量子科技的發(fā)展前瞻

2021年4月14日是第一個(gè)“世界量子日”。世界量子日源于全球超過(guò)65個(gè)國(guó)家的量子科學(xué)家的共同倡議，旨在促進(jìn)公眾了解并討論量子科學(xué)技術(shù)，認(rèn)識(shí)它將如何引領(lǐng)未來(lái)的科技革命及如何影響人類(lèi)社會(huì)。

量子力學(xué)和相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石。從20世紀(jì)初普朗克提出“量子論”到20世紀(jì)20年代薛定諤波動(dòng)方程等量子力學(xué)基本理論的形成，人類(lèi)社會(huì)經(jīng)歷了“第一次量子革命”，半導(dǎo)體晶體管、激光、核磁共振、高溫超導(dǎo)材料等現(xiàn)代技術(shù)問(wèn)世，推動(dòng)材料、醫(yī)學(xué)、化工等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展。20世紀(jì)末，科學(xué)家在對(duì)量子糾纏展開(kāi)大量實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微觀體系量子態(tài)的精確檢測(cè)與調(diào)控，開(kāi)啟了“第二次量子革命”，結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)信息獲取、處理和傳輸?shù)牧孔有畔⒓夹g(shù)，將量子理論的研究與應(yīng)用提升到新的高度。

量子計(jì)算是量子信息科學(xué)的一部分，是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。這一概念最早由美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼于1981年提出，他構(gòu)建了一個(gè)利用量子體系進(jìn)行計(jì)算的抽象模型，推動(dòng)了量子理論與計(jì)算機(jī)科學(xué)的結(jié)合。1985年，英國(guó)物理學(xué)家多伊奇設(shè)計(jì)了量子計(jì)算機(jī)的雛形，提出了“量子圖靈機(jī)”，完成了與經(jīng)典圖靈機(jī)模型的對(duì)應(yīng)，標(biāo)志著量子計(jì)算機(jī)的研究步入軌道。從理論上來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)是利用量子力學(xué)的基本原理計(jì)算、存儲(chǔ)和處理量子信息，從而實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器。1994年，美國(guó)物理學(xué)家肖爾提出了首個(gè)量子算法，證明量子計(jì)算機(jī)可以高效地解決大數(shù)分解問(wèn)題，并可能破解廣泛使用的RSA公共密鑰體系，引發(fā)了全世界的廣泛關(guān)注。

量子計(jì)算的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是量子存儲(chǔ)器擁有巨大的存儲(chǔ)能力，二是量子計(jì)算具備真正的并行性和整體性，三是某些量子算法具有加速能力。量子計(jì)算構(gòu)建的新一代計(jì)算體系極具應(yīng)用價(jià)值。一方面，其在處理海量數(shù)據(jù)并行運(yùn)算方面的優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用于人工智能、金融建模、密碼解析等領(lǐng)域;另一方面，其在模擬原子分子演進(jìn)方面的優(yōu)越性，可優(yōu)化目前生物醫(yī)藥、材料化工、能源開(kāi)發(fā)的計(jì)算模擬方式。

近年來(lái)，量子計(jì)算在理論和實(shí)踐領(lǐng)域的發(fā)展都十分迅速。在理論層面，科學(xué)家已經(jīng)能夠演示量子計(jì)算機(jī)的工作原理、量子邏輯門(mén)操作、量子算法和量子編碼等，證實(shí)了量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)在理論上不存在不可逾越的障礙。在實(shí)踐領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)也取得了突破性成就。量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展可以分為三個(gè)階段：實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性、實(shí)用化的量子模擬機(jī)和可編程的通用量子計(jì)算機(jī)。首先是實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，量子優(yōu)越性是指量子計(jì)算機(jī)對(duì)于某一問(wèn)題擁有超越現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。2019年10月24日，谷歌研發(fā)出一款可對(duì)53個(gè)量子比特進(jìn)行運(yùn)算控制的超導(dǎo)量子芯片“Sycamore”，其能夠在200秒內(nèi)對(duì)一個(gè)53比特的超導(dǎo)電路系統(tǒng)采樣100萬(wàn)次，而當(dāng)時(shí)最強(qiáng)的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)“Summit”需要花費(fèi)1萬(wàn)年時(shí)間才能得到類(lèi)似的結(jié)果。據(jù)此，谷歌宣稱(chēng)其率先實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。2020年12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉等學(xué)者成功構(gòu)建了76個(gè)光子的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，其求解5000萬(wàn)個(gè)樣本的高斯玻色取樣僅需200秒，而截至2020年世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”需6億年。“九章”等效地比谷歌2019年發(fā)布的“Sycamore”快一百億倍，讓我國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家。下一階段的目標(biāo)是制造專(zhuān)用的量子模擬機(jī)，用于解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的、具有重大實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題，到達(dá)這一階段至少需要操縱幾百個(gè)量子比特。最后一個(gè)階段是可編程的通用量子計(jì)算機(jī)，一旦研制出通用的量子計(jì)算機(jī)，將在許多領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響。

量子科技發(fā)展具有重大的科學(xué)意義和極高的戰(zhàn)略?xún)r(jià)值，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。當(dāng)前，世界各國(guó)高度關(guān)注量子科技發(fā)展，紛紛加大政策和資金支持，搶占量子科技國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。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(shū)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(shì)，下好先手棋。我國(guó)的量子科技研究雖然起步較晚，但后來(lái)居上，目前已在量子通信及密碼技術(shù)方面占據(jù)世界領(lǐng)先地位。近年來(lái)，我國(guó)不斷加大對(duì)量子科技研究的政策和基金支持，促進(jìn)量子科技的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化落地。量子科技研究領(lǐng)域取得了哪些成就，還存在哪些技術(shù)困難？量子科技有哪些具體的應(yīng)用場(chǎng)景？如何推動(dòng)量子科技快速發(fā)展？本期特別策劃聚焦量子科技的現(xiàn)狀與發(fā)展前景，邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域的權(quán)威專(zhuān)家學(xué)者從不同學(xué)科視角深入探討。敬請(qǐng)讀者垂注！

——《學(xué)術(shù)前沿》編者