量子科技，中國按下“快進鍵”

劉朝暉

2016年12月10日，在西藏阿里觀測站，“墨子號”量子科學實驗衛星過境，科研人員在做實驗（合成照片）。

“量子就是一切物質分割到最小，其無法再分割的那個單位物質或者能量”。被普通人視為燒腦概念的小小量子，正在從艱深的物理學名詞變為最為熱門的科技概念之一。量子通信、量子計算、量子測量……作為21世紀尖端科技的量子科技，成為全球科技大國集中發力的新一輪科技革命和產業變革前沿陣地。

在這一領域，中國近幾年取得了一系列重要科學問題和關鍵核心技術突破，并在部分方向實現國際領先，令全球科技界為之矚目。與此同時，中國在量子科技從基礎研究向應用領域的轉化，以及相關的戰略布局也在加速。在這場關于未來的激烈競逐中，中國已經按下了“快進鍵”。

“墨子”和“九章”確立領先身位

量子通信是各國優先發展的重點量子科技領域。量子的獨有特性，使其具有不可克隆、測不準等“先天優勢”，用量子做成的“密鑰”來傳遞信息，加密的內容不會被破譯，安全性遠非傳統的通信加密方式可比，因此量子通信被看作信息安全傳輸的“保護盾”，為破解信息加密“瓶頸”提供了解決方案。

2016年的8月，一顆名為“墨子號”的衛星在酒泉成功發射升空，揭開了中國量子科技發展的神秘面紗，因為這是世界首顆量子科學實驗衛星。“墨子號”的升空，使中國在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，構建了天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。

隨后，中國科研人員利用量子衛星在國際上率先成功實現了千公里級的星地雙向量子糾纏分發等成果。2017年，全球首條量子保密通信骨干網“京滬干線”項目通過總技術驗收。

就在去年，中國科學家在量子通信領域同樣取得諸多成果。3月，中國科學技術大學潘建偉團隊等研究人員實現了500公里級真實環境光纖的雙場量子密鑰分發和相位匹配量子密鑰分發，傳輸距離達到509公里，創造了新的世界紀錄。5月，中國科研團隊在國際物理學權威期刊《現代物理評論》上發表論文，系統闡述了量子密碼的原理、理論和實驗技術，為量子密碼的廣泛應用以及標準化制定奠定了基礎。9月，郭光燦院士團隊與奧地利同行合作，首次實現了高保真度的32維量子糾纏態，顯著提高了量子通信的信道容量，創造了當前世界最高水平。

中科院院士潘建偉在辦公室內與“墨子號”量子衛星模型合影。

《自然》雜志對此評價道，在量子通信領域，中國用了不到10年的時間，由一個不起眼的國家發展成為現在的世界勁旅，將領先于歐洲和北美。

去年12月初，中國科學技術大學成功構建的76個光子的量子計算原型機“九章”問世，迎來了中國量子計算領域的“高光時刻”。2019年10月谷歌發布了量子計算機原型機“懸鈴木”，谷歌曾為此激動地表示：“最強大的超級計算機在它面前也不過是一個算盤”。然而，中國的 “九章”，速度比谷歌“懸鈴木”快100億倍，直接把“懸鈴木”也變成了“算盤”。

一問世就是世界第一，九章成功幫助中國實現了量子計算領域的第一個里程碑——量子計算優越性，即量子計算機對特定問題的計算能力超越超級計算機。通過科學家的奮力追趕，在量子計算領域，中國整體上已經與發達國家處于同一水平線。

量子科技邁向產業化

作為量子科技的基礎，科學家對于量子力學的研究已經有逾百年的歷史，量子力學為信息革命提供了硬件基礎。激光、半導體晶體管，芯片的原理都源于量子力學。量子力學也使得磁盤和光盤的信息存儲、發光二極管、衛星定位導航等新技術成為可能。因此，量子科技并不小眾，距離民眾并不遙遠。眼下知名度大增的量子通信和量子計算，以及量子精密測量等，則是量子科技的新的方向和新的領域，被視為量子科技當前最主要的應用方向。這些技術的加速落地，標志著人類正在迎來量子革命的第二次高潮。

