二朵烏云也隨之化為烏有。

光電效應(yīng)說(shuō)明光信號(hào)可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。據(jù)此，發(fā)展出眾多應(yīng)用，如光電倍增管、光敏電阻、太陽(yáng)能電池、數(shù)碼相機(jī)、材料研究中的光電子能譜等。

直到2019年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)仍然與量子力學(xué)有關(guān)，宇宙大爆炸產(chǎn)生的熱輻射，其能量完全符合普朗克定律。整個(gè)宇宙的演化都可以歸結(jié)為電磁波的量子化。

回溯歷史可以發(fā)現(xiàn)，早在1913年，玻爾就提出了能量量子化。1925年到1926年，海森堡、玻恩等物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子中電子狀態(tài)的改變會(huì)產(chǎn)生光子，并據(jù)以建立了矩陣力學(xué);而薛定諤則提出了波動(dòng)方程（又稱薛定諤方程），準(zhǔn)確描述了電子行為，清楚解釋了玻爾模型，被稱為波動(dòng)力學(xué)。

隨后，狄拉克定義說(shuō)，矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)是等價(jià)的，只不過(guò)是量子力學(xué)的不同形式而已。狄拉克的說(shuō)法，與其他物理學(xué)家進(jìn)展一起，系統(tǒng)構(gòu)建了量子力學(xué)理論。

特性：上帝擲的骰子？死活一體的貓？

量子力學(xué)最突出的或者實(shí)質(zhì)性的特性，是對(duì)它描述的概率性。對(duì)此特性的最貼切比喻，就是“上帝擲骰子”。

由此特性，量子力學(xué)解釋了化學(xué)。如元素周期表、化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)鍵、分子穩(wěn)定性等，都可以解釋為是電子和原子核在電磁力作用下的現(xiàn)象。

同樣，量子力學(xué)也可以幫助人類更清晰地理解宇宙。不論是最微觀的基本粒子，還是最宏觀的廣宇。從另一個(gè)方面說(shuō)，量子力學(xué)的作用無(wú)處不在，從光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及由原子構(gòu)成的具體物質(zhì)。很明顯，正因此量子力學(xué)就成為現(xiàn)代科技的理論基礎(chǔ)。

其他未解之謎，比如暗物質(zhì)和暗能量，目前看還要依賴量子力學(xué)給出答案。

與這一特性緊密相連的是極為特殊的、違反人類直覺(jué)的五個(gè)量子效應(yīng)。

一是齊諾效應(yīng)?？梢孕蜗蠼忉屃孔悠嬷Z效應(yīng)的是“薛定諤的貓” 這一思想實(shí)驗(yàn)：當(dāng)一只貓被困在放射性物質(zhì)的密閉盒子中，如果物質(zhì)衰變，產(chǎn)生的輻射就會(huì)觸發(fā)探測(cè)器，釋放出有毒的氣體將貓殺死。那么，在打開盒子進(jìn)行測(cè)量之前，貓同時(shí)處于兩種狀態(tài)：活與死。一種狀態(tài)是衰變沒(méi)有發(fā)生，貓仍活著;另一種狀態(tài)是衰變已發(fā)生，貓已死亡?；钆c死竟是同體的，這在人類的意識(shí)中是難以言說(shuō)的。但在打開盒子的一瞬間，貓的生死狀態(tài)就會(huì)確定為一種——要么活、要么死。

還有一種操作，如果頻繁地打開盒子，貓的生死狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變嗎？以此來(lái)測(cè)量原子，就可以不斷地重設(shè)原子的衰變時(shí)鐘。而根據(jù)觀測(cè)方式的不同，原子的衰變可以被延遲或加速，就像貓的壽命得到延長(zhǎng)或縮短。也就是說(shuō)，一個(gè)量子系統(tǒng)是可以通過(guò)頻繁地重復(fù)測(cè)量而改變的。前者被稱為量子齊諾效應(yīng)，后者被稱為量子反齊諾效應(yīng)。奇諾效應(yīng)已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這就意味著不需要去測(cè)量，只需要輕晃盒子，就會(huì)出現(xiàn)同樣的效果。

