量子科技，中國按下“快進(jìn)鍵”

劉朝暉

2016年12月10日，在西藏阿里觀測站，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星過境，科研人員在做實(shí)驗(yàn)（合成照片）。

“量子就是一切物質(zhì)分割到最小，其無法再分割的那個(gè)單位物質(zhì)或者能量”。被普通人視為燒腦概念的小小量子，正在從艱深的物理學(xué)名詞變?yōu)樽顬闊衢T的科技概念之一。量子通信、量子計(jì)算、量子測量……作為21世紀(jì)尖端科技的量子科技，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。

在這一領(lǐng)域，中國近幾年取得了一系列重要科學(xué)問題和關(guān)鍵核心技術(shù)突破，并在部分方向?qū)崿F(xiàn)國際領(lǐng)先，令全球科技界為之矚目。與此同時(shí)，中國在量子科技從基礎(chǔ)研究向應(yīng)用領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化，以及相關(guān)的戰(zhàn)略布局也在加速。在這場關(guān)于未來的激烈競逐中，中國已經(jīng)按下了“快進(jìn)鍵”。

“墨子”和“九章”確立領(lǐng)先身位

量子通信是各國優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)量子科技領(lǐng)域。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，安全性遠(yuǎn)非傳統(tǒng)的通信加密方式可比，因此量子通信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。

2016年的8月，一顆名為“墨子號(hào)”的衛(wèi)星在酒泉成功發(fā)射升空，揭開了中國量子科技發(fā)展的神秘面紗，因?yàn)檫@是世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星?！澳犹?hào)”的升空，使中國在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建了天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。

隨后，中國科研人員利用量子衛(wèi)星在國際上率先成功實(shí)現(xiàn)了千公里級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。

就在去年，中國科學(xué)家在量子通信領(lǐng)域同樣取得諸多成果。3月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)等研究人員實(shí)現(xiàn)了500公里級真實(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)。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。

中科院院士潘建偉在辦公室內(nèi)與“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星模型合影。

《自然》雜志對此評價(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。

去年12月初，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)成功構(gòu)建的76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”問世，迎來了中國量子計(jì)算領(lǐng)域的“高光時(shí)刻”。2019年10月谷歌發(fā)布了量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)“懸鈴木”，谷歌曾為此激動(dòng)地表示：“最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)在它面前也不過是一個(gè)算盤”。然而，中國的 “九章”，速度比谷歌“懸鈴木”快100億倍，直接把“懸鈴木”也變成了“算盤”。

一問世就是世界第一，九章成功幫助中國實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算領(lǐng)域的第一個(gè)里程碑——量子計(jì)算優(yōu)越性，即量子計(jì)算機(jī)對特定問題的計(jì)算能力超越超級計(jì)算機(jī)。通過科學(xué)家的奮力追趕，在量子計(jì)算領(lǐng)域，中國整體上已經(jīng)與發(fā)達(dá)國家處于同一水平線。

量子科技邁向產(chǎn)業(yè)化

作為量子科技的基礎(chǔ)，科學(xué)家對于量子力學(xué)的研究已經(jīng)有逾百年的歷史，量子力學(xué)為信息革命提供了硬件基礎(chǔ)。激光、半導(dǎo)體晶體管，芯片的原理都源于量子力學(xué)。量子力學(xué)也使得磁盤和光盤的信息存儲(chǔ)、發(fā)光二極管、衛(wèi)星定位導(dǎo)航等新技術(shù)成為可能。因此，量子科技并不小眾，距離民眾并不遙遠(yuǎn)。眼下知名度大增的量子通信和量子計(jì)算，以及量子精密測量等，則是量子科技的新的方向和新的領(lǐng)域，被視為量子科技當(dāng)前最主要的應(yīng)用方向。這些技術(shù)的加速落地，標(biāo)志著人類正在迎來量子革命的第二次高潮。

量子通信的產(chǎn)業(yè)化方向主要在“保密通信”，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉表示，量子保密通信是在傳統(tǒng)通信中使用量子密鑰以提升安全性，它并不是要取代現(xiàn)有的通信方式，而是以一種新的途徑來大幅提高現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性。量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。

當(dāng)前，對于量子科技領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局已成全球共識(shí)，對于經(jīng)過30多年努力，已經(jīng)在量子科技多個(gè)戰(zhàn)略方向上實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑或進(jìn)入第一陣營的中國來說，必須將創(chuàng)新主動(dòng)權(quán)和發(fā)展主動(dòng)權(quán)牢牢掌握在自己手中。

