量子科技帶來的顛覆性影響

劉凱予 劉云華 駱誠志 孟 波

近些年，“量子”“量子力學”這些名詞的熱度不斷飆升，與之相關的量子科技也得到了世界各國的廣泛關注，國外各界尤其是高新技術產業界正在不斷加大量子科技方面的研究力度。一時間，量子科技這一前沿技術如洪水一般快速發展，并且成為推動數字時代產業革新、計算結構升級以及經濟快速高質量發展的重要引擎，量子科技領域研發熱潮不斷攀升。

追本溯源——量子科技由何而來

不同于第一代量子科技，如今的量子科技是一門綜合性很強的交叉學科，其從量子物理基本原理——量子力學出發，利用量子相干特性，以探索用于計算、編碼和信息傳輸的全新方式。

為了理解量子科技，我們必須要先搞清楚量子科技的基礎—量子力學。量子力學是研究物質世界微觀粒子運動規律的基礎物理學，主要研究原子核和基本粒子的結構等。自其建立以來，量子力學便成為整個微觀物理學的理論框架，幫助人們更好地認識宇宙的本源、物質的本質以及事物的發展規律。量子科技便是以量子力學為理論基礎的新興前沿技術，科學家們利用量子本身的特性，操控量子的存在狀態，研發出如量子計算、量子通信、量子貨幣等一系列技術應用，極大地改變了人們的日常生活，量子科技成為新時代福音。

作為量子力學的理論基礎，著名的海森堡不確定性原理表明：對微觀粒子無法同時精確地測量其位置和速度。而海森堡提出的微觀世界量子物理學和傳統物理學的區別使得愛因斯坦提出了“上帝不擲骰子”的著名論斷，預示著量子力學發展的坎坷。1935年多位科學家一起提出的“量子糾纏”概念更是進一步佐證了微觀粒子在系統中相互作用、相互影響，而不能單獨觀測的相干特性。隨著時間的推移，休·埃弗雷特于20世紀中葉又提出了多元世界理論，這種理論指出只要某一物體存在于一種特定狀態下，該對象所處的世界就能轉化為與它可能存在的狀態數相等的一系列平行世界，其中每一個平行世界都會包含該物體的一個獨一無二的狀態。這一解釋加深了理論物理學和量子物理學之間的聯系。

如今，量子理論方面的研究仍在繼續推進，其中部分理論已經進行了實驗論證，并且被廣泛用于現實生活中。量子理論的階段性研究促進了現代量子科技的發展，同時也為日后的技術研發奠定了理論基礎。

百舸爭流——大國博弈日趨激烈

隨著各國不斷加大對量子科技方面的資金投入和政策支持，并將“瞄準量子科技，建設技術高地”列入本國的發展戰略，量子科技便開始以“星火燎原”之勢對社會結構和經濟發展造成顛覆性影響。量子科技方面的競技也已經上升到了國家層面，越來越多的國家競相制定量子科技發展戰略和專向計劃，世界正式進入全面推動量子科技發展的戰略競爭時代，量子科技方面的大國博弈日趨白熱化，各大國及各組織都制定了相應的量子科技發展戰略，在適應本國國家發展戰略的同時又提出了一些創新型計劃。

休·埃弗雷特于20世紀中葉提出了多元世界理論

目前，美國在能源行業加大量子計算的融合創新，成立了首個能源行業量子計算聯盟——量子未來電力系統升級計劃，旨在“結合量子信息和量子計算的力量，專注開發新的量子模型、方法和算法”。為保證數據安全傳輸，歐盟各成員國加大量子加密通信方面的研究力度，并成功建立量子通信基礎設施，共同進行量子保密通信管理，從而確保敏感信息和數據的絕對安全。日本在量子保密通信科研方面投入力度巨大，與歐洲聯合建立東京量子保密通信試驗床網絡并持續開展現網實驗。

此外，量子計算機的研發和量子算法的提出也對世界產生了極大影響。相較于以往的計算機，量子計算機的運算速度更快。美國的超級計算機“頂點”，其運算峰值可達每秒20億億次。據估計，“頂點”運算一萬年才能解決的問題，53個比特的量子計算機僅需200秒便可解決，極大地提升了算力。此外，量子計算機的初始化能力、可控能力、擴展能力、穩定能力和被測量能力更強，更能滿足人們的日常生活需要。量子算法的提出則使實現人工智能算法成為了可能。現如今，機器自主學習算法幫助處理數據、進行測量已是常事，但在面對海量數據時，經典算法的計算能力不能滿足生產生活需要，而量子算法超強的并行計算能力則解決了這一難題。

量子科技帶來的技術紅利和科技先進性為許多國家帶來了財富效益和進行科技創新的機會，量子科技極佳的發展前景導致量子科技領域“你追我趕”的現象愈演愈烈。歐盟作為歐洲地區的重要組織之一，牽頭制定了一系列量子技術發展戰略。2020年3月3日，量子旗艦計劃成員向歐洲委員會提交了一份戰略研究議程文件（SRA），該文件圍繞量子通信、量子計算、量子模擬、量子傳感和計量等4個主要應用領域提出了未來短期、中期、長期的發展計劃和預期成果，旨在加快量子旗艦計劃在量子技術、創新和發展等各個方面的研究，并不斷縮短和其他國家的發展差距。據此，各國政府對“快速發展量子科技、搶占技術制高點”戰略的重視程度可見一斑，并且隨著不斷拓寬技術領域、加大理論研究力度，量子科技的應用范圍勢必會變得更廣，其發展潛力不容小覷。

