量子科技的应用现状和挑战

摘要：量子科技因其在通信，计算等方面的突出优势，而具有广阔的应用前景和潜在市场规模，本文便对量子科技的应用现状和所面临的挑战做一个系统的分析阐述。

关键词：量子科技;量子计算;量子通信

近年来，量子技术正逐渐成为各国关注的焦点，国际竞争日益激烈。尽管其成本高昂，条件严苛且仍有许多尚未攻克的难关，但显然，各国都在此前一系列的研发突破中看到了它巨大的潜在价值，都在抢占先机，希望能在量子浪潮中分得一杯羹。据悉，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;德、法等19个欧盟成员国签署了未来十年开发和部署欧盟范围内量子通信基础设施的声明等等[1]。中国也在量子保密通信、计算等诸多领域都取得了重大突破，目前正以令世界惊叹的速度蓬勃发展，已然成为撼动欧美等国统领地位的有力对象。

1 量子计算

由于量子独特的叠加性，使量子比特可同时拥有0和1两个数值，实现“同步计算”。此外量子纠缠现象又能使处于不同地方的两个量子比特共享量子态，即使相距再远都会和对方的状态紧密相连，创造出超叠加效应。因此，它拥有强大的存储和并行运算能力，在一些具备重大政治和经济价值的领域（如AI 计算、材料设计、密码学、质因数分解等），通过特定的算法，有望实现相对于经典计算机指数级别的加速。

那为什么量子计算有以上诸多优势，却没有得到广泛的普及和应用呢？

首先是温度的影响，由于量子的相干性，导致越接近绝对零度计算结果的准确性越高，这需要时刻对设备进行冷却降温，耗电耗时，成本高昂。

还有一个关键性的难点就是量子计算结果的纠错问题：

对于经典计算机而言，虽然存在错误，但只要我们进行足够多次的重复计算，在得出的诸多结果中选择最占有优势（出现次数较多）的结果，就可以有效解决这一问题。

但是，要想在量子计算机中实现更高效的并行运算，要用到量子的叠加性-即在没有观测时，结果始终处于正误的叠加态，这也是它的优势所在。但叠加和纠缠的量子态极度脆弱，能被外部环境中的细微干扰影响，其中包括了任何想要观测它们的尝试。这就是矛盾所在，纠错的前提是我们要先认定结果是否错误，可一旦进行观测，就会导致数据崩塌，量子叠加态被破坏，相干性衰减，出现“退相干”，无法完成计算。

针对上述难题，目前普遍接受的解决方案主要有两个：

一是间接测量。设置一个参数量子项，使之与所要计算的量子比特耦合，再通过测量该参数项来间接测量原来的结果。听起来容易但是若想彻底实现，则需要占据更多的量子空间，大大增加了所需量子位的数量，投入成本高昂。

二是直接消除错误。通过提高技术，运用更加精密的计算材料，更高的科研能力，最大限度地去提高精度，直接从源头上避免错误的出现。但是这种方法基于对量子领域极其深入的了解，选择最优质的材料和技术，长时间不计成本地去研究、试错。

总之，量子计算的发展任重而道远，面临的挑战很严峻，但是机遇、潜力和价值同样不可估量。现如今，其研发和攻关已经成为世界科技前沿的热点以及最大挑战之一。近年来我国在这一领域不断地实现了重大突破。例如，潘建伟团队在2020年研发的“九章”量子计算机，实现了算力全球领先。据目前最优的经典算法，它处理高斯玻色取样的速度比排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，等效地比谷歌53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。该成果确立了我国在国际量子计算领域中的第一方阵地位，为未来进行更加深入的攻关和研究奠定了技术基础。

2 量子通信

随着现如今数字化，信息化高速发展，移动支付、互联网金融等逐渐融入我们的日常生活，通信和网络信息安全正面临着严峻考验。传统的通信系统仅仅取决于密钥的安全性，没有加密机制和算法作为保障，相比之下，量子通信因其自身脆弱的叠加态，一旦被测量或者复制，就会立刻改变原有状态，从而被通信双方察觉。这也使得它有了更高的保密性和安全性。此外，其传输速度更是比光速高出4个数量级，从而可实现高效，不可破译的完美通信。

据调查，2012年至今，国际量子通信研究的重大进展突破（量子保密通信，质因数分解等）几乎都是由我国科学家独立完成的，可以说，目前的中国在这一领域遥遥领先。早在2004年，郭光灿团队在北京-天津125km的光纤线路上，就实现了量子密码的首次传输;2016年，潘建伟团队研发设计了全球第一颗量子科学实验卫星-“墨子号”，并顺利发射升空，在空间量子物理领域取得重大突破。2021年初，潘建伟团队在“墨子号”量子通信实验卫星和京沪干线的串联下，实现了4600公里的量子保密通信网络，这是全球首个集成量子通信网络。在不久的将来中国定制的量子互联网，很有可能取代如今由美国主导的光纤互联网。

作为一个新兴的前沿交叉学科，对此国内外目前仍面临着很多的技术难点：

首先是為了进行长距离的量子态隐形传输，必须要让通信的两地同时具备最大量子纠缠态，但是由于不可避免的环境噪声，量子纠缠很容易受到干扰，而使性能变差。所以如何克服远距离传输带来的信号损耗成为了难点所在;

其次是如何填补由现实器件，如光源、探测器等不完美带来的安全性漏洞，将理论更好地运用于现实——对实际量子密钥分发系统进行攻防测试和安全性升级是应该被重视的关键;

最后，现阶段的技术验证和标准规范研发落后。作为量子物理学和信息科学领域的前沿交叉学科，量子通信的标准化工作难度较大，目前国际标准化研究相对滞后，重视程度不够，科研机构和企业缺乏有效的沟通协作[2]，难以形成合力，一致向前发展。

虽然近年来我国在量子科技的诸多领域飞速发展，成果显著，甚至达到了“量子霸权”，但在部分领域仍与欧美一些较早涉及的发达国家存在差距。我们要把握机遇，补齐短板（如加强对半导体制冷片，FPGA芯片等高端核心元件的自主研发能力），提高政府和社会的关注度，如中科院郭光灿院士所言：“如果我们想在激烈的量子霸权斗争中取胜，不能只做‘游击队’，必须组建一支完备的‘集团军’”。加大科研和投资力度，统筹推进量子通信、计算、测量等多个领域任务齐驱并进，相辅相成。使政策、项目、资金、市场多管齐下，抢占先机，缩短同龙头企业的差距。

目前在我国，量子技术正大面积覆盖关乎于国计民生的诸多关键领域，为那些服务于14亿人民的行业赋能。我们期望在不久的未来，能够看到量子领域迎来人类开始主动控制、操纵量子的一次新的革命，而中国恰恰就是这场革命的领导者。

参考文献：

[1]量子科技：中国按下创新“快进键”[J]. 发明与创新（大科技），2020（11）

[2]周德建.浅谈量子通信技术发展现状及应用前景分析[J].移动信息，2017（4）;79-80

作者简介：孙松楠 女 学历：天津师范大学本科生 研究方向：应用物理学