擁抱量子科技革命

楊先碧

馬克思*普朗克（1958至1947），出生于德國荷爾施泰因，是德國著名的物理學(xué)家和量子力學(xué)的重要創(chuàng)始人，與愛因斯坦并稱20世紀(jì)最重要的兩大物理學(xué)家。

1900年，德國科學(xué)家普朗克提出量子的概念。自那以后的120年里，量子科技快速發(fā)展。改變世界的新成果不斷涌現(xiàn)。現(xiàn)在，我們正在擁抱第三次量子科技革命。它將推動人類文明再上新臺階。

身邊的量子科技

1900年之前，物理學(xué)家認(rèn)為物理量的變化是連續(xù)的。1900年，德國科學(xué)家普朗克認(rèn)為物理量的變化是一份份的，按照整數(shù)進(jìn)行變化，由此提出了“量子”的概念，深刻地改變了人們的傳統(tǒng)觀念。

量子力學(xué)幫助我們理解宇宙萬物，從光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子構(gòu)成的凝聚態(tài)物質(zhì)，量子力學(xué)都起了重要的作用。自20世紀(jì)30年代以來，量子力學(xué)與核科學(xué)、信息學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科交叉融合發(fā)展，催生了第一次量子科技革命。

自從量子科技問世以來，已經(jīng)先后孕育出電子顯微鏡、原子鐘、激光器、半導(dǎo)體、芯片等新產(chǎn)品，為以信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)打下了堅實的基礎(chǔ)。早在20世紀(jì)90年代，諾貝爾獎得主萊德曼就指出，量子科技貢獻(xiàn)了當(dāng)時美國國內(nèi)生產(chǎn)總值的三分之一。因此，量子科技并非遙不可及，而是已經(jīng)深入我們的日常生活。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，量子科技革命的第二次浪潮正在興起，將催生量子計算、量子通信和量子精密測量等一批新興技術(shù)，會極大地改變和提升人類獲取、傳輸、處理信息的方式與能力。

量子通信

未來將是智能化的社會，智能汽車、智能機(jī)器人、智能家居將進(jìn)入尋常百姓家。但在整個社會智能化之前，需要先解決信息安全的問題，這個問題的破解方法就是發(fā)展量子通信。

量子通信是使用量子態(tài)攜帶所要傳送的信息，并把量子糾纏作為信道，將該量子態(tài)從A地傳送到B地的一種通信方式。量子通信利用單個光量子不可分割和量子不可克隆的特性，確保量子信道內(nèi)傳遞的信息不會被竊取，是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明的絕對安全的通信方式。

量子通信主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩種模式。量子隱形傳態(tài)在國內(nèi)外均處于實驗室基礎(chǔ)研究階段。在量子隱形傳態(tài)中，相距遙遠(yuǎn)的兩地通信雙方首先分享一對糾纏粒子，其中一方將待傳輸量子態(tài)的粒子和自己手里的糾纏粒子進(jìn)行分辨，然后將分辨的結(jié)果告知對方，對方則根據(jù)得到的信息進(jìn)行相應(yīng)的操作。

由于現(xiàn)有的密碼被破譯而損失慘重的事情每年都有發(fā)生，所以科學(xué)家正在著手建立一種無法破譯的加密技術(shù)，它就是基于量子力學(xué)的量子密鑰分發(fā)技術(shù)，也稱量子密碼。量子密鑰分發(fā)是現(xiàn)階段量子通信最主要的應(yīng)用方式，目前已經(jīng)進(jìn)入實用階段。

在量子通信領(lǐng)域，我國處于國際領(lǐng)先地位。2016年，我國發(fā)射世界上首顆量子衛(wèi)星“墨子號”。我國之所以要發(fā)射量子衛(wèi)星，是因為如今人們已開發(fā)成功的量子通信技術(shù)，其極限距離僅300千米，需要借助數(shù)量龐大的中繼站才能構(gòu)建一個長距離的量子通信網(wǎng)絡(luò);而通過天上的量子衛(wèi)星，能輕而易舉地構(gòu)建遠(yuǎn)距離乃至全球范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

2017年，我國建成全球首條商用量子保密通信線路——“京滬干線”，長達(dá)2000多千米。從最早的安徽蕪湖及合肥城域網(wǎng)，到世界首條量子保密通信干線“京滬干線”，在過去的10年里，若以鐵路、公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施類比，國內(nèi)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了從“地鐵網(wǎng)絡(luò)”到“高鐵網(wǎng)絡(luò)”的發(fā)展。

未來量子科技的另一個重要應(yīng)用是制造量子計算機(jī)。1981年，諾貝爾獎獲得者、物理學(xué)家費曼首次提出量子計算機(jī)的概念。無論在基礎(chǔ)理論還是在具體算法上，量子計算都是具有超越性的。因此，對量子計算的相關(guān)研究及量子計算機(jī)的具體研制，己成為世界科學(xué)領(lǐng)域最閃亮的“明珠”之一。