二是量子疊加效應(yīng)。與量子奇諾效應(yīng)相關(guān)聯(lián)的一個(gè)重要概念是量子疊加，也就是一個(gè)物體可以同時(shí)存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的狀態(tài)，就如那只既死且活“薛定諤的貓”。當(dāng)然，在肉眼能看到的世界中這是看不到的，但在物理實(shí)驗(yàn)中卻是已經(jīng)被證實(shí)的，如擁有兩種可能的自旋狀態(tài)的電子。在此基礎(chǔ)上，物理學(xué)家還證明了被稱為幽靈粒子的中微子，可在行進(jìn)中同時(shí)處于兩種或兩種以上的狀態(tài)。

量子糾纏只不過(guò)是量子疊加的一種特殊狀態(tài)。

三是洪-歐-曼德爾效應(yīng)。洪-歐-曼德爾效應(yīng)描述的是當(dāng)兩個(gè)相同的光子在同時(shí)抵達(dá)一個(gè)分束器時(shí)，兩個(gè)光子總是成對(duì)地出現(xiàn)在分束器的同一側(cè)，永遠(yuǎn)不會(huì)單獨(dú)出現(xiàn)在分束器的兩側(cè)。

分束器是一種能將光一分為二的物理實(shí)驗(yàn)裝置。入射的光束穿過(guò)分束器和被從分束器反射回來(lái)的概率各占一半，那么，對(duì)于一個(gè)單光子而言，它應(yīng)該有50%的概率出現(xiàn)在分束器的任何一側(cè)。但實(shí)驗(yàn)得到的現(xiàn)象，卻不是這樣，而是違反正常思維的兩個(gè)光子同時(shí)到達(dá)分束器時(shí)，總是出現(xiàn)在同一側(cè)。這一違反直覺(jué)的效應(yīng)首次由洪、歐和曼德爾在1987年用激光實(shí)驗(yàn)證實(shí)，并因此命名。

四是真空雙折射效應(yīng)。光學(xué)中有兩個(gè)相連的現(xiàn)象，即偏振和雙折射。雙折射是指光通過(guò)某些透明晶體時(shí)的一種特殊性質(zhì)。光束通過(guò)這些晶體時(shí)的速度，由光的偏振方向以及相對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)軸的運(yùn)動(dòng)方向決定。這些晶體可以將入射光分成兩束，且它們以不同的速度向不同的方向傳播。

一般情況下，光線在穿過(guò)真空時(shí)是不會(huì)發(fā)生變化的，但是當(dāng)光線穿過(guò)像中子星周圍的強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，就會(huì)改變真空中的虛擬粒子的性質(zhì)，從而改變光的偏振。

五是量子溫度效應(yīng)。 在經(jīng)典物理世界，熱量從高向低是平滑傳遞的，但是在量子物理學(xué)中，在只由一層單層的碳原子構(gòu)成的石墨烯中，電子所攜帶的熱量會(huì)以波的形式傳播，并出現(xiàn)一些部分溫度不變，而另一些部分則溫度上升的特殊現(xiàn)象，更為奇特的是這些波的大小是可控的。科學(xué)家因此可以通過(guò)熱顯微鏡，在量子尺度上觀測(cè)溫度變化。那么，量子溫度效應(yīng)在計(jì)算、醫(yī)學(xué)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面就可以大顯身手。

未來(lái)應(yīng)用：亂花漸欲迷人眼

諸多奇異的量子效應(yīng)，預(yù)示著眼花繚亂的應(yīng)用。

量子計(jì)算及未來(lái)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

人們引以為傲的量子計(jì)算就是巧妙操縱量子疊加效應(yīng)，用量子力學(xué)原理作為計(jì)算邏輯，其計(jì)算速度極大超越了經(jīng)典計(jì)算的速度。

