量子科技带来的颠覆性影响

刘凯予　刘云华　骆诚志　孟波

近些年，“量子”“量子力学”这些名词的热度不断飙升，与之相关的量子科技也得到了世界各国的广泛关注，国外各界尤其是高新技术产业界正在不断加大量子科技方面的研究力度。一时间，量子科技这一前沿技术如洪水一般快速发展，并且成为推动数字时代产业革新、计算结构升级以及经济快速高质量发展的重要引擎，量子科技领域研发热潮不断攀升。

不同于第一代量子科技，如今的量子科技是一门综合性很强的交叉学科，其从量子物理基本原理——量子力学出发，利用量子相干特性，以探索用于计算、编码和信息传输的全新方式。

为了理解量子科技，我们必须要先搞清楚量子科技的基础——量子力学。量子力学是研究物质世界微观粒子运动规律的基础物理学，主要研究原子核和基本粒子的结构等。自其建立以来，量子力学便成为整个微观物理学的理论框架，帮助人们更好地认识宇宙的本源、物质的本质以及事物的发展规律。量子科技便是以量子力学为理论基础的新兴前沿技术，科学家们利用量子本身的特性，操控量子的存在状态，研发出如量子计算、量子通信、量子货币等一系列技术应用，极大地改变了人们的日常生活，量子科技成为新时代福音。

作为量子力学的理论基础，著名的海森堡不确定性原理表明：对微观粒子无法同时精确地测量其位置和速度。而海森堡提出的微观世界量子物理学和传统物理学的区别使得爱因斯坦提出了“上帝不掷骰子”的著名论断，预示着量子力学发展的坎坷。1935年多位科学家一起提出的“量子纠缠”概念更是进一步佐证了微观粒子在系统中相互作用、相互影响，而不能单独观测的相干特性。随着时间的推移，休·埃弗雷特于20世纪中叶又提出了多元世界理论，这种理论指出只要某一物体存在于一种特定状态下，该对象所处的世界就能转化为与它可能存在的状态数相等的一系列平行世界，其中每一个平行世界都会包含该物体的一个独一无二的状态。这一解释加深了理论物理学和量子物理学之间的联系。

如今，量子理论方面的研究仍在继续推进，其中部分理论已经进行了实验论证，并且被广泛用于现实生活中。量子理论的阶段性研究促进了现代量子科技的发展，同时也为日后的技术研发奠定了理论基础。

随着各国不断加大对量子科技方面的资金投入和政策支持，并将“瞄准量子科技，建设技术高地”列入本国的发展战略，量子科技便开始以“星火燎原”之势对社会结构和经济发展造成颠覆性影响。量子科技方面的竞技也已经上升到了国家层面，越来越多的国家竞相制定量子科技发展战略和专向计划，世界正式进入全面推动量子科技发展的战略竞争时代，量子科技方面的大国博弈日趋白热化，各大国及各组织都制定了相应的量子科技发展战略，在适应本国国家发展战略的同时又提出了一些创新型计划。

目前，美国在能源行业加大量子计算的融合创新，成立了首个能源行业量子计算联盟——量子未来电力系统升级计划，旨在“结合量子信息和量子计算的力量，专注开发新的量子模型、方法和算法”。为保证数据安全传输，欧盟各成员国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础设施，共同进行量子保密通信管理，从而确保敏感信息和数据的绝对安全。日本在量子保密通信科研方面投入力度巨大，与欧洲联合建立东京量子保密通信试验床网络并持续开展现网实验。

此外，量子计算机的研发和量子算法的提出也对世界产生了极大影响。相较于以往的计算机，量子计算机的运算速度更快。美国的超级计算机“顶点”，其运算峰值可达每秒20亿亿次。据估计，“顶点”运算一万年才能解决的问题，53个比特的量子计算机仅需200秒便可解决，极大地提升了算力。此外，量子计算机的初始化能力、可控能力、扩展能力、稳定能力和被测量能力更强，更能满足人们的日常生活需要。量子算法的提出则使实现人工智能算法成为了可能。现如今，机器自主学习算法帮助处理数据、进行测量已是常事，但在面对海量数据时，经典算法的计算能力不能满足生产生活需要，而量子算法超强的并行计算能力则解决了这一难题。

量子科技带来的技术红利和科技先进性为许多国家带来了财富效益和进行科技创新的机会，量子科技极佳的发展前景导致量子科技领域“你追我赶”的现象愈演愈烈。欧盟作为欧洲地区的重要组织之一，牵头制定了一系列量子技术发展战略。2020年3月3日，量子旗舰计划成员向欧洲委员会提交了一份战略研究议程文件（SRA），该文件围绕量子通信、量子计算、量子模拟、量子传感和计量等4个主要应用领域提出了未来短期、中期、长期的发展计划和预期成果，旨在加快量子旗舰计划在量子技术、创新和发展等各个方面的研究，并不断缩短和其他国家的发展差距。据此，各国政府对“快速发展量子科技、抢占技术制高点”战略的重视程度可见一斑，并且随着不断拓宽技术领域、加大理论研究力度，量子科技的应用范围势必会变得更广，其发展潜力不容小觑。

