走進神秘的量子科技

125年前，當馬克斯·普朗克提出“量子”概念時，恐怕再大膽的人也難以想象這將給世界帶來多大的改變一—就連核能、激光、計算機等都與其相關。

當東方穿墻術遇上量子隧穿

“嶗山道士穿墻術”在我國民間流傳甚廣，最早見于蒲松齡寫的《嶗山道士》：“每見師行處，墻壁所不能隔”。這實際上就是量子力學中的“量子隧穿”。

在電影《復仇者聯(lián)盟》中，奇異博士預見到了與滅霸決戰(zhàn)的1400萬種結(jié)局。其中唯有的一次勝利，就是英雄們借助蟻人的量子設備“穿越時空”，改變了過去，扭轉(zhuǎn)了戰(zhàn)局。

可以說，這些都不過是量子力學在人類認知中的一種具象化體現(xiàn)。而在物理世界，從半導體到核聚變，從光合作用到DNA修復，量子力學已開始重塑當代前沿科技和世界運行的底層邏輯。

時光回溯到2000多年前的東方，以墨子為代表的墨家在《墨經(jīng)》中系統(tǒng)闡釋了“小孔成像”理論及光是沿直線傳播的。專家指出：“這是世界光學領域提出最早、最重要的科學原理之一，奠定了光通信、量子通信等理論的基礎?！?/p>

再來看19世紀的西方。當時無論是太陽系的星河，還是人類腳下的塵埃，都被牛頓的萬有引力所“馴服”。特別是海王星的發(fā)現(xiàn)，更讓牛頓力學堅不可摧。人類據(jù)此自信地認為掌控了力、熱、光、電、磁等所有自然的規(guī)律。自此，經(jīng)典物理帝國開始進人全盛時代。

然而，經(jīng)典物理學理論始終無法解釋黑體輻射問題。根據(jù)經(jīng)典物理學理論，黑體（一個理想化的物體，能夠吸收所有人射的輻射）在高溫下應當發(fā)出無限的能量。而這與實驗結(jié)果相悖。這個被稱為“紫外災難”的矛盾，困擾了幾代科學家。

既然經(jīng)典物理學無法解釋黑體輻射，那就必須引入一種新的科學理論?！澳芰坎⒉皇沁B續(xù)的，而是以離散的‘量子’形式存在?！?900年，德國物理學家馬克斯·普朗克提出了一個大膽的假設，并于當年的12月14日在德國物理學會上作了一個理論報告。這一天被人們稱為“量子的誕生日”。

馬克斯·普朗克認為黑體輻射是一個最小的能量整數(shù)倍跳躍式的變化，并將這個最小單位的能量命名為“能量子”。他還提出，如果用E代表“能量子”，就可列出十分簡潔的公式： E=hv 。其中，v是頻率，h是作用量子。這也是后來被物理學界公認的普朗克常數(shù)（其值為 6.625×10^-34 焦耳·秒）。

馬克斯·普朗克用“量子化”假設驅(qū)散了第一朵烏云，但真正推動第一次量子革命的是物理學界更年輕的一代人。

“能量并不是連續(xù)的，而是以離散的‘量子’形式存在?！?900年德國物理學家馬克斯·普朗克提出的這個大膽假設如同火種照亮了人類認知的新紀元。

1905年，25歲的“明日之星”阿爾伯特·愛因斯坦提出“光量子”，用粒子性解釋了光電效應；1913年，“物理學巨匠”尼爾斯·玻爾將量子概念引入原子模型，描繪出電子在軌道間躍遷的圖景。

之后，隨著多電子原子讓玻爾模型失效，量子力學開始迎來大發(fā)展。1925年，“物理天才”維爾納·海森堡拋棄電子軌道概念，用矩陣數(shù)學描述量子世界；“未來網(wǎng)紅”埃爾溫·薛定諤則用波動方程展現(xiàn)了電子的概率云形態(tài)。兩種看似矛盾的體系最終殊途同歸，量子力學的理論大廈也正式成形。

此后，疊加態(tài)、糾纏態(tài)和隧穿效應等這些曾被視作“反常識”的量子特性，逐漸從數(shù)學公式中掙脫出來，化作巔覆人類認知的“超能力”。

整個科學界也逐漸意識到，這些微觀世界的詭異法則并非只是實驗室中的奇觀，而是打開未來科技大門的密鑰。進人21世紀，一場被稱為“第二次量子革命”的浪潮席卷全球，量子通信、量子計算與量子精密測量開始不斷取得新突破，逐步將量子力學的幽靈特性轉(zhuǎn)化為重塑現(xiàn)實世界的科技利刃。