目前在用的計(jì)算機(jī)之所以被稱為經(jīng)典計(jì)算機(jī)，是因?yàn)樗m然在硬件上用到了半導(dǎo)體，也用到了量子力學(xué)，但是其計(jì)算邏輯并不是量子力學(xué)的。與現(xiàn)有的思考相比，量子力學(xué)的邏輯只能用“瘋狂”來(lái)形容。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，“一切過(guò)往皆為序章”，量子能夠同時(shí)存在于兩個(gè)地方，且能夠快速前進(jìn)或后退，甚至能夠進(jìn)行所謂的瞬間移動(dòng)。這也是量子計(jì)算速度超越想象的原因所在。谷歌制造的量子計(jì)算機(jī)，據(jù)稱是現(xiàn)有計(jì)算速度的十萬(wàn)倍。

如果說(shuō)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的0或1只能分別運(yùn)行的話，而在量子計(jì)算機(jī)那里，既能分別運(yùn)算0或1，又能同時(shí)運(yùn)算代表0和1，這也是一種疊加效應(yīng)。

同理，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要數(shù)十億年才能解決的問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)在極短時(shí)間內(nèi)就能解決了。

具體來(lái)說(shuō)，世界第一超算Summit需要大約1萬(wàn)年完成的計(jì)算，量子計(jì)算機(jī)只需要3分20秒。

因此，有人說(shuō)，量子計(jì)算將顛覆一切！

但就目前來(lái)說(shuō)，能夠成熟應(yīng)用的量子計(jì)算還未出現(xiàn)，各先進(jìn)國(guó)家也正處于努力提高量子比特（量子信息的基本單位，目前并沒(méi)有確切的表述，不同研究者有不同的表述）的階段。在產(chǎn)業(yè)方面，量子云被認(rèn)為是量子計(jì)算最先落地的應(yīng)用領(lǐng)域，谷歌、亞馬遜、IBM、微軟等巨頭都已在量子云領(lǐng)域進(jìn)行了布局。硬件方面，谷歌正在實(shí)驗(yàn)54量子比特芯片，IBM開發(fā)了53量子比特的計(jì)算機(jī)。我國(guó)的進(jìn)展是，騰訊、華為、百度、阿里巴巴均在積極參與量子計(jì)算的開發(fā)。潘建偉院士科研團(tuán)隊(duì)正努力攻關(guān)高量子比特計(jì)算技術(shù)，其團(tuán)隊(duì)在2018年成功實(shí)現(xiàn)了18個(gè)量子比特的糾纏。

日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、苑震生等與德國(guó)海德堡大學(xué)、意大利特倫托大學(xué)的合作者開發(fā)出一種專用的量子計(jì)算機(jī)——71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子光晶格量子模擬器，對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)方程施溫格模型進(jìn)行了成功模擬，通過(guò)操控束縛在其中的超冷原子，從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了局域規(guī)范不變量，首次使用微觀量子調(diào)控手段在量子多體系統(tǒng)中驗(yàn)證了描述電荷與電場(chǎng)關(guān)系的高斯定理，取得了利用規(guī)模化量子計(jì)算和量子模擬方法求解復(fù)雜物理問(wèn)題的重要突破。

科學(xué)家們?cè)诮衲甑倪_(dá)沃斯論壇上展望了量子計(jì)算的應(yīng)用前景，認(rèn)為量子計(jì)算將極大推進(jìn)大分子開發(fā)、加密算法破譯、人工智能等。

具體來(lái)說(shuō)，一是加速新藥開發(fā)。這是因?yàn)榱孔佑?jì)算天然具備擅長(zhǎng)模擬分子特性，計(jì)算機(jī)數(shù)字形式可以直接幫助人類獲得大分子性狀，極大縮短理論驗(yàn)證時(shí)間，加快開發(fā)COVID-19疫苗、抗癌藥物等的速度。

