日前，中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)。量子科技成為輿論關(guān)注的熱點(diǎn)話題。這一引發(fā)廣泛熱議的新晉“網(wǎng)紅”究竟是“何方神圣”，為何會(huì)受到全世界高度關(guān)注，在現(xiàn)實(shí)生活中又有何應(yīng)用前景？經(jīng)濟(jì)日報(bào)記者帶您一起走近量子科技。

　　認(rèn)識(shí)量子科技先要從量子說起。量子是什么？根據(jù)量子理論，量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。一個(gè)事物如果存在最小不可分割的基本單位，我們就可以說它是量子化的，并把最小單位稱為量子。所有人們熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。

　　什么是量子

　　中國科學(xué)院物理所研究員曹則賢在2020年跨年科學(xué)演講中曾打過這樣一個(gè)比方：我們生活中可以見到的、感知到的事物，包括光與能量的最小單位都能稱之為量子。就像我們遠(yuǎn)處看魚群是烏泱烏泱的一片黑，但是放大了看就是一條條魚，這就可以說是魚群的量子。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員、科普專家袁嵐峰在媒體上這樣撰文解釋：量子的本意是個(gè)數(shù)學(xué)概念，簡言之就是“離散變化的最小單元”。什么叫“離散變化”？袁嵐峰這樣撰文解釋：我們統(tǒng)計(jì)人數(shù)時(shí)，可以有一個(gè)人、兩個(gè)人，但不可能有半個(gè)人、三分之一個(gè)人。我們上臺(tái)階時(shí)，只能上一個(gè)臺(tái)階、兩個(gè)臺(tái)階，不能上半個(gè)臺(tái)階、三分之一個(gè)臺(tái)階。這些就是“離散變化”。對于統(tǒng)計(jì)人數(shù)來說，一個(gè)人就是一個(gè)量子。對于上臺(tái)階來說，一個(gè)臺(tái)階就是一個(gè)量子。如果某個(gè)東西只能離散變化，我們就說它是“量子化”的。

　　與我們認(rèn)識(shí)的宏觀世界不同，人們發(fā)現(xiàn)在量子這一微觀世界中許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象違背常識(shí)，完全無法用經(jīng)典物理學(xué)詮釋。比如，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，一個(gè)客體的狀態(tài)(用0和1表示)就像最簡單的二進(jìn)制開和關(guān)，只能處于開或者關(guān)中的某一個(gè)狀態(tài)，即要么是0要么是1，這就好比一只貓，要么是生要么是死，不能同時(shí)“又生又死”。

　　然而，這一理論并不適用于量子世界。在量子世界中，一只貓可以處于又生又死的疊加狀態(tài)。這種所謂的量子相干疊加正是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別。更為神奇的是，這種疊加狀態(tài)極其脆弱，一旦有人去測量，它就會(huì)立刻從疊加狀態(tài)變?yōu)榇_定狀態(tài)。

　　美國物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者穆雷·蓋爾曼曾發(fā)出如是感慨：量子力學(xué)是一個(gè)神秘的、令人捉摸不透的學(xué)科，我們誰都談不上真正理解，只是知道怎樣去運(yùn)用它。

　　量子通信無條件安全

　　雖然聽起來很神秘，其實(shí)量子科技距離我們并不遙遠(yuǎn)。比如，信息時(shí)代的關(guān)鍵核心技術(shù)，晶體管、固態(tài)硬盤、掃描電子顯微鏡等，即是第一代量子技術(shù)的代表性成果。今天，量子科技發(fā)展具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。

　　中國科學(xué)院物理研究所研究員范桁介紹，量子科技主要包含三方面內(nèi)容，量子計(jì)算、量子保密通信與量子精密測量。其中，量子保密通信主要表現(xiàn)為量子秘鑰分發(fā)。量子精密測量主要以利用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典方法的精密測量為主，具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。量子計(jì)算是量子科技重要組成部分，也是最具挑戰(zhàn)的目標(biāo)，被認(rèn)為是下一代信息產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)，意義重大。這三方面內(nèi)容也是世界各國量子計(jì)劃的主要組成部分。

　　目前，應(yīng)用最為成熟的當(dāng)屬量子通信。所謂量子通信，簡單說就是利用量子力學(xué)相關(guān)原理解決信息安全問題的通信技術(shù)。其中，一個(gè)著名原理就是量子糾纏。一般情況下，量子體系中一個(gè)物理量的值并不能預(yù)先確定，而是依賴于采取何種測量基；進(jìn)一步，對處于量子糾纏的兩個(gè)粒子，對其中一個(gè)粒子的測量結(jié)果會(huì)瞬間確定另一個(gè)粒子的狀態(tài)，不論它們相距多么遙遠(yuǎn)。這一被愛因斯坦稱作“鬼魅般的超距作用”，便是量子通信的理論基礎(chǔ)。

　　傳統(tǒng)通信方式建立在加密算法或者加密技術(shù)基礎(chǔ)之上，如果計(jì)算能力足夠強(qiáng)大破解了加密算法，就有被竊聽風(fēng)險(xiǎn)。量子的獨(dú)有特性，使其具有不可克隆、測不準(zhǔn)等“先天優(yōu)勢”。用量子做成的“密鑰”來傳遞信息，加密內(nèi)容不會(huì)被破譯，竊聽者必然會(huì)被“抓包”，這為破解信息加密“瓶頸”提供了解決方案。

