拥抱量子科技革命

杨先碧

马克思*普朗克（1958至1947），出生于德国荷尔施泰因，是德国著名的物理学家和量子力学的重要创始人，与爱因斯坦并称20世纪最重要的两大物理学家。

1900年，德国科学家普朗克提出量子的概念。自那以后的120年里，量子科技快速发展。改变世界的新成果不断涌现。现在，我们正在拥抱第三次量子科技革命。它将推动人类文明再上新台阶。

身边的量子科技

1900年之前，物理学家认为物理量的变化是连续的。1900年，德国科学家普朗克认为物理量的变化是一份份的，按照整数进行变化，由此提出了“量子”的概念，深刻地改变了人们的传统观念。

量子力学帮助我们理解宇宙万物，从光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子构成的凝聚态物质，量子力学都起了重要的作用。自20世纪30年代以来，量子力学与核科学、信息学、材料学等学科交叉融合发展，催生了第一次量子科技革命。

自从量子科技问世以来，已经先后孕育出电子显微镜、原子钟、激光器、半导体、芯片等新产品，为以信息技术为代表的高新技术打下了坚实的基础。早在20世纪90年代，诺贝尔奖得主莱德曼就指出，量子科技贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。因此，量子科技并非遥不可及，而是已经深入我们的日常生活。

进入21世纪以来，量子科技革命的第二次浪潮正在兴起，将催生量子计算、量子通信和量子精密测量等一批新兴技术，会极大地改变和提升人类获取、传输、处理信息的方式与能力。

量子通信

未来将是智能化的社会，智能汽车、智能机器人、智能家居将进入寻常百姓家。但在整个社会智能化之前，需要先解决信息安全的问题，这个问题的破解方法就是发展量子通信。

量子通信是使用量子态携带所要传送的信息，并把量子纠缠作为信道，将该量子态从A地传送到B地的一种通信方式。量子通信利用单个光量子不可分割和量子不可克隆的特性，确保量子信道内传递的信息不会被窃取，是迄今为止唯一被严格证明的绝对安全的通信方式。

量子通信主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两种模式。量子隐形传态在国内外均处于实验室基础研究阶段。在量子隐形传态中，相距遥远的两地通信双方首先分享一对纠缠粒子，其中一方将待传输量子态的粒子和自己手里的纠缠粒子进行分辨，然后将分辨的结果告知对方，对方则根据得到的信息进行相应的操作。

由于现有的密码被破译而损失惨重的事情每年都有发生，所以科学家正在着手建立一种无法破译的加密技术，它就是基于量子力学的量子密钥分发技术，也称量子密码。量子密钥分发是现阶段量子通信最主要的应用方式，目前已经进入实用阶段。

在量子通信领域，我国处于国际领先地位。2016年，我国发射世界上首颗量子卫星“墨子号”。我国之所以要发射量子卫星，是因为如今人们已开发成功的量子通信技术，其极限距离仅300千米，需要借助数量庞大的中继站才能构建一个长距离的量子通信网络;而通过天上的量子卫星，能轻而易举地构建远距离乃至全球范围的量子通信网络。

2017年，我国建成全球首条商用量子保密通信线路——“京沪干线”，长达2000多千米。从最早的安徽芜湖及合肥城域网，到世界首条量子保密通信干线“京沪干线”，在过去的10年里，若以铁路、公路等交通基础设施类比，国内量子保密通信网络经历了从“地铁网络”到“高铁网络”的发展。

未来量子科技的另一个重要应用是制造量子计算机。1981年，诺贝尔奖获得者、物理学家费曼首次提出量子计算机的概念。无论在基础理论还是在具体算法上，量子计算都是具有超越性的。因此，对量子计算的相关研究及量子计算机的具体研制，己成为世界科学领域最闪亮的“明珠”之一。

2007年，加拿大一家公司宣布研制成功拥有16量子比特的量子计算机;之后，

微軟谷歌、IBM、英特尔等巨头纷纷宣布进军量子计算机科研和应用领域，量子计算领域，我国整体上与发达国家处于同一水平。

2013年四月，中国科学院是薛其坤领衔的科研团队，耗时四年，试验了上千个样品，终于找到一种叫做“磁性拓扑绝缘体薄膜”的特殊材质，在世界上首次从实验中观测到“量子反常霍尔效应”，这个效应可以用来开发新材料，可让未来的量子计算机体积越来越小，即使千亿次的超级计算机，也有望作现在的平板电脑那么大。

2018年，郭光灿院士等人推出当时国际最强的64位量子虚拟机，打破了当时采用经典计算机模拟量子计算机的世界纪录，2020年9月，郭光灿院士等人研发出超导量子计算机“悟源”，这是一台脱离实验室环境后，也能够稳定运行的超导量子计算系统，也是国内率先实现工程化的量子计算机。

2020年12月4日，中国科学技术大学潘建伟，陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。根据现有理论，该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快100万亿倍（“九章”1分钟完成的任务，超级计算机需要1亿年）。等效地，其速度比2019年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快100亿倍。这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性（国外也称之为“量子霸权”）。

据悉，潘建伟团队这次突破历经20年，主要攻克高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉三大技术难题。

中科院量子信息重点实验室副主任、本源量子计算公司创始人兼首席科学家郭国平之前曾表示，量子计算是信息学里的一种应用，比如信息分为采集、传输、处理，量子计算就是利用量子力学的原理或者量子态的特性，使信息处理能力得到提升的一种计算方法。利用量子态的特性进行信息的编码、信息的处理、信息的读取，这就是量子计算。

为何量子计算很重要？因为算力就是战斗力。比如核爆，现在已经不直接进行核弹爆炸试验了，而是用超级计算机进行仿真模拟。再比如，天气预报中的台风，没有超级计算机，台风路径的准确性和时效性就没法保证。毫不夸张地说，算力强大就能够制造强风，量子计算的强大在于能够提供强大算力。

未来的量子计算机功能非常强大，不仅可以攻克密码分析、气象预报、金融分析、石油勘探等传统研究领域内的难题，还可以解决药物设计、新能源开发、新材料研制、高温超导、人工固氮等高新科技领域内的难点。

量子精密测量

所谓量子精密测量，是利用量子技术进行高精度测量。传统测量技术最小只能探测到微米量级，而量子精密测量可以精细千倍、万倍，将测量精度推至纳米甚至皮米量级，测量技术将迎来革命性进步。

量子精密测量对精准导航、量子计量、量子成像、引力波探测等领域具有重要意义，它的应用涵盖军事、科研、医疗、地质、能源、灾害预防等。比如，英国国防科学与技术实验室正在研究量子定位系统，即QPS。目前人们常用的是全球定位系统——GPS，它会在水下失灵，所以潜艇下沉后会失去GPS信号，此时要用加速计来导航，但目前的加速计并不精确，而用QPS可以克服这个难题。

在量子精密测量领域，我国整体上相比发达国家还存在一定的差距，但近年来发展迅速。最近，中国科学家潘建伟团队和美国、德国的科学家合作，在单光子源器件上观察到强度压缩。这是科学家首次直接观测到单光子源的强度压缩，为量子精密测量奠定了坚实的科学基础。

总的来说，近年来不断突破的量子科技正在开启新的机遇之门。加快量子科技的发展，对促进社会经济高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。

（编辑文 墨）