二是加速破解加密算法。這是量子疊加效應(yīng)最突出的特性。

三是加速人工智能。要實(shí)現(xiàn)更深層次的人工智能離不開量子計(jì)算硬件設(shè)備的成熟與完善以及量子人工智能算法的長(zhǎng)足進(jìn)步。

四是加速金融發(fā)展。量子計(jì)算可釋放的巨大算力，將為開發(fā)新的金融服務(wù)和產(chǎn)品帶來(lái)無(wú)限可能性。

量子通信及未來(lái)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

量子通信分為量子密鑰分發(fā)（QKD）和量子隱形傳態(tài)兩大技術(shù)。目前來(lái)看，量子隱形傳態(tài)技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，正在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的是量子密鑰分發(fā)技術(shù)。

量子密鑰分發(fā)是一個(gè)通信雙方協(xié)商產(chǎn)生共享密鑰的過(guò)程。發(fā)送和接收裝置間通過(guò)量子信道和經(jīng)過(guò)認(rèn)證的經(jīng)典信道相連。

在難度上，量子通信技術(shù)比量子計(jì)算稍低。我國(guó)在這一領(lǐng)域目前處于世界領(lǐng)先水平，“京滬干線”已建成，“墨子號(hào)”量子通信衛(wèi)星已發(fā)射，并實(shí)現(xiàn)了全球首次洲際量子通信。

因?yàn)榱孔油ㄐ潘哂械母甙踩?，可廣泛應(yīng)用于對(duì)信息安全要求很高的領(lǐng)域或行業(yè)，如軍事國(guó)防、政務(wù)、金融、互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)、電力等。從長(zhǎng)期的趨勢(shì)來(lái)看，更為安全、高效、穩(wěn)定的量子互聯(lián)網(wǎng)勢(shì)必會(huì)取代傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)。

軍事國(guó)防。因?yàn)檐娛聡?guó)防對(duì)信息安全要求最高，大概率會(huì)較快實(shí)現(xiàn)量子通信的大規(guī)模應(yīng)用，如作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)機(jī)動(dòng)的安全軍事通信網(wǎng)絡(luò)、信息對(duì)抗能力等。

國(guó)家政務(wù)。政府機(jī)關(guān)單位（如公安、工商、地稅、財(cái)政）可以搭建量子通信節(jié)點(diǎn)，保證實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信、實(shí)時(shí)文本通信，及文件傳輸?shù)鹊陌踩浴?/p>

金融。目前，金融交易的網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化、快速化和貨幣數(shù)字化快速推進(jìn)，亟需提升金融交易的機(jī)密性、完整性、可控性、可用性、抗抵賴性和可靠性。

云服務(wù)。隨著5G技術(shù)的推廣與深入應(yīng)用，大量數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)向云端轉(zhuǎn)移，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心對(duì)信息安全的要求顯著增高。

電力。和平時(shí)期，電力系統(tǒng)的發(fā)、變、輸、配、用等，對(duì)安全、穩(wěn)定、可靠都有著很高要求。為應(yīng)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)，更需要提高安全級(jí)別。量子通信有望幫助電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

量子精密測(cè)量及未來(lái)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

據(jù)報(bào)道，2020年5月復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了迄今含原子數(shù)（千億個(gè)）最多的原子自旋壓縮以及突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的高靈敏度原子磁力計(jì)。實(shí)際上，這樣的成就僅僅是量子精密測(cè)量的眾多應(yīng)用方向之一。

往前回溯到1927年。在這一年，海森堡提出了量子不確定性原理：粒子的位置與動(dòng)量不可同時(shí)被確定，位置測(cè)定得越準(zhǔn)確，動(dòng)量的測(cè)定就越不準(zhǔn)確，反之亦然。

雖然在量子計(jì)算、量子通信等領(lǐng)域，量子的不確定性被視作缺點(diǎn)，但在量子測(cè)量方面卻成為可被利用的特點(diǎn)。量子的奇正相依體現(xiàn)得極為明顯。量子體系與待測(cè)物理量相互作用，從而引發(fā)量子態(tài)的改變，得以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量進(jìn)行測(cè)量。