左圖：量子計算以量子比特（Qubit）為基本單元，通過疊加態(tài)、糾纏態(tài)和量子干涉，形成指數(shù)級超越經(jīng)典計算機的算力

右圖：量子計算、量子通信和量子精密測量現(xiàn)已成為量子科技的重要研究領域

超級發(fā)電機-量子計算

核心涵義

在量子的世界，量子計算、量子通信和量子精密測量如同撐起這座科技大廈的三根擎天巨柱，缺一不可。

作為大廈的“超級發(fā)電機”，量子計算以量子態(tài)的疊加糾纏為燃料，釋放出巨大的、源源不斷的計算能量，為大廈智慧化運行提供澎湃動力；作為大廈的“信息衛(wèi)士”，量子通信憑借量子態(tài)的特性編織起密不透風的安全網(wǎng)絡，守護數(shù)據(jù)在傳輸中不被窺探、竊??；作為大廈的“火眼金睛”，量子精密測量憑借量子態(tài)對環(huán)境變化的超敏感反應，精準捕捉細微的物理量變化，洞察其中的奧秘。

想要深人領略量子科技這座宏偉建筑的精妙構造與無限潛力，我們有必要細致探索這三根“支柱”，解碼它們蘊藏的神秘力量。

量子計算以量子比特（Qubit）為基本單元，通過疊加態(tài)（同時處于0和1）、糾纏態(tài)（多量子比特關聯(lián)）和量子干涉（并行計算路徑的篩選），形成指數(shù)級超越經(jīng)典計算機的算力。這如同一只能同時在所有琴鍵上彈奏的“量子之手”，瞬間探索所有可能性。

應用場景1：藥物研發(fā)

傳統(tǒng)藥物研發(fā)從靶點發(fā)現(xiàn)、藥物分子設計、篩選到臨床試驗，平均需要10＼～15年的時間，耗費數(shù)十億美元的資金。量子計算機能夠通過精確模擬藥物分子與靶點的相互作用，快速篩選出具有潛在活性的藥物分子，在較短時間內(nèi)評估、鑒別有潛力的藥物候選物，使得新藥從發(fā)現(xiàn)到上市的時間大幅縮短至5＼～8年。

應用場景2：低空經(jīng)濟

隨著低空飛行器數(shù)量的不斷增加，城市低空交通管理面臨著巨大的挑戰(zhàn)。量子計算機可實時監(jiān)測城市低空的飛行器數(shù)量、位置、速度和飛行方向等信息，通過量子算法對這些數(shù)據(jù)進行快速分析和處理，實現(xiàn)對低空交通的智能監(jiān)管和疏導。同時，量子計算機還可以與地面交通管理系統(tǒng)進行聯(lián)動，根據(jù)地面交通狀況，合理規(guī)劃低空飛行器的飛行路線，緩解城市交通擁堵。

應用場景3：前沿新材料

材料的微觀結(jié)構與性能之間的關系極其復雜，涉及到多體相互作用、量子力學效應等，傳統(tǒng)計算機在處理這些運算時，計算能力有限，計算時間長且精度低。量子計算機在分子結(jié)構模擬方面具有獨特的優(yōu)勢，能夠深人揭示分子的電子結(jié)構和化學反應的微觀機制，為前沿新材料的設計提供關鍵的理論依據(jù)，提高設計的準確性和效率；在材料性能優(yōu)化領域，可以準確預測材料的各種物理和化學性質(zhì)，快速篩選出具有潛在優(yōu)勢的材料結(jié)構和成分組合，加速材料性能優(yōu)化的進程。

在2000多年前的《墨經(jīng)》中，以墨子為代表的墨家就系統(tǒng)闡釋了“小孔成像”理論及光是沿直線傳播的。專家指出：“這是世界光學領域提出最早、最重要的科學原理之一，奠定了光通信、量子通信等理論的基礎。

左圖：“嶗山道士穿墻術”用量子力學來解釋，其實就是量子隧穿右圖：2016年，我國成功發(fā)射了世界上第一顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”。自此，我國在量子通信領域走在了世界前列

應用場景4：人工智能

人工智能大語言模型預訓練需要處理海量的數(shù)據(jù)集和進行復雜的數(shù)學運算，傳統(tǒng)計算機在更新神經(jīng)網(wǎng)絡的權重和偏置時，需按順序依次計算每個樣本對參數(shù)的梯度，計算量隨樣本數(shù)量的增加而指數(shù)級增長，訓練過程耗時較長。量子計算機能夠極大地加速模型預訓練速度。同時，量子計算機能幫助人工智能探索新算法，如量子強化學習算法，從而更高效地探索和利用環(huán)境信息，找到更優(yōu)的行為策略。

