量子科技： 中国按下创新“快进键”

（本刊综合）

在量子科技领域，一场激烈的竞赛正在展开。量子通信、量子计算、量子测算……如今，量子科技已成为全球科技大国集中发力的新一轮科技革命和产业变革前沿阵地。掌握创新的主动权，才能掌握发展的主动权。抢抓量子科技发展机遇，中国已按下“快进键”。

10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习，并达成共识：要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局。

而在10月7日，美国物理学会将一年一度的“兰道尔-本内特量子计算奖”颁发给中国科技大学教授陆朝阳，以表彰其在光学量子信息科学，特别是在固态量子光源、量子隐形传态和光量子计算方面的重要贡献。

接连不断的消息让量子科技成为舆论关注的热点。

量子科技被称为21世纪的尖端科技，不仅可以让“窃听”无处遁形，甚至被认为可以改变未来人类生活。近期，我国在量子科技领域取得多项国际前沿重大成果：国际首次实现高保真度32维量子纠缠态，自主研发的6比特超导量子计算云平台上线，千公里级无中继量子通信取得新突破……我国已成为国际量子科研强国之一。

神奇的“纠缠”和“叠加”

提到量子科技，不得不提量子。量子指的是物质不可再分的基本单元。通俗来说，如果把能量等物理量一份份往下分，分到无法再分的小块就是量子。例如，光量子就是光能量的基本单元，不可能再分为1/2个、1/3个光子。事实上，我们在物理课上所学到的分子、原子、电子等，都是量子的不同表现形式。

1900年，德国物理学家马克斯·普朗克提出量子理论，开启了研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支。120年来，全球几代科学家孜孜以求，在量子理论、量子科技及其应用等领域开疆拓土。

在宏观世界中，牛顿经典力学可以帮助我们理解和测算物体的运动、速度等规律。但在量子微观世界中，许多规则却与我们的认知截然不同。其中的两个基本原理就是“叠加”和“纠缠”。

叠加原理，最经典的理论莫过于神秘莫测的“薛定谔的猫”。根据量子力学理论，物质在微观尺度上可以同时存在多种状态和多个位置的“叠加”。

为了解释叠加状态，奥地利物理学家薛定谔在1935年提出了经典理论：将一只猫关进装有少量镭和氰化物的箱子里，如果镭发生衰变，就会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死;反之，猫就存活。在量子世界中，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，“可怜的”猫便处于死猫和活猫的叠加状态。

更为神奇的是，如果想要测量量子，它便会从叠加状态变为确定的状态，就像是如果有人怀着好奇心去打开箱子，便只能看到一只死猫或者活猫。

一个量子可以“叠加”多种状态，多个量子则会产生“纠缠”的奇妙反应。两个处于量子纠缠状态的粒子，就像双胞胎的心灵感应一样。无论相隔多远，当一个量子的状态发生变化，另一个量子也会超“瞬间”发生变化。对于诡异的纠缠现象，爱因斯坦在当时也难以作出解释，将其称之为“鬼魅般的超距作用”。

量子理论诞生一百多年来，催生了许多重大发明，核能、激光、半导体等科技得以问世，进而发展出计算机、互联网、手机等重大应用，改变了人类文明进程。今天，量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。

将带来重大颠覆性技术创新

量子科技并不是新近出现的新学科领域，它距离民众并不遥远。量子力学理论发轫于1900年，随后引发的“第一次量子革命”催生出半导体、激光、计算机等改变人类文明进程的重大成果。進入新世纪以来，量子领域新发现、新理论、新技术密集涌现，预示着“第二次量子革命”已进入加速期、起跑期。

量子科技已成为当前世界科技研究的一大热点。中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员袁岚峰认为，量子科技被中央赋予前所未有的重视程度受之无愧，因为量子力学和相对论是现代物理学的两大基础理论。人类在20世纪基于量子力学了解了微观世界，才产生了许多重大的技术进步和发明创造。例如导电性，就是有了量子力学后才能解释清楚的。磁性也是如此。