與經(jīng)典物理中的測(cè)量明顯不同，量子測(cè)量不是獨(dú)立于所觀測(cè)的物理系統(tǒng)而單獨(dú)存在的，而測(cè)量本身即是物理系統(tǒng)的一部分，所作的測(cè)量也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)產(chǎn)生干擾，這并不妨礙量子測(cè)量的精度遠(yuǎn)超經(jīng)典測(cè)量。

隨著量子技術(shù)的進(jìn)步，量子相干、量子糾纏、量子統(tǒng)計(jì)等特性已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)量子極限的突破，使更高精度的測(cè)量變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。當(dāng)然，量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)原理仍然在發(fā)生著限制作用，從而導(dǎo)致測(cè)量精度不可能無(wú)限制地提高，這個(gè)不可突破的最終極限被稱為海森堡極限。

那么，設(shè)計(jì)一種可實(shí)際應(yīng)用的并且達(dá)到海森堡極限的量子精密測(cè)量技術(shù)就成為學(xué)術(shù)界的努力方向。

一般來(lái)說(shuō)，按照對(duì)量子特性的應(yīng)用，量子測(cè)量分為三個(gè)層次，第一個(gè)層次是基于微觀粒子能級(jí)測(cè)量;第二個(gè)層次是基于量子相干性測(cè)量;第三個(gè)層次是基于量子糾纏進(jìn)行測(cè)量，均突破了經(jīng)典理論的極限。

第一個(gè)層次從20世紀(jì)50年代就逐步在原子鐘等領(lǐng)域開始應(yīng)用。其應(yīng)用原理是，當(dāng)原子從一個(gè)“能量態(tài)”躍遷至低一級(jí)“能量態(tài)”時(shí)，便會(huì)釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的，被定義為共振頻率。在上世紀(jì)30年代，哥倫比亞大學(xué)的拉比就發(fā)明了一種被稱為磁共振的技術(shù)，用于測(cè)量原子的自然共振頻率。但在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，原子鐘的實(shí)用性并不強(qiáng)，直到20世紀(jì)50年代才由扎卡來(lái)亞斯與美國(guó)Malden公司一起建造了商用原子鐘，也就是今天用于GPS的銫原子鐘的前輩。1967年，國(guó)際計(jì)量大會(huì)依據(jù)銫原子的振動(dòng)，重新定義了秒。這就是量子理論在測(cè)量問(wèn)題上的第一個(gè)重大貢獻(xiàn)。

近些年隨著量子態(tài)操控技術(shù)研究的不斷深入，基于微觀粒子能級(jí)測(cè)量的自旋量子位測(cè)量系統(tǒng)，利用磁場(chǎng)變化導(dǎo)致自旋量子位的能級(jí)結(jié)構(gòu)變化，出現(xiàn)輻射改變或頻譜吸收，就可以完成磁場(chǎng)的精確測(cè)量。利用類似原理，同樣又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度與應(yīng)力的精密測(cè)量。

金剛石氮空位色心作為一種自旋量子位，因其可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種物理量的超高靈敏度檢測(cè)，得以廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)、加速度、角速度、溫度、壓力的精密測(cè)量，已顯現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

目前，金剛石色心測(cè)量系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)芯片化，并應(yīng)用于陀螺儀、磁力計(jì)、磁成像裝置。如2019年麻省理工學(xué)院首次在硅芯片上制造了基于金剛石色心的量子傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁場(chǎng)的精密測(cè)量。同年，2019年中科大首次實(shí)現(xiàn)基于金剛石色心的50納米空間分辨力高精度多功能量子傳感，并可用于微納電磁場(chǎng)及光電子芯片檢測(cè)。