困難重重——研發計劃遭遇瓶頸

數字時代下，量子科技為世界帶來了許多機遇。我們已經經歷了兩次量子革命帶來的深刻變革，兩次變革所帶來的經濟紅利讓我們清楚地認識到量子科技蘊含著非常巨大的能量，它不僅是推動數字經濟快速發展的核心力量，同時也是加快信息領域變化擴大的關鍵技術。在看清量子信息技術發展對信息安全和計算通信等方面產生巨大沖擊的同時，我們也要看清其快速發展背后所面臨的窘境。

隨著量子領域的相關研究不斷深入推進，各個組織對高質量人才的需求量也在以指數形式逐年暴增，量子領域的研發計劃迎來了瓶頸期。

量子旗艦計劃成員向歐洲委員會提交的戰略研究議程文件

2019年，英國啟動《國家量子技術計劃》的第二階段。在此之前，英國量子技術戰略咨詢委員會曾發布一篇名為《國家量子技術戰略》的量子科技戰略路線圖。在該戰略中，英國計劃10年內完成低成本的氣體檢測及非破壞性的生物顯微鏡的開發；5～10年內，完成抗干擾 GPS 精度級水下導航，實現環境監測、地震預測、民用工程地下設施及廢棄物探測等應用；20～30年內，開發出解決復雜問題的個人量子計算系統和高性能、低功耗量子化協處理器。顯然，儲備高精尖技術人才是完成這些目標的一大關鍵因素，英國勢必會在很長一段時間內都會極其需要高質量人才的技術支持。當然，人才短缺并不是只有英國才會面臨的問題，其他組織和團隊同樣也有著極大的人才需求，各個領域的人才短缺現象已成為一個全球性難題，究其原因是人才儲備方面出現以下幾點問題。

一是人才選拔限制了人才培養和發展，導致人才培養類型單一。比如，一些企業或團體對某類人才有超高需求，應聘者為謀取就業崗位，常會對照該企業的需求而發展自身能力，限制了其他能力的培養。

二是人才培養各領域之間聯系不強，難以達到量子科技對多領域技術人才的需求。現如今，單一領域的高質量人才儲備尚且充足，但是量子科技作為一個學科綜合性極強的行業，涉及數學、物理、計算機科學、工程設計等多個學科，因此其對人才的知識水平有著很高要求。

IBM德國團隊裝配量子處理器

三是人才質量不高，專業性、技能性人才嚴重短缺。人才質量的高低關乎著量子科技能否順利研發、應用、普及，關乎著能否形成有機整體，加快進行頂層設計等幾個關鍵戰略發展方向。

因此，如何加快建設人才補給鏈是當下各國發展戰略中必須要思考的一大問題。

面對難以橫跨的人才斷崖，各國首先要做的就是盡快加強高等院校在量子科技方面的教育，努力培養綜合性強的高端技術人才，做好人才儲備從而應對未來的研發建設需要。

量子科技作為一個新興領域，許多方面的研究近乎為零，因此需要大量的資金投入以保證順利展開對該領域的探索、充足的人才供給以作為持續研究相關技術的堅實基礎、精密的設備場所以創造穩定觀察實驗結果的環境。量子科技領域的研發是一個漫長的過程，其在研發資金和科學團隊方面的消耗與需求不容小覷，據相關數據發現，目前各國在量子領域的經費投入巨大，并且會出現資金投入不足的現象。

人才短缺是量子技術研發的一大瓶頸

2013年，英國財政大臣George Osborne 發起了英國國家量子技術計劃。隨后英國在其研究第一階段投資2.7億英鎊，并預計在未來十年再投資10億英鎊。2018年12月12日，美國總統宣布計劃在未來十年內斥資12.75億美元用于量子科技研究。2020年6月，德國將量子科技研發資金增至20億歐元。龐大的資金需求是開展量子科技研究的一大挑戰。

此外，實驗設備、研發環境、科學團隊等各類資源過于分散也是難以展開對量子領域研發探索的一大原因。因此，加大研發資金投入、加快聯合現有資源、加緊進行相關設施建設是消除量子科技發展瓶頸的關鍵舉措，各國應該做好“硬件”保障，從而確保順利展開研究。

量子信息技術作為典型的交叉學科，許多學科之間相互交叉、融合、滲透，涉及到的知識領域相當寬泛，所需要的技術能力也十分專業。在探索這樣一門學科時，單體的研發力量顯得十分弱小，很難對多個領域同時展開研究探索，并且很難有階段性成果。因此，合作便成為了突破量子技術研究難關的一大關鍵因素。

但如今，各國組織和研發機構之間的合作交流十分有限，未能做到技術互通、資源共享、共同研究等。究其原因，一方面是各國之間存在壁壘，不能互通技術；另一方面是沒有可以進行國際交流合作的平臺；再者是沒有制定相關制度以增強各國之間技術聯系。

因而，為了加快推進量子領域研究探索，彌補技術短板，加強國際合作、構建學術交流平臺、交流溝通科研布局是非常有必要的。

雖然目前量子領域研發面臨許多難題，但最主要的困難仍是人才短缺這一關鍵要素，沒有高精尖技術人才這一強大支撐，任何研究都只是不切實際的空談。