量子熱背后的冷思考

孫媛媛

只有通過(guò)理性思考和科學(xué)規(guī)劃，才能有望引領(lǐng)量子技術(shù)的發(fā)展，為人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步注入新的活力。

量子信息技術(shù)是培育未來(lái)產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建新質(zhì)生產(chǎn)力、推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的重要方向之一，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。

20世紀(jì)80年代后期，科學(xué)家將量子力學(xué)應(yīng)用到信息領(lǐng)域，量子信息技術(shù)就此誕生，并以遠(yuǎn)超經(jīng)典信息技術(shù)的優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿σ鹗澜绺鲊?guó)的高度重視，被稱(chēng)作“第二次量子革命”。其中，量子計(jì)算是對(duì)量子疊加態(tài)、量子糾纏和相干性三個(gè)基本特點(diǎn)綜合運(yùn)用的分支領(lǐng)域；量子通信主要利用量子糾纏的特性，涉及量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等領(lǐng)域；量子精密測(cè)量則是量子信息技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)之一，涉及對(duì)量子物理狀態(tài)及其攜帶信息的觀測(cè)。

經(jīng)過(guò)40余年發(fā)展，量子信息技術(shù)已從僅有學(xué)術(shù)界關(guān)注的基礎(chǔ)科學(xué)研究和前沿技術(shù)探索，逐步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)界共同參與的工程應(yīng)用研究和未來(lái)產(chǎn)業(yè)培育的歷史進(jìn)程當(dāng)中，目前已進(jìn)入科技攻關(guān)、工程研發(fā)、應(yīng)用探索和產(chǎn)業(yè)培育一體化推進(jìn)的關(guān)鍵發(fā)展階段。

量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)新突破

新年伊始，量子計(jì)算領(lǐng)域有變動(dòng)也有突破。

今年1月3日，百度量子計(jì)算研究所傳出變動(dòng)消息。官方已證實(shí)，旗下量子實(shí)驗(yàn)室及可移交的量子實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備將捐贈(zèng)給北京量子信息科學(xué)研究院。2個(gè)月前，2023年11月，阿里達(dá)摩院也將量子實(shí)驗(yàn)室捐贈(zèng)給浙江大學(xué)。具體涉及何種原因而變動(dòng)戰(zhàn)略，截至報(bào)道發(fā)布前，百度與阿里均未透露。

1月6日，我國(guó)第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”上線。隨后，中國(guó)“悟空”向全球用戶限時(shí)免費(fèi)開(kāi)放，接收全球量子計(jì)算任務(wù)。

截至1月15日上午10時(shí)，我國(guó)第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”已為全球用戶成功完成33871個(gè)運(yùn)算任務(wù)，全球60多個(gè)國(guó)家遠(yuǎn)程訪問(wèn)“悟空”人次突破35萬(wàn)。從登錄用戶看，全球范圍內(nèi)，美國(guó)、保加利亞、新加坡、日本、俄羅斯、加拿大等61個(gè)國(guó)家用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)了中國(guó)“悟空”，其中美國(guó)用戶訪問(wèn)次數(shù)位居境外訪問(wèn)第一。

“本源悟空”由本源量子計(jì)算科技（合肥）股份有限公司自主研發(fā)，搭載72位自主超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”，是目前我國(guó)最先進(jìn)的可編程、可交付超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

國(guó)開(kāi)啟科量子技術(shù)（安徽）有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人、首席科學(xué)家羅樂(lè)認(rèn)為，當(dāng)前，量子計(jì)算處于由科研走向工程的關(guān)鍵時(shí)期，但大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用預(yù)計(jì)還需要等待較長(zhǎng)時(shí)間?！耙恍┧懔γ舾行袠I(yè)值得關(guān)注，比如安全相關(guān)的攻防、流體力學(xué)模擬、小分子物化模擬等。在這些領(lǐng)域，不少世界知名企業(yè)和機(jī)構(gòu)已投入巨資進(jìn)行量子計(jì)算研究?！?/p>

量子通信為信息安全保駕護(hù)航

從古時(shí)候賢君名臣的權(quán)爭(zhēng)往事，到近現(xiàn)代大國(guó)之間的縱橫捭闔，在信息傳遞過(guò)程中，泄密一直是人們廣泛關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。今人成功解決問(wèn)題的手段，既非鴻雁傳書(shū)，也非魚(yú)傳尺素，而是量子通信。

據(jù)悉，中國(guó)和俄羅斯的科學(xué)家聯(lián)手，在兩國(guó)之間成功測(cè)試了超遠(yuǎn)距離、“完整周期”的量子加密通信，尚屬首次，意義深遠(yuǎn)。

本次測(cè)試是在2022年3月1日進(jìn)行的，使用了位于俄羅斯莫斯科附近的茲韋尼哥羅德地面站、中國(guó)新疆烏魯木齊附近的南山地面站，相距約3800公里。測(cè)試還借助了中國(guó)在2016年發(fā)射的世界第一顆量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”。測(cè)試中，科學(xué)家發(fā)送了兩張圖片，均使用量子密鑰進(jìn)行了加密。密鑰一共有兩個(gè)，一是中國(guó)哲學(xué)家墨子的引文，二是已故蘇聯(lián)物理學(xué)家列夫·朗道的方程式。此次測(cè)試證明，在金磚國(guó)家之間建立量子通信網(wǎng)絡(luò)“在技術(shù)上是絕對(duì)可能的”。