量子科技的应用为科技发展带来无限的想象空间。那它将带来哪些重大颠覆性技术创新呢？谷歌曾称，世界第一的超级计算机要算一万年的实验，量子计算机只用200秒就能算完。目前全球一年产生的数据需要百亿TB的存储量才能完成，而未来的量子存储设备可能只需指甲盖大小就能存储人类几百年的信息数据。

量子科技给高密度、低能耗的信息存储带来巨大想象空间，而基于此的大数据发展也将突飞猛进。清华大学副校长薛其坤说，量子计算会颠覆性提高信息运算处理速度，量子通信会大幅度提升通信安全性，量子精密测量和传感技术会在未来数字时代和万物互联时代有着广泛的应用。此外，得益于量子保密通信的高度安全性，量子通信未来将在国防、财务和金融专网等领域有重要应用。

随着量子科技的不断发展，其在计算等方面的能力，一定会超乎人们的想象。清华大学物理系教授龙桂鲁表示：“量子科技就像一只初生的‘老虎，虽然它现在的力量还不大，但它长大后就会显示出巨大的威力。”

各国激烈争夺技术制高点

正是因为量子技术所蕴含的巨大发展前景，量子科技领域的国际竞争日益激烈。据了解，全球主要科技强国近期均出台了国家层面的量子信息技术战略计划。美国正在建设量子网络;英国建成了连接布里斯托、剑桥等地的量子网络，并联合新加坡启动了量子卫星项目;德国、法国等19个欧盟成员国签署了未来10年开发和部署欧盟范围内量子通信基础设施的声明。

华安证券分析师尹沿枝称，美国近10年来已通过“量子信息科学和技术发展规划”等项目，以每年约2亿美元的投入力度，持续支持量子信息各领域研究。欧盟2016年推出“量子宣言”旗舰计划，在未来10年投资10亿欧元，支持量子计算、通信、模拟和传感四大领域的研究和应用推广，并在2018年11月正式启动首批20个研究项目。日本文部科学省2013年成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构，计划未来十年内投资400亿日元，支持量子通信和量子信息领域的研发。

而美国尤其表现得雄心勃勃。2018年底，美国颁布了《国家量子倡议法案》，宣称绝不能容忍在量子科技领域落后。2020年7月，美国能源部宣布了建设量子互联网的蓝图。10月7日，美国发布的《国家量子信息科学战略投入的量子前沿报告》宣布，美国将在量子信息科学领域保持领导地位，作为确保美国长期经济繁荣和国家安全的关键优先事项。袁岚峰说：“这些文件都表明，美国非常重视量子科技，决心用国家的力量大量投入。”

目前，量子科技的竞争并非只局限于政府之间，企业之间的竞争也非常激烈。中国科学院院士、世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”首席科学家潘建伟介绍，谷歌、微软、IBM、英特尔等国际巨头都积极投入量子计算研发。尹沿枝表示，美国的这些企业近年来大举进军量子计算领域，并且与耶鲁大学、麻省理工学院、加州大学等科研机构联合攻关共性技术，主要集中在超导量子计算领域，目前这些企业已经在超导量子计算领域取得较好成果。另外，在产业化方面，IBM发布超导量子比特的量子计算云平台。而谷歌也推出了72比特的量子计算芯片“狐尾松”。

中国量子科技加速前进

近年来，我国多次创造量子比特纠缠数量的世界纪录，成功发射世界首颗量子实验卫星“墨子号”、成功开通世界首条量子保密通信干线“京沪干线”、首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发……中国已成为国际量子科研强国之一，在量子通信、量子计算、量子测量三大科研方向居于世界领先。

量子通信“墨子”领跑

2016年8月，中国发射了自主研制的世界上首颗空间量子科学实验卫星——“墨子号”。《自然》杂志曾评价道，在量子通信领域，中国用了不到10年的时间，由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅，将领先于欧洲和北美。

