量子科技的應(yīng)用現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

摘要：量子科技因其在通信，計(jì)算等方面的突出優(yōu)勢，而具有廣闊的應(yīng)用前景和潛在市場規(guī)模，本文便對量子科技的應(yīng)用現(xiàn)狀和所面臨的挑戰(zhàn)做一個(gè)系統(tǒng)的分析闡述。

關(guān)鍵詞：量子科技;量子計(jì)算;量子通信

近年來，量子技術(shù)正逐漸成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)，國際競爭日益激烈。盡管其成本高昂，條件嚴(yán)苛且仍有許多尚未攻克的難關(guān)，但顯然，各國都在此前一系列的研發(fā)突破中看到了它巨大的潛在價(jià)值，都在搶占先機(jī)，希望能在量子浪潮中分得一杯羹。據(jù)悉，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);德、法等19個(gè)歐盟成員國簽署了未來十年開發(fā)和部署歐盟范圍內(nèi)量子通信基礎(chǔ)設(shè)施的聲明等等[1]。中國也在量子保密通信、計(jì)算等諸多領(lǐng)域都取得了重大突破，目前正以令世界驚嘆的速度蓬勃發(fā)展，已然成為撼動(dòng)歐美等國統(tǒng)領(lǐng)地位的有力對象。

1 量子計(jì)算

由于量子獨(dú)特的疊加性，使量子比特可同時(shí)擁有0和1兩個(gè)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)“同步計(jì)算”。此外量子糾纏現(xiàn)象又能使處于不同地方的兩個(gè)量子比特共享量子態(tài)，即使相距再遠(yuǎn)都會(huì)和對方的狀態(tài)緊密相連，創(chuàng)造出超疊加效應(yīng)。因此，它擁有強(qiáng)大的存儲(chǔ)和并行運(yùn)算能力，在一些具備重大政治和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的領(lǐng)域（如AI 計(jì)算、材料設(shè)計(jì)、密碼學(xué)、質(zhì)因數(shù)分解等），通過特定的算法，有望實(shí)現(xiàn)相對于經(jīng)典計(jì)算機(jī)指數(shù)級(jí)別的加速。

那為什么量子計(jì)算有以上諸多優(yōu)勢，卻沒有得到廣泛的普及和應(yīng)用呢？

首先是溫度的影響，由于量子的相干性，導(dǎo)致越接近絕對零度計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性越高，這需要時(shí)刻對設(shè)備進(jìn)行冷卻降溫，耗電耗時(shí)，成本高昂。

還有一個(gè)關(guān)鍵性的難點(diǎn)就是量子計(jì)算結(jié)果的糾錯(cuò)問題：

對于經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言，雖然存在錯(cuò)誤，但只要我們進(jìn)行足夠多次的重復(fù)計(jì)算，在得出的諸多結(jié)果中選擇最占有優(yōu)勢（出現(xiàn)次數(shù)較多）的結(jié)果，就可以有效解決這一問題。

但是，要想在量子計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)更高效的并行運(yùn)算，要用到量子的疊加性-即在沒有觀測時(shí)，結(jié)果始終處于正誤的疊加態(tài)，這也是它的優(yōu)勢所在。但疊加和糾纏的量子態(tài)極度脆弱，能被外部環(huán)境中的細(xì)微干擾影響，其中包括了任何想要觀測它們的嘗試。這就是矛盾所在，糾錯(cuò)的前提是我們要先認(rèn)定結(jié)果是否錯(cuò)誤，可一旦進(jìn)行觀測，就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)崩塌，量子疊加態(tài)被破壞，相干性衰減，出現(xiàn)“退相干”，無法完成計(jì)算。

針對上述難題，目前普遍接受的解決方案主要有兩個(gè)：

一是間接測量。設(shè)置一個(gè)參數(shù)量子項(xiàng)，使之與所要計(jì)算的量子比特耦合，再通過測量該參數(shù)項(xiàng)來間接測量原來的結(jié)果。聽起來容易但是若想徹底實(shí)現(xiàn)，則需要占據(jù)更多的量子空間，大大增加了所需量子位的數(shù)量，投入成本高昂。

二是直接消除錯(cuò)誤。通過提高技術(shù)，運(yùn)用更加精密的計(jì)算材料，更高的科研能力，最大限度地去提高精度，直接從源頭上避免錯(cuò)誤的出現(xiàn)。但是這種方法基于對量子領(lǐng)域極其深入的了解，選擇最優(yōu)質(zhì)的材料和技術(shù)，長時(shí)間不計(jì)成本地去研究、試錯(cuò)。

總之，量子計(jì)算的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)，面臨的挑戰(zhàn)很嚴(yán)峻，但是機(jī)遇、潛力和價(jià)值同樣不可估量?，F(xiàn)如今，其研發(fā)和攻關(guān)已經(jīng)成為世界科技前沿的熱點(diǎn)以及最大挑戰(zhàn)之一。近年來我國在這一領(lǐng)域不斷地實(shí)現(xiàn)了重大突破。例如，潘建偉團(tuán)隊(duì)在2020年研發(fā)的“九章”量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了算力全球領(lǐng)先。據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，它處理高斯玻色取樣的速度比排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬億倍，等效地比谷歌53比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。該成果確立了我國在國際量子計(jì)算領(lǐng)域中的第一方陣地位，為未來進(jìn)行更加深入的攻關(guān)和研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2 量子通信

