量子科技的發展前瞻

2021年4月14日是第一個“世界量子日”。世界量子日源于全球超過65個國家的量子科學家的共同倡議，旨在促進公眾了解并討論量子科學技術，認識它將如何引領未來的科技革命及如何影響人類社會。

量子力學和相對論是現代物理學的兩大基石。從20世紀初普朗克提出“量子論”到20世紀20年代薛定諤波動方程等量子力學基本理論的形成，人類社會經歷了“第一次量子革命”，半導體晶體管、激光、核磁共振、高溫超導材料等現代技術問世，推動材料、醫學、化工等領域實現跨越式發展。20世紀末，科學家在對量子糾纏展開大量實驗研究的過程中，實現了對微觀體系量子態的精確檢測與調控，開啟了“第二次量子革命”，結合計算機科學原理，實現信息獲取、處理和傳輸的量子信息技術，將量子理論的研究與應用提升到新的高度。

量子計算是量子信息科學的一部分，是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式。這一概念最早由美國物理學家費曼于1981年提出，他構建了一個利用量子體系進行計算的抽象模型，推動了量子理論與計算機科學的結合。1985年，英國物理學家多伊奇設計了量子計算機的雛形，提出了“量子圖靈機”，完成了與經典圖靈機模型的對應，標志著量子計算機的研究步入軌道。從理論上來說，量子計算機是利用量子力學的基本原理計算、存儲和處理量子信息，從而實現量子計算的機器。1994年，美國物理學家肖爾提出了首個量子算法，證明量子計算機可以高效地解決大數分解問題，并可能破解廣泛使用的RSA公共密鑰體系，引發了全世界的廣泛關注。

量子計算的獨特優勢主要體現在三個方面：一是量子存儲器擁有巨大的存儲能力，二是量子計算具備真正的并行性和整體性，三是某些量子算法具有加速能力。量子計算構建的新一代計算體系極具應用價值。一方面，其在處理海量數據并行運算方面的優勢，可以廣泛應用于人工智能、金融建模、密碼解析等領域;另一方面，其在模擬原子分子演進方面的優越性，可優化目前生物醫藥、材料化工、能源開發的計算模擬方式。

近年來，量子計算在理論和實踐領域的發展都十分迅速。在理論層面，科學家已經能夠演示量子計算機的工作原理、量子邏輯門操作、量子算法和量子編碼等，證實了量子計算機的實現在理論上不存在不可逾越的障礙。在實踐領域，量子計算機的研發也取得了突破性成就。量子計算機的發展可以分為三個階段：實現量子優越性、實用化的量子模擬機和可編程的通用量子計算機。首先是實現量子優越性，量子優越性是指量子計算機對于某一問題擁有超越現有經典計算機的計算能力。2019年10月24日，谷歌研發出一款可對53個量子比特進行運算控制的超導量子芯片“Sycamore”，其能夠在200秒內對一個53比特的超導電路系統采樣100萬次，而當時最強的經典超級計算機“Summit”需要花費1萬年時間才能得到類似的結果。據此，谷歌宣稱其率先實現了“量子優越性”。2020年12月4日，中國科學技術大學潘建偉等學者成功構建了76個光子的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”，其求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣僅需200秒，而截至2020年世界最快的超級計算機“富岳”需6億年?！熬耪隆钡刃У乇裙雀?019年發布的“Sycamore”快一百億倍，讓我國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。下一階段的目標是制造專用的量子模擬機，用于解決若干超級計算機無法勝任的、具有重大實用價值的問題，到達這一階段至少需要操縱幾百個量子比特。最后一個階段是可編程的通用量子計算機，一旦研制出通用的量子計算機，將在許多領域產生顛覆性影響。

量子科技發展具有重大的科學意義和極高的戰略價值，將引領新一輪科技革命和產業變革方向。當前，世界各國高度關注量子科技發展，紛紛加大政策和資金支持，搶占量子科技國際競爭制高點。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。我國的量子科技研究雖然起步較晚，但后來居上，目前已在量子通信及密碼技術方面占據世界領先地位。近年來，我國不斷加大對量子科技研究的政策和基金支持，促進量子科技的技術研發和產業化落地。量子科技研究領域取得了哪些成就，還存在哪些技術困難？量子科技有哪些具體的應用場景？如何推動量子科技快速發展？本期特別策劃聚焦量子科技的現狀與發展前景，邀請相關領域的權威專家學者從不同學科視角深入探討。敬請讀者垂注！

——《學術前沿》編者