量子通信的產業化方向主要在“保密通信”，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉表示，量子保密通信是在傳統通信中使用量子密鑰以提升安全性，它并不是要取代現有的通信方式，而是以一種新的途徑來大幅提高現有信息系統的安全性。量子通信的發展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網絡體系。

當前，對于量子科技領域的戰略布局已成全球共識，對于經過30多年努力，已經在量子科技多個戰略方向上實現領跑或進入第一陣營的中國來說，必須將創新主動權和發展主動權牢牢掌握在自己手中。

墨子號量子衛星的發射和量子通信京滬干線的建設，讓中國的量子通信接近了產業化和實用階段，使中國成為世界量子通信應用的領先者。兩者結合，中國與奧地利實現了世界首次洲際量子保密通信，構建出了天地一體化的廣域量子通信網絡雛形。據悉，我國計劃2030年左右率先建成全球化的廣域量子保密通信網絡，并在此基礎上，構建信息充分安全的“量子互聯網”。

實際上，這種聽上去概念還比較抽象的量子通信，已經從“天地一體化”開始走向我們更為直觀密切的大眾生活。去年11月初，中國電信在2020天翼智能生態博覽會上展出了兩臺分別根據華為和中興的現有手機型號改造而來的“量子手機”樣機，其技術提供方科大國盾量子技術股份有限公司，產品已經被部署在“京滬干線”在內的量子保密通信骨干網等項目。

這種手機的量子密鑰的分發，一方面通過建設量子保密通信網絡進行廣域的分發，同時也可以借助基于國產密碼芯片和國密算法的量子安全SIM卡，完成在手機里的植入，手機借助植入的密鑰進行量子安全通話。用戶可在通話過程中一鍵選擇“加密通話”或“普通通話”模式。中國電信表示，未來該手機會從中國電信的渠道向消費者分發。國盾量子方面透露，除了安全手機，他們還已開發出了量子安全U盾等產品，未來將有更多產品走入大眾生活。

量子計算機運算能力的指數級增長，使之被視為下一代信息革命的關鍵動力，讓社會生活的諸多領域發生深刻改變——提高農作物產量、指導科學的城市交通規劃、促進新藥研發、實現高精度的天氣預報……盡管潘建偉院士認為現在的量子計算原型機更像是一個“玩具”，要實現可以成為“工具”的通用量子計算機可能需要20年甚至更久，但是百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業已經相繼出臺了量子計算研究計劃。

去年9月，由中國科學技術大學郭光燦院士團隊的成果轉化企業合肥本源量子計算科技有限公司研發的6比特超導量子計算云平臺正式上線。這個云平臺基于自主研發的量子計算機“悟源”，保真度、相干時間等技術指標達到國際先進水平，全球用戶可以在線體驗來自中國的量子計算服務。本源量子計算公司表示，他們正在研發下一代量子芯片，預計2021年底推出20比特的量子計算機，未來3年實現50比特到100比特的量子計算機。

有專家表示，云服務將是量子計算可提供的服務新形態，量子計算將極大促進當前人工智能及其應用的發展，將融入人工智能，滲透進智能制造、智能物流與智能零售、智慧金融等各行業。只有超越經典計算的量子計算，才能成為人工智能突破極限的堅強后盾。特別是依賴大規模數據處理的機器學習技術，將大大受益于量子計算，產生無限可能。

應用涵蓋科研、醫療、地質、能源、災害預防等領域的量子精密測量，也取得了產業突破。

科研人員在中國科學技術大學先進技術研究院量子通信“京滬干線”總控中心工作。

國儀量子（合肥）技術有限公司是國內最早成立的量子測量企業，技術源于中科院院士杜江峰領導的科研團隊。“量子測量的精度可以達到原子量級。”該公司副總經理張偉介紹，傳統測量技術最小只能探測到微米量級，而量子技術可以精細千倍、萬倍到納米、亞納米量級，帶來革命性的技術進步。比如將量子測量用于電網，可以精確監測電流、電壓。用于探礦，可以邊鉆井邊測量周邊地質成分。用于醫療，可以精確分析血液微量物質含量。國儀量子開發的脈沖式電子順磁共振波譜儀等產品已上市，與能源和電力行業進行了合作研發。