量子通信是各国优先发展的重点量子科技领域。传统的通信方式中，加密方式依靠的是计算的“复杂性”，有被窃听的风险。而量子的独有特性，使其具有不可克隆、测不准等“先天优势”。用量子做成的“密钥”来传递信息，加密的内容不会被破译，窃听者必然会被“抓包”。量子通信因此被看作信息安全传输的“保护盾”，为破解信息加密“瓶颈”提供了解决方案。

近年来，中国量子通信技术取得多项突破性进展。“墨子号”的发射为通过太空“量子传密”提供了可能。实验表明，在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比地面光纤信道高1万亿亿倍，卫星平均每秒发送4000万个信号光子，一次实验可生成300千比特的密钥，平均成码率达1.1千比特/秒。

與此同时，中国科研人员还利用量子卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发等成果。2017年，全球首条量子保密通信骨干网“京沪干线”项目通过总技术验收。

2020年，中国科学家在量子通信领域同样取得诸多成果——

3月，潘建伟团队等研究人员实现了500公里级真实环境光纤的双场量子密钥分发和相位匹配量子密钥分发，传输距离达到509公里，创造了新的世界纪录。

5月，中国科研团队在国际物理学权威期刊《现代物理评论》上发表论文，系统阐述了量子密码的原理、理论和实验技术，为量子密码的广泛应用以及标准化制定奠定了基础。

今年9月，郭光灿院士团队与奧地利同行合作，首次实现了高保真度的32维量子纠缠态，显著提高了量子通信的信道容量，创造了当前世界最高水平。

量子计算抢占先机

量子计算同样是各国竞相布局的量子科技领域。

与传统计算机相比，量子计算机有独特优势。传统计算机的运算单位比特只有0和1两种状态。而在量子计算机里，由于量子叠加态的存在，1个量子比特可同时记录0和1两个状态。如果计算机操纵的量子数目增多，就会以指数级增长提升计算机的运算速度，计算能力潜力巨大。

随着运算能力的提升，社会生活的诸多领域都有望迎来“革命”——提高农作物产量、指导科学的城市交通规划、促进新药研发、实现高精度的天气预报……专家表示，量子计算将极大促进当前人工智能及其应用的发展，深刻地改变包括基础教育在内的众多领域。

目前，在量子计算领域，中国整体上与发达国家处于同一水平线。近年来，多支科研团队在量子计算领域取得阶段性成果。2019年底，潘建伟等学者与德国、荷兰的科学家合作，在国际上首次实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算，在四大关键指标上均大幅刷新国际纪录，逼近实现量子计算研究的重要目标“量子霸权”。

而在企业方面，百度、阿里巴巴、腾讯、华为等科技企业也相继出台了量子计算研究计划。今年9月，中国企业自主研发的6比特超导量子计算云平台“悟源”正式上线，全球用户可以在线体验来自中国的量子计算服务。

量子测量稳步推进

相比量子通信、量子计算，量子测量显得更为神秘。它的应用涵盖科研、医疗、地质、能源、灾害预防等。

“量子测量的精度可以达到原子量级。”国仪量子（合肥）技术有限公司副总经理张伟介绍，传统测量技术最小只能探测到微米量级，而量子技术可以精细千倍、万倍到纳米、亚纳米量级，带来革命性的技术进步。

比如将量子测量用于电网，可以精确监测电流、电压;用于探矿，可以边钻井边测量周边地质成分;用于医疗，可以精确分析血液微量元素含量。

与量子通信和量子计算相比，量子测量的公众认知度较小，但普通人首先能用上的量子科技，或许就是量子测量相关成果。

据中国信息通信研究院统计，与量子通信和量子计算相比，量子测量领域的专利申请和研究论文总量偏少，但近年来呈现增长趋势。从地域上看，美、中、日的专利申请量较多，且中国在 2018 年赶超了美国。

有专家指出，从科研成果来看，国内产业化领域多集中在原子钟领域，少数企业致力于量子雷达、量子态操控与读取等领域。部分领域与欧美国家有所差距，但总体稳步推进。