隨著現(xiàn)如今數(shù)字化，信息化高速發(fā)展，移動(dòng)支付、互聯(lián)網(wǎng)金融等逐漸融入我們的日常生活，通信和網(wǎng)絡(luò)信息安全正面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)。傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)僅僅取決于密鑰的安全性，沒有加密機(jī)制和算法作為保障，相比之下，量子通信因其自身脆弱的疊加態(tài)，一旦被測量或者復(fù)制，就會(huì)立刻改變原有狀態(tài)，從而被通信雙方察覺。這也使得它有了更高的保密性和安全性。此外，其傳輸速度更是比光速高出4個(gè)數(shù)量級(jí)，從而可實(shí)現(xiàn)高效，不可破譯的完美通信。

據(jù)調(diào)查，2012年至今，國際量子通信研究的重大進(jìn)展突破（量子保密通信，質(zhì)因數(shù)分解等）幾乎都是由我國科學(xué)家獨(dú)立完成的，可以說，目前的中國在這一領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。早在2004年，郭光燦團(tuán)隊(duì)在北京-天津125km的光纖線路上，就實(shí)現(xiàn)了量子密碼的首次傳輸;2016年，潘建偉團(tuán)隊(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)了全球第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星-“墨子號(hào)”，并順利發(fā)射升空，在空間量子物理領(lǐng)域取得重大突破。2021年初，潘建偉團(tuán)隊(duì)在“墨子號(hào)”量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和京滬干線的串聯(lián)下，實(shí)現(xiàn)了4600公里的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，這是全球首個(gè)集成量子通信網(wǎng)絡(luò)。在不久的將來中國定制的量子互聯(lián)網(wǎng)，很有可能取代如今由美國主導(dǎo)的光纖互聯(lián)網(wǎng)。

作為一個(gè)新興的前沿交叉學(xué)科，對此國內(nèi)外目前仍面臨著很多的技術(shù)難點(diǎn)：

首先是為了進(jìn)行長距離的量子態(tài)隱形傳輸，必須要讓通信的兩地同時(shí)具備最大量子糾纏態(tài)，但是由于不可避免的環(huán)境噪聲，量子糾纏很容易受到干擾，而使性能變差。所以如何克服遠(yuǎn)距離傳輸帶來的信號(hào)損耗成為了難點(diǎn)所在;

其次是如何填補(bǔ)由現(xiàn)實(shí)器件，如光源、探測器等不完美帶來的安全性漏洞，將理論更好地運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)——對實(shí)際量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行攻防測試和安全性升級(jí)是應(yīng)該被重視的關(guān)鍵;

最后，現(xiàn)階段的技術(shù)驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研發(fā)落后。作為量子物理學(xué)和信息科學(xué)領(lǐng)域的前沿交叉學(xué)科，量子通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作難度較大，目前國際標(biāo)準(zhǔn)化研究相對滯后，重視程度不夠，科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)缺乏有效的溝通協(xié)作[2]，難以形成合力，一致向前發(fā)展。

雖然近年來我國在量子科技的諸多領(lǐng)域飛速發(fā)展，成果顯著，甚至達(dá)到了“量子霸權(quán)”，但在部分領(lǐng)域仍與歐美一些較早涉及的發(fā)達(dá)國家存在差距。我們要把握機(jī)遇，補(bǔ)齊短板（如加強(qiáng)對半導(dǎo)體制冷片，F(xiàn)PGA芯片等高端核心元件的自主研發(fā)能力），提高政府和社會(huì)的關(guān)注度，如中科院郭光燦院士所言：“如果我們想在激烈的量子霸權(quán)斗爭中取勝，不能只做‘游擊隊(duì)’，必須組建一支完備的‘集團(tuán)軍’”。加大科研和投資力度，統(tǒng)籌推進(jìn)量子通信、計(jì)算、測量等多個(gè)領(lǐng)域任務(wù)齊驅(qū)并進(jìn)，相輔相成。使政策、項(xiàng)目、資金、市場多管齊下，搶占先機(jī)，縮短同龍頭企業(yè)的差距。

目前在我國，量子技術(shù)正大面積覆蓋關(guān)乎于國計(jì)民生的諸多關(guān)鍵領(lǐng)域，為那些服務(wù)于14億人民的行業(yè)賦能。我們期望在不久的未來，能夠看到量子領(lǐng)域迎來人類開始主動(dòng)控制、操縱量子的一次新的革命，而中國恰恰就是這場革命的領(lǐng)導(dǎo)者。

參考文獻(xiàn)：

[1]量子科技：中國按下創(chuàng)新“快進(jìn)鍵”[J]. 發(fā)明與創(chuàng)新（大科技），2020（11）

[2]周德建.淺談量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析[J].移動(dòng)信息，2017（4）;79-80

作者簡介：孫松楠 女 學(xué)歷：天津師范大學(xué)本科生 研究方向：應(yīng)用物理學(xué)