2021新年伊始，華中科技大學引力中心團隊宣布，其研制出的實用化高精度銣原子絕對重力儀裝備，近日成功交付給中國地震局地震研究所。該團隊歷經15年潛心研究，攻克了物質波干涉、超低頻隔振、裝備小型化等量子重力儀的關鍵技術，于2013年將量子重力儀的分辨率提升至國際最好水平，并保持至今。作為首臺為行業部門研制的量子重力儀，其成功交付，將打破高精度重力儀國外技術壟斷的局面，為我國高端量子裝備的發展提供新途徑，也為行業部門的儀器使用提供具有我國自主知識產權的新選項，更能夠保障核心數據的安全。

中國加速戰略布局

2020年10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習，習近平總書記在主持學習時強調，“要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局，把握大趨勢，下好先手棋。”“加快發展量子科技，對促進高質量發展、保障國家安全具有非常重要的作用。”

國家對量子科技的重視和頂層設計，讓中國的量子科技研究與應用駛上了“快車道”。根據《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》，量子信息被定位為“十四五”科技創新 7 個重要的發展領域之一。公開資料顯示，不少省市的“新基建”政策方案和項目計劃中，都出現了“量子”的身影。

例如，《北京市加快新型基礎設施建設行動方案（2020-2022年）》指出，“圍繞腦科學、量子科學、人工智能等前沿領域，加快推動北京量子信息科學研究院、北京腦科學與類腦研究中心、北京智源人工智能研究院、北京應用數學研究院等新型研發機構建設”;《重慶市新型基礎設施重大項目建設行動方案（2020—2022年）》指出，“提前布局量子通信網，探索量子通信信息安全加密服務應用”;《2020年浙江省政府工作報告》也指出，“超前布局量子信息”。在安徽“十四五”規劃建議中也明確，支持建設量子信息創新成果策源地和產業發展集聚區，在技術源頭、技術溢出和產業孵化、產業擴增等環節加快形成量子信息產業創新鏈，打造具有全球影響力的“量子中心”。

正在建設中的中科院量子信息與量子科技創新研究院。

北京量子院院長、清華大學副校長薛其坤院士介紹，2017年底，北京市就聯合中國科學院、清華大學、北京大學等國內頂尖高校和科研機構，成立了北京量子院。成立三年來，已在全球招聘全職科研人員150余人，組建了10余個科研團隊，初步完成了微納加工和綜合測試兩個平臺的建設，在若干領域已處于國際引領位置。

而在致力于打造成為全球科創中心的上海，早在2016年就已經將 “量子通信”列入上海科創中心建設“22條”意見確定的重大戰略項目，“十三五”科技創新規劃也已經將“量子材料與量子通信”作為重要戰略方向作了部署。2019年6月，以中國科學技術大學上海研究院為基礎，聯合在滬相關量子科研力量，上海市與中科院共同成立了上海量子科學研究中心，加快在相關領域內的前瞻性布局。從2003年以來，上海在量子科技領域已累計投入數億元。

與此同時，資本的目光也瞄向了量子科技產業的風口，一大批中國企業正為擁抱產業化浪潮加速“奔跑”。天眼查專業版數據顯示，2016年以來，我國量子領域相關企業注冊總量迅猛增長，85%的相關企業新增于5年之內。目前，量子領域相關企業注冊總量是5年前的6倍。在剛剛過去的2020年，我國已新增近700家量子領域相關企業。以工商登記為準，我國目前有超過4200家量子領域相關企業，52%的相關企業注冊資本在500萬元以上。

潘建偉指出，量子科技是事關國家安全和社會經濟高質量發展的戰略性領域。當前，對于量子科技領域的戰略布局已成全球共識，對于經過30多年努力，已經在量子科技多個戰略方向上實現領跑或進入第一陣營的中國來說，必須將創新主動權和發展主動權牢牢掌握在自己手中。