墨子號(hào)量子衛(wèi)星的發(fā)射和量子通信京滬干線的建設(shè)，讓中國的量子通信接近了產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用階段，使中國成為世界量子通信應(yīng)用的領(lǐng)先者。兩者結(jié)合，中國與奧地利實(shí)現(xiàn)了世界首次洲際量子保密通信，構(gòu)建出了天地一體化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形。據(jù)悉，我國計(jì)劃2030年左右率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建信息充分安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”。

實(shí)際上，這種聽上去概念還比較抽象的量子通信，已經(jīng)從“天地一體化”開始走向我們更為直觀密切的大眾生活。去年11月初，中國電信在2020天翼智能生態(tài)博覽會(huì)上展出了兩臺(tái)分別根據(jù)華為和中興的現(xiàn)有手機(jī)型號(hào)改造而來的“量子手機(jī)”樣機(jī)，其技術(shù)提供方科大國盾量子技術(shù)股份有限公司，產(chǎn)品已經(jīng)被部署在“京滬干線”在內(nèi)的量子保密通信骨干網(wǎng)等項(xiàng)目。

這種手機(jī)的量子密鑰的分發(fā)，一方面通過建設(shè)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣域的分發(fā)，同時(shí)也可以借助基于國產(chǎn)密碼芯片和國密算法的量子安全SIM卡，完成在手機(jī)里的植入，手機(jī)借助植入的密鑰進(jìn)行量子安全通話。用戶可在通話過程中一鍵選擇“加密通話”或“普通通話”模式。中國電信表示，未來該手機(jī)會(huì)從中國電信的渠道向消費(fèi)者分發(fā)。國盾量子方面透露，除了安全手機(jī)，他們還已開發(fā)出了量子安全U盾等產(chǎn)品，未來將有更多產(chǎn)品走入大眾生活。

量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的指數(shù)級增長，使之被視為下一代信息革命的關(guān)鍵動(dòng)力，讓社會(huì)生活的諸多領(lǐng)域發(fā)生深刻改變——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)……盡管潘建偉院士認(rèn)為現(xiàn)在的量子計(jì)算原型機(jī)更像是一個(gè)“玩具”，要實(shí)現(xiàn)可以成為“工具”的通用量子計(jì)算機(jī)可能需要20年甚至更久，但是百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業(yè)已經(jīng)相繼出臺(tái)了量子計(jì)算研究計(jì)劃。

去年9月，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的成果轉(zhuǎn)化企業(yè)合肥本源量子計(jì)算科技有限公司研發(fā)的6比特超導(dǎo)量子計(jì)算云平臺(tái)正式上線。這個(gè)云平臺(tái)基于自主研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)“悟源”，保真度、相干時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，全球用戶可以在線體驗(yàn)來自中國的量子計(jì)算服務(wù)。本源量子計(jì)算公司表示，他們正在研發(fā)下一代量子芯片，預(yù)計(jì)2021年底推出20比特的量子計(jì)算機(jī)，未來3年實(shí)現(xiàn)50比特到100比特的量子計(jì)算機(jī)。

有專家表示，云服務(wù)將是量子計(jì)算可提供的服務(wù)新形態(tài)，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，將融入人工智能，滲透進(jìn)智能制造、智能物流與智能零售、智慧金融等各行業(yè)。只有超越經(jīng)典計(jì)算的量子計(jì)算，才能成為人工智能突破極限的堅(jiān)強(qiáng)后盾。特別是依賴大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，將大大受益于量子計(jì)算，產(chǎn)生無限可能。

應(yīng)用涵蓋科研、醫(yī)療、地質(zhì)、能源、災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域的量子精密測量，也取得了產(chǎn)業(yè)突破。

科研人員在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院量子通信“京滬干線”總控中心工作。

國儀量子（合肥）技術(shù)有限公司是國內(nèi)最早成立的量子測量企業(yè)，技術(shù)源于中科院院士杜江峰領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)?！傲孔訙y量的精度可以達(dá)到原子量級。”該公司副總經(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，而量子技術(shù)可以精細(xì)千倍、萬倍到納米、亞納米量級，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物質(zhì)含量。國儀量子開發(fā)的脈沖式電子順磁共振波譜儀等產(chǎn)品已上市，與能源和電力行業(yè)進(jìn)行了合作研發(fā)。

2021新年伊始，華中科技大學(xué)引力中心團(tuán)隊(duì)宣布，其研制出的實(shí)用化高精度銣原子絕對重力儀裝備，近日成功交付給中國地震局地震研究所。該團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)15年潛心研究，攻克了物質(zhì)波干涉、超低頻隔振、裝備小型化等量子重力儀的關(guān)鍵技術(shù)，于2013年將量子重力儀的分辨率提升至國際最好水平，并保持至今。作為首臺(tái)為行業(yè)部門研制的量子重力儀，其成功交付，將打破高精度重力儀國外技術(shù)壟斷的局面，為我國高端量子裝備的發(fā)展提供新途徑，也為行業(yè)部門的儀器使用提供具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新選項(xiàng)，更能夠保障核心數(shù)據(jù)的安全。