量子通信的研究?jī)?nèi)容之一就是量子密鑰分發(fā)。“基于計(jì)算復(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)，在原理上存在著被破譯的可能性，其破譯的困難程度只取決于計(jì)算力的強(qiáng)大與否。隨著數(shù)學(xué)和計(jì)算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。”?中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院教授級(jí)高級(jí)工程師廖勝凱介紹，“而與經(jīng)典通信不同，量子密鑰分發(fā)的安全性基于物理學(xué)基本原理，與計(jì)算復(fù)雜度無(wú)關(guān)。通過(guò)量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享安全的密鑰，利用該密鑰對(duì)信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類(lèi)唯一已知的不可竊聽(tīng)、不可破譯的原理上無(wú)條件安全的通信方式。”關(guān)于量子通信領(lǐng)域其他一些技術(shù)方案如量子隱形傳態(tài)、量子安全直接通信（QSDC）等也在進(jìn)一步發(fā)展。

用量子“測(cè)量”世界

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰院士、王亞教授等人在量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，提出基于信號(hào)關(guān)聯(lián)的新量子傳感范式，實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石內(nèi)點(diǎn)缺陷的高精度成像，并實(shí)時(shí)觀測(cè)了點(diǎn)缺陷的電荷動(dòng)力學(xué)。1月5日，該研究成果在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》。

20多年時(shí)間里，量子傳感的發(fā)展已經(jīng)使得很多物理量的測(cè)量技術(shù)取得了革命性的進(jìn)展。此次工作中，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新的量子傳感范式，即利用多個(gè)量子傳感器之間的信號(hào)關(guān)聯(lián)，提升對(duì)復(fù)雜對(duì)象的解析能力和重構(gòu)精度。研究團(tuán)隊(duì)基于自主發(fā)展的氮-空位色心制備技術(shù)，可控制備出相距約200納米的三個(gè)氮-空位色心作為量子傳感系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)隨機(jī)電場(chǎng)探測(cè)展示了這種新的量子傳感范式。

研究人員介紹，這一成果展示了基于量子技術(shù)的超高靈敏度缺陷探測(cè)，甚至在1000億個(gè)正常原子中出現(xiàn)一個(gè)缺陷，也能探測(cè)到。這要比目前最靈敏方法的探測(cè)極限提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，有望為當(dāng)前10納米以下芯片中的缺陷檢測(cè)提供一種強(qiáng)有力的技術(shù)手段。

挑戰(zhàn)與發(fā)展并存

面對(duì)量子熱潮帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)薛其坤指出，我國(guó)目前的短板在于：第一，量子技術(shù)的人才儲(chǔ)備不足。因?yàn)檫@個(gè)技術(shù)比較尖端，很長(zhǎng)時(shí)間都處在基礎(chǔ)研究階段，近20年我國(guó)基礎(chǔ)研究才得到快速發(fā)展。人才培養(yǎng)需要時(shí)間，不管是量子科技所有領(lǐng)域的人才團(tuán)隊(duì)規(guī)模，還是杰出的科學(xué)家群體，我們都是不足的。第二，一些基本的材料比如關(guān)鍵的元器件和設(shè)備仍然依賴(lài)進(jìn)口。和其他領(lǐng)域類(lèi)似，科研人員做量子科技實(shí)驗(yàn)，要依賴(lài)部分進(jìn)口設(shè)備，還需要解決完全自主化問(wèn)題。但是從時(shí)代發(fā)展來(lái)講，基本上達(dá)到了在同一個(gè)平臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)的階段。

他表示：“實(shí)際上，基礎(chǔ)研究的人才培養(yǎng)，需要很長(zhǎng)時(shí)間，發(fā)展基礎(chǔ)研究也是如此?，F(xiàn)在一定要保持定力。中華民族的偉大復(fù)興，也意味著科學(xué)的復(fù)興，我們要對(duì)世界科學(xué)做出貢獻(xiàn)，對(duì)人類(lèi)科學(xué)做出貢獻(xiàn)。通過(guò)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不僅讓我們國(guó)家更強(qiáng)大，也為創(chuàng)造人類(lèi)未來(lái)更美好的生活發(fā)揮作用。打造人類(lèi)命運(yùn)共同體，科學(xué)共同體應(yīng)該是其中的一部分?！?/p>

意大利理論物理學(xué)家卡洛·羅韋利教授的新作《量子物理如何改變世界》去年在國(guó)內(nèi)出版后獲熱銷(xiāo)，該書(shū)譯者王子昂接受采訪時(shí)表示：“量子信息技術(shù)依然處于日新月異的蓬勃發(fā)展期，基層理論的拓展與突破離不開(kāi)資金的支持；而部分已取得相對(duì)豐富實(shí)用經(jīng)驗(yàn)的、產(chǎn)業(yè)化趨于成熟的技術(shù)領(lǐng)域若可率先開(kāi)始商業(yè)化探索、取得階段性成果，或多或少可滿足理論研究部分的資金需求。從國(guó)際視野來(lái)看，促進(jìn)量子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)化、提高其商業(yè)價(jià)值轉(zhuǎn)化效率是多國(guó)量子信息技術(shù)政策的著力點(diǎn)，盡快在應(yīng)用領(lǐng)域完善框架構(gòu)建、積累市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)成為當(dāng)務(wù)之急。但打好商業(yè)價(jià)值轉(zhuǎn)化的前期基礎(chǔ)、鉆研出適合我國(guó)國(guó)情的利好政策、吸引相關(guān)領(lǐng)域人才應(yīng)是著手推行商業(yè)化的先決條件。”