量子測(cè)量的第二個(gè)層次是基于量子相干性的測(cè)量技術(shù)，利用量子的物質(zhì)波特性，通過(guò)干涉法進(jìn)行外部物理量的測(cè)量。技術(shù)相對(duì)成熟，精度較高，廣泛應(yīng)用于陀螺儀、重力儀、重力梯度儀等領(lǐng)域。遵循同一原理的超導(dǎo)量子干涉儀，可用于軍事、醫(yī)學(xué)、地學(xué)、地球物理、空間物理等領(lǐng)域。

雖然熱原子和冷原子在量子干涉儀中均可實(shí)現(xiàn)原子干涉，但是因?yàn)槔湓拥膭?dòng)量更小，相干長(zhǎng)度更長(zhǎng)，其測(cè)量靈敏度比熱原子會(huì)高很多。因此，冷原子干涉技術(shù)成為主流應(yīng)用，如量子陀螺儀、量子重力儀、量子加速度計(jì)等，已得到各國(guó)重視，被用于高靈敏導(dǎo)航系統(tǒng)等。

早在2003年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）就制定了高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（PINS）計(jì)劃，同年歐洲空間局也制定了空間中的高精度冷原子干涉測(cè)量技術(shù)（HYPER）計(jì)劃。這其中的關(guān)鍵儀器就是量子陀螺儀。

量子測(cè)量的第三個(gè)層次是基于量子糾纏進(jìn)行量子測(cè)量，其技術(shù)條件最為嚴(yán)苛，同時(shí)也最接近量子的本質(zhì)，其在理論上可以突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限，無(wú)限接近海森堡極限，實(shí)現(xiàn)超高精度的測(cè)量。

基于此原理，可將量子衛(wèi)星定位系統(tǒng)用于高精度量子定位導(dǎo)航。只是基于量子糾纏的定位系統(tǒng)目前仍停留在理論階段，主要應(yīng)用仍是超冷原子技術(shù)。此外，量子糾纏特性還可應(yīng)用于量子目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域，如雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨能力和角分辨能力有望突破經(jīng)典極限。這一層次的技術(shù)目前僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化還要有待時(shí)日。

好消息是實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了海森堡極限精度，實(shí)際應(yīng)用已現(xiàn)曙光。

波士頓咨詢（BCG）預(yù)測(cè)，到2028年，工程師們將研發(fā)出可用于低復(fù)雜程度的量子模擬問(wèn)題的非通用量子計(jì)算機(jī)，主要應(yīng)用領(lǐng)域是制藥、化學(xué)、材料科學(xué)等。而2030年之后，量子計(jì)算機(jī)將在各類商業(yè)應(yīng)用中優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，推動(dòng)量子計(jì)算加速發(fā)展。

除了量子計(jì)算外，量子科技的主要應(yīng)用方向還包括量子通信和量子測(cè)量。同樣是基于量子力學(xué)的特性，量子通信和量子測(cè)量，在信息安全和防竊聽、測(cè)量精度和靈敏度方面突破經(jīng)典技術(shù)的瓶頸。與尚在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研發(fā)的量子計(jì)算相比，量子通信已經(jīng)進(jìn)入到應(yīng)用階段，并且國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈。

據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院提供的數(shù)據(jù)，我國(guó)量子通信整體市場(chǎng)規(guī)模在2019年為325億元，同比增長(zhǎng)19%。但長(zhǎng)期來(lái)看，量子通信有望引領(lǐng)量子互聯(lián)網(wǎng)的革命，出現(xiàn)量子物聯(lián)網(wǎng)、量子云計(jì)算等前沿形態(tài)。

由于量子科技在信息安全上的重要作用和產(chǎn)業(yè)變革上的巨大潛力，歐美近年來(lái)都在這個(gè)領(lǐng)域大幅增加研發(fā)投入，并啟動(dòng)國(guó)家級(jí)的量子科技戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃。8月26日，美國(guó)宣布將在未來(lái)5年，向人工智能和量子信息科學(xué)等領(lǐng)域投入10億美元以上，扶持12個(gè)相關(guān)研究中心的發(fā)展。

這意味著，量子科技已然成為中美在繼5G、人工智能之后的新賽道。

責(zé)任編輯：孟繁科