中國加速戰(zhàn)略布局

2020年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)，習(xí)近平總書記在主持學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，“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，把握大趨勢，下好先手棋?！薄凹涌彀l(fā)展量子科技，對促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展、保障國家安全具有非常重要的作用?！?/p>

國家對量子科技的重視和頂層設(shè)計(jì)，讓中國的量子科技研究與應(yīng)用駛上了“快車道”。根據(jù)《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》，量子信息被定位為“十四五”科技創(chuàng)新 7 個(gè)重要的發(fā)展領(lǐng)域之一。公開資料顯示，不少省市的“新基建”政策方案和項(xiàng)目計(jì)劃中，都出現(xiàn)了“量子”的身影。

例如，《北京市加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行動(dòng)方案（2020-2022年）》指出，“圍繞腦科學(xué)、量子科學(xué)、人工智能等前沿領(lǐng)域，加快推動(dòng)北京量子信息科學(xué)研究院、北京腦科學(xué)與類腦研究中心、北京智源人工智能研究院、北京應(yīng)用數(shù)學(xué)研究院等新型研發(fā)機(jī)構(gòu)建設(shè)”;《重慶市新型基礎(chǔ)設(shè)施重大項(xiàng)目建設(shè)行動(dòng)方案（2020—2022年）》指出，“提前布局量子通信網(wǎng)，探索量子通信信息安全加密服務(wù)應(yīng)用”;《2020年浙江省政府工作報(bào)告》也指出，“超前布局量子信息”。在安徽“十四五”規(guī)劃建議中也明確，支持建設(shè)量子信息創(chuàng)新成果策源地和產(chǎn)業(yè)發(fā)展集聚區(qū)，在技術(shù)源頭、技術(shù)溢出和產(chǎn)業(yè)孵化、產(chǎn)業(yè)擴(kuò)增等環(huán)節(jié)加快形成量子信息產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈，打造具有全球影響力的“量子中心”。

正在建設(shè)中的中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院。

北京量子院院長、清華大學(xué)副校長薛其坤院士介紹，2017年底，北京市就聯(lián)合中國科學(xué)院、清華大學(xué)、北京大學(xué)等國內(nèi)頂尖高校和科研機(jī)構(gòu)，成立了北京量子院。成立三年來，已在全球招聘全職科研人員150余人，組建了10余個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，初步完成了微納加工和綜合測試兩個(gè)平臺(tái)的建設(shè)，在若干領(lǐng)域已處于國際引領(lǐng)位置。

而在致力于打造成為全球科創(chuàng)中心的上海，早在2016年就已經(jīng)將 “量子通信”列入上?？苿?chuàng)中心建設(shè)“22條”意見確定的重大戰(zhàn)略項(xiàng)目，“十三五”科技創(chuàng)新規(guī)劃也已經(jīng)將“量子材料與量子通信”作為重要戰(zhàn)略方向作了部署。2019年6月，以中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院為基礎(chǔ)，聯(lián)合在滬相關(guān)量子科研力量，上海市與中科院共同成立了上海量子科學(xué)研究中心，加快在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的前瞻性布局。從2003年以來，上海在量子科技領(lǐng)域已累計(jì)投入數(shù)億元。

與此同時(shí)，資本的目光也瞄向了量子科技產(chǎn)業(yè)的風(fēng)口，一大批中國企業(yè)正為擁抱產(chǎn)業(yè)化浪潮加速“奔跑”。天眼查專業(yè)版數(shù)據(jù)顯示，2016年以來，我國量子領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)注冊總量迅猛增長，85%的相關(guān)企業(yè)新增于5年之內(nèi)。目前，量子領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)注冊總量是5年前的6倍。在剛剛過去的2020年，我國已新增近700家量子領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)。以工商登記為準(zhǔn)，我國目前有超過4200家量子領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)，52%的相關(guān)企業(yè)注冊資本在500萬元以上。

潘建偉指出，量子科技是事關(guān)國家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略性領(lǐng)域。當(dāng)前，對于量子科技領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局已成全球共識(shí)，對于經(jīng)過30多年努力，已經(jīng)在量子科技多個(gè)戰(zhàn)略方向上實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑或進(jìn)入第一陣營的中國來說，必須將創(chuàng)新主動(dòng)權(quán)和發(fā)展主動(dòng)權(quán)牢牢掌握在自己手中。