信息衛(wèi)士-量子通信

核心涵義

量子通信的本質(zhì)是將量子態(tài)作為信息載體，利用量子不可克隆定理（未知量子態(tài)無法被完美復制）和量子糾纏（粒子間的超距關聯(lián)）等特性，構建理論上“無條件安全”的通信體系。它不依賴數(shù)學復雜度，而是通過物理法則本身防止竊聽，好似在信息世界打造了一道“物理防火墻”。

應用場景1：金融領域

以銀行、證券和保險為主體的金融業(yè)事關國家利益和社會公眾財富。近年來，金融業(yè)對安全加密的需求越來越強。通過量子通信通道傳輸信息，能夠確保關鍵數(shù)據(jù)在傳輸過程中的絕對安全，防止黑客竊取信息進行非法操作。

左圖：量子通信憑借量子態(tài)的特性編織起密不透風的安全網(wǎng)絡，守護數(shù)據(jù)在傳輸中不被窺探、竊取

右圖：如今，量子科技已成為重塑全球科技競爭格局的關鍵變量

應用場景2：政務領域

我國政務辦公網(wǎng)絡由外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)兩套物理隔離的網(wǎng)絡組成，擁有大量重要信息和敏感數(shù)據(jù)，信息安全需求強烈。依托量子密鑰分發(fā)技術在城域網(wǎng)、局域網(wǎng)形成的整套解決方案，通過量子密鑰分發(fā)、量子密鑰路由、量子密鑰中繼、加解密等核心手段，可以為政務相關業(yè)務提供實時量子密鑰加密保障，滿足公共安全、稅務、司法、民政等政務網(wǎng)各站點之間信息加密傳輸。

應用場景3：軍事領域

目前，我國軍事信息化建設尚處于初級階段，網(wǎng)絡安全、軍事航天、遠海防衛(wèi)、反導系統(tǒng)、天地一體化通信網(wǎng)絡等領域建設緊鑼密鼓。日趨成熟的量子密鑰分發(fā)通信技術將廣泛應用于軍事專網(wǎng)加密。

火眼金睛-量子精密測量

核心涵義

量子精密測量利用量子態(tài)對環(huán)境極端敏感的特性（如疊加態(tài)易受擾動、糾纏態(tài)可壓縮噪聲），將海森堡測不準原理從限制轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢，實現(xiàn)超越經(jīng)典物理極限的探測精度。如同用蝴蝶振翅的力度，測量出颶風的軌跡。

量子精密測量可應用于時間測量、磁場測量、重力測量、慣性測量等。其中，在磁場測量方面的應用前景最為廣闊，特別是在生物磁場成像領域已近乎不可或缺。

應用場景1：醫(yī)療健康

心臟磁圖（mcg）、腦磁圖（meg）是量子磁測量技術在生物磁場成像領域的主要應用場景。量子磁力計可檢測到極其微弱的心臟磁場、腦磁場，無需做CT也能診斷疾病，如心肌缺血、腦部疾病等。同時，可將量子傳感器做得非常小，在腦部疾病手術過程中區(qū)分神經(jīng)元區(qū)域和病灶區(qū)域，輔助醫(yī)療手術。

應用場景2：航空航天

在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，量子精密測量技術

在愛因斯的認知中，沒有任何相互作用關系可以比光速更快地傳播。已被科學證實、真實存在的量子糾纏憑借超遠距離瞬間影響的特性則顛覆了這一認知。

可以提高衛(wèi)星的定位精度和穩(wěn)定性，增強導航能力。量子陀螺儀、原子加速度計等量子慣性傳感器可以提供對角速度和加速度更高靈敏度和長期穩(wěn)定性的絕對測量，替代傳統(tǒng)慣性傳感器，長時間內(nèi)保證慣性導航系統(tǒng)的定位精度，無需頻繁重新校準。

應用場景3：國防安全

量子雷達具有較高的探測靈敏度，比傳統(tǒng)雷達具有更高的探測距離和識別精度，較低的發(fā)射功率，能夠有效防范反雷達手段，可用于對水下目標的發(fā)現(xiàn)、定位和追蹤。此外，基于量子精密測量的磁探測技術，具有探測靈敏度高、支持多軸向矢量磁測量的優(yōu)勢，可用于目標的發(fā)現(xiàn)和磁異常的探測。