未来计算技术的心脏—量子科技

近年来，量子科技发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。全球多个国家也在量子科技领域持续投入，不断进行着顶层设计、战略投资和人才培养等。加快发展量子科技，对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。百度研究院量子计算研究所所长段润尧曾说：“量子计算是这一场新量子革命最具有代表性的技术，是未来计算技术的心脏。”今天我们就来看看量子科技的发展历程。

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量子力学发源于20世纪初

认识量子科技，还要从量子力学说起。量子力学发源于20世纪初，是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支。在上世纪40年代兴起第一次量子科技革命，催生了原子弹、半导体晶体管、激光器等重要成果。

那么，量子究竟是什么呢？正如“光年”表示的是距离而不是时间，量子不是一种微观粒子，而是物理学中一个物理量存在的最小不可分割的单位。比如，描述楼梯的台阶数量，不存在半个台阶的情况，一个台阶就是最小的单位。量子另一个最重要的特征是其概率性。这个特性与我们的日常理解也有区别，比如扔骰子时，每个面朝上的概率是六分之一，但这个概率是忽略了运动细节信息的结果，如果知道骰子的运动力学信息，是可以确定骰子的朝向结果。而在量子力学中，概率是实质性的。它使用的最基本的概念是“概率的开方”，称作“波函数”或者“概率幅”。波具有干涉效应，因此两种可能性叠加的概率不一定是原先两个概率相加。由此建立起来的量子力学，帮助我们理解了微观和宏观的很多事物，不仅包括最小、最微观的基本粒子到原子、分子，还包括宏观世界的天体和宇宙。比如它解释了化学中的元素周期表、化学反应、化学键、分子的稳定性等，都是在电子和原子核的电磁力作用下，由量子规律所导致。因此狄拉克在1929年就说：“整个化学所依赖的物理定律已经完全知道了。”很多天体物理过程，例如太阳这样的恒星发光，白矮星和脉冲星的存在，以及宇宙背景辐射，都是遵循量子力学的规律。太阳发出的中微子到达地球时，一部分变成其他类型的中微子，这本质上就是量子概率幅的振荡。

除此之外，量子力学还为信息革命提供了硬件基础。激光、半导体晶体管、芯片的原理都源自量子力学。量子力学也使得磁盘和光盘的信息存储、发光二极管、卫星定位导航等新技术成为可能。从X射线到电子显微镜、正电子湮没、光学和核磁共振成像等等，量子力学为材料科学、医学和生物学提供了分析工具。

近年来的第二次量子革命

近年来，基于对单个量子态的操控，量子科学技术又出现了新的方向和领域，迎来量子科技的第二次高潮，也可以说是第二次量子革命。而其中最重要的就是量子通信和量子计算。

量子通信是指使用量子态携带所要传送的信息，使用量子纠缠作为传输信道。两个处于纠缠状态的量子就像有“心灵感应”，无论相隔多远，一个量子状态变化，另一个也会随之改变，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。与传统通信方式相比，量子通信在高效信息传输、抗干扰能力等方面具有绝对优势， 是迄今为止唯一通过数学方式被严格证明的绝对安全的通信方式。近年来，我国在量子通信技术领域取得多项突破性进展。2016年8月，我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”；此后，科研人员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。今年以来，中国科学技术大学潘建伟团队等科研人员实现了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。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。

而量子计算则是通过巧妙地操纵量子叠加态，使用量子力学原理作为计算逻辑。基于量子纠缠的原理，量子计算机可以同时进行多条线路的并行运算，这意味着它可以同时分析所有可能性，这也是量子计算机超强信息处理能力的根源。通过巧妙地设计操作叠加态的演化过程，能够快速解决某些计算问题，比如破解在公开密钥加密和电子商业中被广泛使用的RSA加密算法。RSA算法依赖于两个素数乘积的极大数，换言之，这个极大数越难做因数分解，RSA算法就越可靠。当前最常用的2048位RSA密码，使用超级计算机破解需要约80年，而谷歌和瑞典斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的一项最新研究成果，演示了量子计算机如何用2000个量子位来计算，可以在8小时暴力破解2048位RSA密码。2007 年，加拿大初创公司D-WAVE宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机；之后，微软、谷歌、IBM、英特尔等巨头纷纷宣布进军量子计算机科研和应用领域。而国内，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，百度、本源量子等企业先后发布了自己的最新量子计算云平台，使普通用户也能通过云技术使用量子计算。

