量子技术应用蓄势待发

李伟

未来几年是量子技术发展、商业化水平提升、产业合作格局完善的重要阶段。那么，抽象的量子理论和量子技术，究竟有哪些实际应用？将如何影响我们的生活？

量子通信卫星CAPSat

IBM公司的量子计算机

蕴藏巨大商业价值

据日本共同社报道，日本理化学研究所牵头研发的日本首台量子计算机，于4月27日正式投入应用，日本各界的研究人员可以通过云端使用这台设备。日本也由此成为全球为数不多的几个拥有量子计算机的国家。

与美国谷歌公司和IBM公司开发的量子计算机类似，日本首台量子计算机也采用在极低温度下电阻为零的超导回路，制造出用于计算的基本信息单位——量子比特，其量子比特数为64个。IBM公司在2021年推出了拥有27个量子比特的量子计算机。该公司今年计划建造一台拥有1000个量子比特的新型量子计算机，大幅提升运算能力。

根据波士顿咨询集团（BCG）发布的报告，量子技术蕴藏着巨大的商业价值，其应用在未来15—30年的市场规模为4500亿—8500亿美元。今年，美国、英国、中国和日本等国都投入大量资金加快发展量子技术。未来几年是量子技术发展、商业化水平提升、产业合作格局完善的重要阶段。

从量子传感器到量子计算机

抽象的量子理论和量子技术，究竟有哪些实际应用？将如何影响我们的生活？美国《连线》杂志列举了几个重要方面。

首先是量子传感器。它具有广泛的用途，包括增强成像、辅助雷达进行探测，以及在卫星导航系统不可用的环境中实现精确制导。

有了量子传感器，就可以对时间，物体加速度，磁场、电场及重力场的变化进行高精度探测，从而精确地追踪物体的运动轨迹。只要物体的起点已知，那么其在未来某一时刻的确切位置就是已知的，不需要卫星导航信号的支持，探测过程也不会受到干扰。量子传感器的这些特性，可以广泛应用于军事领域和民用交通领域。

量子传感器的另一项重要应用被称为“鬼成像”和“量子照明”。所谓“鬼成像”，就是借助量子的特性来观测遥远的物体。在非常微弱的光线下，远处的目标往往难以进行观测。“量子照明”设备可以穿透烟雾和云层，将远处的物体成像。

其次是量子通信。量子理论在通信领域的主要应用是量子密钥分发（QKD）——在两个通信方之间使用的一种加密形式。通信方将其信息编码为光子进行传输。由于光子具有量子特性，任何窃密者试图截获使用QKD编码的信息时，都会因留下痕迹而被有效反制。因此，量子通信被认为是不可破解的。由美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和加拿大滑铁卢大学合作开发的量子通信卫星CAPSat，已进入太空轨道运行，旨在测试量子通信的实际应用效果——量子通信很快将成为现实。

最后是量子计算机。它并不是能够取代现有二进制计算机的“全能型超级计算机”。量子计算的基本特征是：量子比特的数量增加后，其计算能力将呈指数级增长。这种“指数加速”的性能具有广泛的应用前景。

对于由分子构成的物质来说，分子不同的排列及配置方式，可呈现不同的性能，而排列和配置方式的数量是巨大的。强大的量子计算机可以模拟并评估分子排列和配置方式，从而显著加速相关领域的研究。

大多数新药都要通过反复试验才能最终确定分子构成。从开始开发到进入临床试验，每种新药的平均研发时间为13年，成本高昂。如果使用量子计算机模拟药物的分子构成，而不是通过实验室进行测试，就可以大幅缩短研发时间，降低研发成本。

医疗保健巨头瑞士罗氏集团近日宣布，与英国剑桥量子计算公司建立了合作关系，以支持治疗阿尔茨海默病的研究工作；合成生物学公司Menton AI与量子技术公司D-Wave合作，探索量子计算机如何帮助设计具有治疗疾病作用的新型蛋白质。

肥料对于养活全球不断增长的人口至关重要。全球一半以上的食品生产，依赖于由哈伯-博施工艺生产的合成氨肥料。该工艺能够将氢和氮转化为氨。然而，在这个过程中会产生巨大的碳排放量（占全球碳排放总量的2%—5%）。科学家相信，使用量子计算机可以检测出某些细菌的化学成分，这些细菌能够生成肥料。这一工艺有望替代哈伯-博施工艺，成为合成肥料的主要生产方式。

在向绿色经济转型的过程中，全球各国都在推动电池驱动的车辆的生产和应用。现有的电动车电池容量及续航里程有限，且充电时间较长。在寻找具备更好性能的电池材料的过程中，量子计算机可以在分子模拟方面提供帮助。德国汽车制造商戴姆勒公司正在与美国IBM公司合作，评估量子计算机如何模拟硫分子在不同环境中的特性，其最终目标是制造供电更持久、造价更便宜的锂硫电池。

除了以上应用，量子计算机还能帮助物流业优化路线，这是一个新兴的研究领域，有望解决全球物流运输业长期面临的问题。对于一支商业运输船队来说，是否能够合理地规划每一艘船的运输线路，关系到这支船队能否产出应有的产值。

了解量子理论如何影响生活

据英国《新科学家》杂志报道，事实上，量子理论及其应用并非遥不可及，而是早已深入人们生活的方方面面。例如，如果你注意烤面包机中的加热元件，就能观察到量子力学的应用：红色的光闪动的过程，就是电能在量子的作用下转化为热能的过程。

像这样的例子还有很多：计算机芯片以及其他现代科技产品采用的芯片，其核心晶体管通过半导体工作，其中电子的运动遵循量子力学原理；LED（发光二极管）屏幕由两层半导体制成，它们相遇并释放能量；激光器通过一种基于光子的光学放大模式产生单色光；磁共振成像系统利用氢原子核的自旋转工作；无处不在的全球卫星定位系统，其卫星使用原子钟，利用量子理论和相对论原理来测量时间和距离；在白炽灯泡中，电流流过细灯丝使其变热、发光，从而产生可见光——以上过程都涉及量子运动，有效控制这种运动，就能得到人们想要的结果。

“鬼成像”技术演示装置

另外，几乎所有人都使用過数码相机或手机上的相机，这些相机用镜头收集并传输光子，再利用光子的量子特性，通过半导体将光子转换为数字图像。

编辑：姚志刚  winter-yao@163.com