　　向著安全通信的夢想努力奔跑——我國于2016年8月份發(fā)射的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在2017年星地量子密鑰分發(fā)的成碼率已達(dá)到10千比特/秒(kbps)量級(jí)，成功驗(yàn)證了星地量子密鑰分發(fā)的可行性。目前，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化，密鑰分發(fā)成碼率已經(jīng)達(dá)到100千比特/秒(kbps)量級(jí)，具備了初步實(shí)用價(jià)值。

　　1120公里！2020年，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星再立新功：科學(xué)家們利用“墨子號(hào)”作為量子糾纏源，向遙遠(yuǎn)的兩地分發(fā)量子糾纏，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)——為量子通信走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

　　“量子通信克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患。因?yàn)椋浒踩圆灰蕾囉谟?jì)算復(fù)雜度，這是原理上無條件安全的一種通信方式。”中國科學(xué)院院士潘建偉稱。

　　量子計(jì)算潛力無限

　　除了量子保密通信，科學(xué)家們密切關(guān)注的另一個(gè)重要應(yīng)用是量子計(jì)算機(jī)。

　　在古代，人們就已制造出了可作一定計(jì)算的器具與機(jī)器。比如，中國發(fā)明的算盤，歐洲早期發(fā)明的各種計(jì)算器械。現(xiàn)代意義上世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)名為埃尼阿克，它重達(dá)27噸，占地150多平方米，在1945年建造成功，目的是計(jì)算炮彈彈道。馮諾依曼1945年明確提出了存儲(chǔ)程序通用計(jì)算機(jī)方案，規(guī)劃了電子計(jì)算機(jī)架構(gòu)，使得計(jì)算機(jī)可以被廣泛應(yīng)用。

　　“但是，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)基于微處理器芯片摩爾定律，這無疑會(huì)碰到技術(shù)瓶頸，于是人們開始思考建造一種全新計(jì)算機(jī)——量子計(jì)算機(jī)。”根據(jù)范桁的介紹，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行遵循量子力學(xué)原理，以量子比特為基本信息單元，以量子糾纏、相干疊加和量子測量為特色，其發(fā)展也將遵循經(jīng)典計(jì)算機(jī)類似的軌跡。“不過，我們現(xiàn)在看到的量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)功能比較單一，只能模擬某些特定量子過程，或者解決某些簡單問題。”范桁說。

　　如果世界上有量子計(jì)算機(jī)，我們現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)能否實(shí)現(xiàn)其功能？范桁分享了國際科研進(jìn)展。2019年，谷歌宣布實(shí)現(xiàn)了53個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算，在處理隨機(jī)線路采樣問題時(shí)，其200秒完成的任務(wù)經(jīng)典計(jì)算機(jī)要用一萬年。目前，超導(dǎo)量子處理器芯片已達(dá)到50個(gè)至100個(gè)量子比特，用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬其功能需要用天河或者太湖之光這樣的超級(jí)計(jì)算機(jī)。“多增加一個(gè)量子比特，經(jīng)典計(jì)算機(jī)資源就需要翻番，這個(gè)競爭將不具有持續(xù)性。因此，量子計(jì)算機(jī)的功能不可能用經(jīng)典計(jì)算機(jī)來替代。”范桁表示。

　　不僅如此，與經(jīng)典算法相比，人們已知運(yùn)行于量子計(jì)算機(jī)的某些量子算法具有明顯優(yōu)勢。比如，肖爾算法和格羅夫量子搜索，它們都在信息安全方面具有重要應(yīng)用，這些算法的實(shí)用化運(yùn)行將迅速對現(xiàn)有信息安全體系造成全面沖擊。在實(shí)用性方面，量子搜索算法可以期望應(yīng)用于大數(shù)據(jù)；量子退火算法可以應(yīng)用于優(yōu)化問題，比如物流和交通優(yōu)化等；量子模擬可以被應(yīng)用于量子化學(xué)和量子物理研究，比如生物合成和藥物篩選等；量子模擬向量網(wǎng)絡(luò)態(tài)可應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

　　既然如此強(qiáng)大，量子計(jì)算機(jī)何時(shí)能從夢想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)？范桁坦言，量子計(jì)算機(jī)的研究剛剛起步，距離實(shí)用化需要的成千上萬個(gè)量子比特仍有較大距離。此外，量子計(jì)算機(jī)的建造兼具工程與科學(xué)特色，不可控因素較多，技術(shù)上也有瓶頸需要克服。因此，需要各領(lǐng)域?qū)＜衣?lián)合攻關(guān)，在集中資源重點(diǎn)突破的同時(shí)，兼顧多種技術(shù)路線。

　　比如，IBM等高科技公司逐漸擺脫了單純科研探索模式，以實(shí)用化、集成和綜合性為目標(biāo)，其研發(fā)涵蓋軟硬件各個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)方案大多選擇了超導(dǎo)量子計(jì)算方案，以提供云量子計(jì)算服務(wù)，培養(yǎng)量子計(jì)算生態(tài)作為一個(gè)重要的目標(biāo)。中國科學(xué)家在超導(dǎo)量子計(jì)算方面也有世界性先進(jìn)成果：中國科學(xué)院物理研究所、浙江大學(xué)和中國科大等合作，在去年實(shí)現(xiàn)了20超導(dǎo)量子比特的薛定諤貓態(tài)制備，創(chuàng)造了固態(tài)系統(tǒng)糾纏量子比特?cái)?shù)世界紀(jì)錄。“長期來看，量子計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大，是下一代信息技術(shù)制高點(diǎn)，有望影響人類生活的方方面面，國際競爭不可避免。”范桁說。