数字时代下，量子科技为世界带来了许多机遇。我们已经经历了两次量子革命带来的深刻变革，两次变革所带来的经济红利让我们清楚地认识到量子科技蕴含着非常巨大的能量，它不仅是推动数字经济快速发展的核心力量，同时也是加快信息领域变化扩大的关键技术。在看清量子信息技术发展对信息安全和计算通信等方面产生巨大冲击的同时，我们也要看清其快速发展背后所面临的窘境。

随着量子领域的相关研究不断深入推进，各个组织对高质量人才的需求量也在以指数形式逐年暴增，量子领域的研发计划迎来了瓶颈期。

2019年，英国启动《国家量子技术计划》的第二阶段。在此之前，英国量子技术战略咨询委员会曾发布一篇名为《国家量子技术战略》的量子科技战略路线图。在该战略中，英国计划10年内完成低成本的气体检测及非破坏性的生物显微镜的开发;5～10年内，完成抗干扰 GPS 精度级水下导航，实现环境监测、地震预测、民用工程地下设施及废弃物探测等应用;20～30年内，开发出解决复杂问题的个人量子计算系统和高性能、低功耗量子化协处理器。显然，储备高精尖技术人才是完成这些目标的一大关键因素，英国势必会在很长一段时间内都会极其需要高质量人才的技术支持。当然，人才短缺并不是只有英国才会面临的问题，其他组织和团队同样也有着极大的人才需求，各个领域的人才短缺现象已成为一个全球性难题，究其原因是人才储备方面出现以下几点问题。

量子旗舰计划成员向欧洲委员会提交的战略研究议程文件

IBM德国团队装配量子处理器

一是人才选拔限制了人才培养和发展，导致人才培养类型单一。比如，一些企业或团体对某类人才有超高需求，应聘者为谋取就业岗位，常会对照该企业的需求而发展自身能力，限制了其他能力的培养。

二是人才培养各领域之间联系不强，难以达到量子科技对多领域技术人才的需求。现如今，单一领域的高质量人才储备尚且充足，但是量子科技作为一个学科综合性极强的行业，涉及数学、物理、计算机科学、工程设计等多个学科，因此其对人才的知识水平有着很高要求。

三是人才质量不高，专业性、技能性人才严重短缺。人才质量的高低关乎着量子科技能否顺利研发、应用、普及，关乎着能否形成有机整体，加快进行顶层设计等几个关键战略发展方向。

因此，如何加快建设人才补给链是当下各国发展战略中必须要思考的一大问题。

面对难以横跨的人才断崖，各国首先要做的就是尽快加强高等院校在量子科技方面的教育，努力培养综合性强的高端技术人才，做好人才储备从而应对未来的研发建设需要。

量子科技作为一个新兴领域，许多方面的研究近乎为零，因此需要大量的资金投入以保证顺利展开对该领域的探索、充足的人才供给以作为持续研究相关技术的坚实基础、精密的设备场所以创造稳定观察实验结果的环境。量子科技领域的研发是一个漫长的过程，其在研发资金和科学团队方面的消耗与需求不容小觑，据相关数据发现，目前各国在量子领域的经费投入巨大，并且会出现资金投入不足的现象。

2013年，英国财政大臣 George Osborne 发起了英国国家量子技术计划。随后英国在其研究第一阶段投资2.7亿英镑，并预计在未来十年再投资10亿英镑。2018年12月12日，美国总统宣布计划在未来十年内斥资12.75亿美元用于量子科技研究。2020年6月，德国将量子科技研发资金增至20亿欧元。庞大的资金需求是开展量子科技研究的一大挑战。

人才短缺是量子技術研发的一大瓶颈

此外，实验设备、研发环境、科学团队等各类资源过于分散也是难以展开对量子领域研发探索的一大原因。因此，加大研发资金投入、加快联合现有资源、加紧进行相关设施建设是消除量子科技发展瓶颈的关键举措，各国应该做好“硬件”保障，从而确保顺利展开研究。

量子信息技术作为典型的交叉学科，许多学科之间相互交叉、融合、渗透，涉及到的知识领域相当宽泛，所需要的技术能力也十分专业。在探索这样一门学科时，单体的研发力量显得十分弱小，很难对多个领域同时展开研究探索，并且很难有阶段性成果。因此，合作便成为了突破量子技术研究难关的一大关键因素。

但如今，各国组织和研发机构之间的合作交流十分有限，未能做到技术互通、资源共享、共同研究等。究其原因，一方面是各国之间存在壁垒，不能互通技术;另一方面是没有可以进行国际交流合作的平台;再者是没有制定相关制度以增强各国之间技术联系。

因而，为了加快推进量子领域研究探索，弥补技术短板，加强国际合作、构建学术交流平台、交流沟通科研布局是非常有必要的。

虽然目前量子领域研发面临许多难题，但最主要的困难仍是人才短缺这一关键要素，没有高精尖技术人才这一强大支撑，任何研究都只是不切实际的空谈。

责任编辑：刘靖鑫