2007年，加拿大一家公司宣布研制成功擁有16量子比特的量子計算機(jī);之后，

微軟谷歌、IBM、英特爾等巨頭紛紛宣布進(jìn)軍量子計算機(jī)科研和應(yīng)用領(lǐng)域，量子計算領(lǐng)域，我國整體上與發(fā)達(dá)國家處于同一水平。

2013年四月，中國科學(xué)院是薛其坤領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊，耗時四年，試驗了上千個樣品，終于找到一種叫做“磁性拓?fù)浣^緣體薄膜”的特殊材質(zhì)，在世界上首次從實驗中觀測到“量子反常霍爾效應(yīng)”，這個效應(yīng)可以用來開發(fā)新材料，可讓未來的量子計算機(jī)體積越來越小，即使千億次的超級計算機(jī)，也有望作現(xiàn)在的平板電腦那么大。

2018年，郭光燦院士等人推出當(dāng)時國際最強的64位量子虛擬機(jī)，打破了當(dāng)時采用經(jīng)典計算機(jī)模擬量子計算機(jī)的世界紀(jì)錄，2020年9月，郭光燦院士等人研發(fā)出超導(dǎo)量子計算機(jī)“悟源”，這是一臺脫離實驗室環(huán)境后，也能夠穩(wěn)定運行的超導(dǎo)量子計算系統(tǒng)，也是國內(nèi)率先實現(xiàn)工程化的量子計算機(jī)。

2020年12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉，陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機(jī)“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。根據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機(jī)快100萬億倍（“九章”1分鐘完成的任務(wù)，超級計算機(jī)需要1億年）。等效地，其速度比2019年谷歌發(fā)布的53個超導(dǎo)比特量子計算原型機(jī)“懸鈴木”快100億倍。這一成果使得我國成功達(dá)到了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優(yōu)越性（國外也稱之為“量子霸權(quán)”）。

據(jù)悉，潘建偉團(tuán)隊這次突破歷經(jīng)20年，主要攻克高品質(zhì)光子源、高精度鎖相、規(guī)模化干涉三大技術(shù)難題。

中科院量子信息重點實驗室副主任、本源量子計算公司創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家郭國平之前曾表示，量子計算是信息學(xué)里的一種應(yīng)用，比如信息分為采集、傳輸、處理，量子計算就是利用量子力學(xué)的原理或者量子態(tài)的特性，使信息處理能力得到提升的一種計算方法。利用量子態(tài)的特性進(jìn)行信息的編碼、信息的處理、信息的讀取，這就是量子計算。

為何量子計算很重要？因為算力就是戰(zhàn)斗力。比如核爆，現(xiàn)在已經(jīng)不直接進(jìn)行核彈爆炸試驗了，而是用超級計算機(jī)進(jìn)行仿真模擬。再比如，天氣預(yù)報中的臺風(fēng)，沒有超級計算機(jī)，臺風(fēng)路徑的準(zhǔn)確性和時效性就沒法保證。毫不夸張地說，算力強大就能夠制造強風(fēng)，量子計算的強大在于能夠提供強大算力。

未來的量子計算機(jī)功能非常強大，不僅可以攻克密碼分析、氣象預(yù)報、金融分析、石油勘探等傳統(tǒng)研究領(lǐng)域內(nèi)的難題，還可以解決藥物設(shè)計、新能源開發(fā)、新材料研制、高溫超導(dǎo)、人工固氮等高新科技領(lǐng)域內(nèi)的難點。

量子精密測量

所謂量子精密測量，是利用量子技術(shù)進(jìn)行高精度測量。傳統(tǒng)測量技術(shù)最小只能探測到微米量級，而量子精密測量可以精細(xì)千倍、萬倍，將測量精度推至納米甚至皮米量級，測量技術(shù)將迎來革命性進(jìn)步。

量子精密測量對精準(zhǔn)導(dǎo)航、量子計量、量子成像、引力波探測等領(lǐng)域具有重要意義，它的應(yīng)用涵蓋軍事、科研、醫(yī)療、地質(zhì)、能源、災(zāi)害預(yù)防等。比如，英國國防科學(xué)與技術(shù)實驗室正在研究量子定位系統(tǒng)，即QPS。目前人們常用的是全球定位系統(tǒng)——GPS，它會在水下失靈，所以潛艇下沉后會失去GPS信號，此時要用加速計來導(dǎo)航，但目前的加速計并不精確，而用QPS可以克服這個難題。

在量子精密測量領(lǐng)域，我國整體上相比發(fā)達(dá)國家還存在一定的差距，但近年來發(fā)展迅速。最近，中國科學(xué)家潘建偉團(tuán)隊和美國、德國的科學(xué)家合作，在單光子源器件上觀察到強度壓縮。這是科學(xué)家首次直接觀測到單光子源的強度壓縮，為量子精密測量奠定了堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。

總的來說，近年來不斷突破的量子科技正在開啟新的機(jī)遇之門。加快量子科技的發(fā)展，對促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、保障國家安全具有非常重要的作用。

（編輯文 墨）