IBM将量子计算机连接至云端 图片来源：网易科技

对于量子计算研发路线，去年9月发布的《量子信息和量子技术白皮书（合肥宣言）》预测分为3个阶段：第一阶段是实现“量子优越性”，即针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，这一阶段性目标将在近期实现；第二阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统；第三阶段是实现可编程的通用量子计算机，这需要全球科技界的长期努力。“估计未来10—20年内，一批专用量子模拟系统将研发成功，用于催化化学反应模拟、高温超导材料制备等科研工作。”北京大学物理学院教授吴飙说，它们的运算效率比经典计算机高得多，所以这些领域的科研效率有望大幅提升，助力科学家研发出更多更好的新药、新材料等成果。

未来的量子科技

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。可以预见的是，随着5G基础设施的不断完善，以及科学家和工程师们不懈的努力和攻坚，我们将很快见证量子科技在更多的领域开花结果。

谈及量子领域未来的发展时，中国科学院院士、世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”首席科学家潘建伟说，第一方面，希望经过10到15年的努力，能够完整地发展天地一体广域量子的通讯网络技术体系。在这个基础上，在国防、政务、金融、能源等领域应用，为最后形成下一代国家信息安全生态系统奠定基础；第二，希望在量子计算方面，通过对数百个量子比特的相干操纵，能够对一些现实问题进行求解，能够超越目前的超级计算机，来解决一些重大科学问题；第三，希望通过10到15年的研究能够研发具备基本功能的通用量子计算原型机，来初步探索对密码分析、大数据分析等方面的相关应用。

中国科技大学教授、中国科学院院士潘建伟工作照 图片来源：光明日报

量子通信给我们的未来描绘了一幅令人遐想的图景。通过量子卫星与地面光纤网络构建新型的通信系统，通过与经典通信网络相融合，未来将可形成覆盖全球的广域量子通信网络，结合量子通信保密的特性，可以全面提升信息安全水平。而利用广域的量子通信网络，我们将可以发展出空间分辨率极高的望远镜技术，便于更大规模的宇宙探索；也可以构建高精度的光频率传递网络，精度相比现在的微波时频网络可以提高4个数量级。

量子计算以其强大的计算能力，更加便于对各种复杂系统的研究。在未来化学研发领域，量子计算在大幅减少研发时间、更少使用资源消耗和实现更高效环保工艺等方面存在巨大潜力。它可以帮助研发人员在很短时间内对复杂的化学反应过程进行数字模拟和评估，从而更加快速地获得很多关键知识。在医学领域中，需要大量的计算资源来模拟结构生物学及蛋白质结构，这也造成药物开发的过程相当复杂耗时。而量子计算机可以在短时间内绘制出数以万亿计的分子组合模式，迅速确定最有可能生效的组合，可以有效压缩新药物的研发成本与时间。我们都知道天气预报出现误差的情况很多，而这受困于当前分析温度和气压的计算速度追不上千变万化的大气运动。可以预见的是，未来天气预测的工作也会受益于量子计算。

近年来，包括美国、日本、欧盟等世界多国都明确通过政策支持与项目，积极布局量子通信研究与应用，我国也在多项科技与信息产业规划中将量子通信列为战略性新兴产业。作为未来计算技术的心脏，量子科技必将在军事、国防、金融、制药等关键领域展示其重大的应用价值和前景。

作者丨王磊 西安电子科技大学模式识别与智能系统硕士

审稿丨傅雪《科技导报》副编审

文章由腾讯“全民爱科学”团队推出

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