量子科技，人類“新物理革命”

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繼5G之后，又一個新鮮的名詞引起大家的關(guān)注——量子科技。從頂層設(shè)計、戰(zhàn)略投資再到人才培養(yǎng)……近年來，全球多國在量子科技領(lǐng)域持續(xù)投入。那么什么是量子科技？未來將如何應(yīng)用在現(xiàn)實生活中？

量子：微觀世界里的奇妙“疊加”與“糾纏”

量子是什么？根據(jù)量子理論，量子是最小的、不可再分割的能量單位。在我們?nèi)粘Ｉ畹暮暧^世界里，物體的位置、速度等，都可以通過經(jīng)典力學(xué)精確測算。但在微觀量子世界里，卻有著截然不同的奇妙物理規(guī)則，最有代表性的是“疊加”與“糾纏”。

在宏觀世界，任何物體在某一時刻都有確定的狀態(tài)和位置。但在微觀世界，量子卻同時處于多種狀態(tài)和多個位置的“疊加”。物理學(xué)家薛定諤曾用一只貓比喻量子疊加：箱子里有一只貓，在宏觀世界中它要么是活的，要么是死的。但在量子世界中，它可以同時處于生和死兩種狀態(tài)的疊加。如果用一個人來比喻，他不僅同時處于生和死兩種狀態(tài)的疊加，還可以同時身處多個地點，比如既在北京又在上海。

更難以想象的是，量子的狀態(tài)還經(jīng)不起“看”：如果你去測量，它就會從多個狀態(tài)、多個位置，變成一個確定的狀態(tài)和位置了。也就是說，如果你打開“薛定諤的箱子”，貓的疊加態(tài)就會消失，你會看到一只活貓或一只死貓。而“量子人”的“分身術(shù)”也會消失，他會出現(xiàn)在北京或上海。疊加已經(jīng)很奇妙，但當兩個量子“糾纏”在一起，那種奇怪連愛因斯坦都難以接受。根據(jù)量子理論，如果兩個量子之間形成“糾纏態(tài)”，那么無論相隔多遠，當一個量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個也會“瞬間”發(fā)生相應(yīng)變化。愛因斯坦曾把這一現(xiàn)象稱作“鬼魅般的超距作用”。量子力學(xué)這些“違背常理”的特點，在一百多年里不斷獲得實驗支持，催生了許多重大發(fā)明——原子彈、激光、晶體管、核磁共振、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等，改變了世界面貌。

而量子科技則是量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的新學(xué)科，是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，把量子系統(tǒng)“狀態(tài)”所帶有的物理信息，進行信息編碼、計算和傳輸?shù)娜滦畔⒓夹g(shù)，主要包括量子通信和量子計算兩個領(lǐng)域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態(tài)、遠距離量子通信的技術(shù)，等等。

用更通俗的話來說，現(xiàn)有信息技術(shù)無法做到的，量子科技能做到。

崛起：各國搶占的戰(zhàn)略技術(shù)高地

在量子信息技術(shù)中，具有代表性的是量子通信和量子計算。這也是各主要科技大國重點搶占的戰(zhàn)略技術(shù)高地。量子信息技術(shù)是量子力學(xué)的最新發(fā)展，代表了正興起的“第二次量子革命”。

經(jīng)過30多年努力，中國已崛起為國際量子科研版圖上的重要力量，在多個戰(zhàn)略方向上實現(xiàn)領(lǐng)跑或進入第一陣營。近年來，我國多次創(chuàng)造量子比特糾纏數(shù)量的世界紀錄;發(fā)射世界首顆量子實驗衛(wèi)星“墨子號”，實現(xiàn)千里糾纏、星地傳密、隱形傳態(tài)三大科學(xué)目標;開通世界首條量子保密通信干線“京滬干線”，實現(xiàn)世界首次洲際量子保密通信。特別是今年以來，在量子通信領(lǐng)域中國學(xué)者“捷報頻傳”。3月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊等研究人員實現(xiàn)了500公里級真實環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(fā)和相位匹配量子密鑰分發(fā)，傳輸距離達到509公里，創(chuàng)造了新的世界紀錄。9月，郭光燦院士團隊與奧地利同行合作，首次實現(xiàn)了高保真度的32維量子糾纏態(tài)，顯著提高了量子通信的信道容量。

國際社會紛紛加大研發(fā)力度和投入，力爭搶占技術(shù)制高點。日本2013年就計劃未來10年投入400億日元研發(fā)量子信息技術(shù)。英國2014年設(shè)立“國家量子技術(shù)計劃”，每年投資2.7億英鎊用于建立量子通信、傳感、成像和計算四大研發(fā)中心。歐盟2016年宣布了預(yù)算10億歐元、為期十年的“量子技術(shù)旗艦計劃”。目前，全球量子技術(shù)最領(lǐng)先的是美國，近10年來每年投入約2億美元用于各細分領(lǐng)域的研究，2018年還幾乎在10年內(nèi)撥款12.75億美元全力推動量子科學(xué)發(fā)展。最新動向是在10月7日，白宮科學(xué)和技術(shù)政策辦公室啟用了國家量子協(xié)調(diào)辦公室的官方網(wǎng)站，同時發(fā)布了《量子前沿報告》。

此外，在量子計算賽道，谷歌、微軟、英特爾等西方科技企業(yè)擁有先發(fā)優(yōu)勢，通過不同技術(shù)路徑不斷實現(xiàn)對更多量子比特的操縱。中國研究人員也在量子計算方面奮起直追。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)等高校近年來都在量子計算領(lǐng)域取得一些階段性成果。百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業(yè)也相繼出臺了量子計算研究計劃。今年9月，百度、本源量子等企業(yè)先后發(fā)布了自己的最新量子計算云平臺，使普通用戶也能通過云技術(shù)使用量子計算。

趨勢：已進入“產(chǎn)業(yè)化前夜”

近年來，量子科技發(fā)展突飛猛進，成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域。量子科技將會如何發(fā)展？該如何發(fā)展？

清華大學(xué)副校長、中國科學(xué)院院士薛其坤表示：“量子科技在未來不但使計算機的計算能力提高，通信更快，（還有）傳感技術(shù)更靈敏，信息的精度越來越精確，這方面都會有大幅提高，也就是說對整個未來的數(shù)字技術(shù)，（量子技術(shù)）它是起到一個真正革命性的支撐作用，其他技術(shù)都是漸進性發(fā)展。”

“量子科技并非像區(qū)塊鏈這樣一個技術(shù)革新或者新技術(shù)的應(yīng)用，它實際上是從底層向上基礎(chǔ)研究的一個方向，會使得所有的技術(shù)都會要跟著產(chǎn)生變革。新興技術(shù)一定會帶來重大的沖擊，目前才剛剛開始。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)韓正甫教授表示。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭國平表示：“發(fā)展量子科技，決不能只停留在做幾個樣品、發(fā)一些論文、開幾次會上。真正要把它用起來，用來滿足用戶的需求，才能夠起到增強國力、保持競爭優(yōu)勢的效果?！?/p>

當前，量子科技已進入“產(chǎn)業(yè)化前夜”。展望未來，量子計算有望為藥物研發(fā)、能源勘探、金融分析、氣象預(yù)報等大規(guī)模計算提供全新方案;量子測量發(fā)揮測量精度、靈敏度優(yōu)勢，有望在科研、醫(yī)療、能源、災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域大顯身手;量子通信融合量子計算技術(shù)，構(gòu)成高速、安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，與人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)相結(jié)合，可為人類生活增添無限可能。

（本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)報道綜合整理）