日前，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉(ju) 行第二十四次集體(ti) 學習(xi) 。量子科技成為(wei) 輿論關(guan) 注的熱點話題。這一引發廣泛熱議的新晉“網紅”究竟是“何方神聖”，為(wei) 何會(hui) 受到全世界高度關(guan) 注，在現實生活中又有何應用前景？經濟日報記者帶您一起走近量子科技。

　　認識量子科技先要從(cong) 量子說起。量子是什麽(me) ？根據量子理論，量子是構成物質的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。一個(ge) 事物如果存在最小不可分割的基本單位，我們(men) 就可以說它是量子化的，並把最小單位稱為(wei) 量子。所有人們(men) 熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現形態。

　　什麽(me) 是量子

　　中國科學院物理所研究員曹則賢在2020年跨年科學演講中曾打過這樣一個(ge) 比方：我們(men) 生活中可以見到的、感知到的事物，包括光與(yu) 能量的最小單位都能稱之為(wei) 量子。就像我們(men) 遠處看魚群是烏(wu) 泱烏(wu) 泱的一片黑，但是放大了看就是一條條魚，這就可以說是魚群的量子。

　　中國科學技術大學副研究員、科普專(zhuan) 家袁嵐峰在媒體(ti) 上這樣撰文解釋：量子的本意是個(ge) 數學概念，簡言之就是“離散變化的最小單元”。什麽(me) 叫“離散變化”？袁嵐峰這樣撰文解釋：我們(men) 統計人數時，可以有一個(ge) 人、兩(liang) 個(ge) 人，但不可能有半個(ge) 人、三分之一個(ge) 人。我們(men) 上台階時，隻能上一個(ge) 台階、兩(liang) 個(ge) 台階，不能上半個(ge) 台階、三分之一個(ge) 台階。這些就是“離散變化”。對於(yu) 統計人數來說，一個(ge) 人就是一個(ge) 量子。對於(yu) 上台階來說，一個(ge) 台階就是一個(ge) 量子。如果某個(ge) 東(dong) 西隻能離散變化，我們(men) 就說它是“量子化”的。

　　與(yu) 我們(men) 認識的宏觀世界不同，人們(men) 發現在量子這一微觀世界中許多實驗現象違背常識，完全無法用經典物理學詮釋。比如，根據經典物理學，一個(ge) 客體(ti) 的狀態(用0和1表示)就像最簡單的二進製開和關(guan) ，隻能處於(yu) 開或者關(guan) 中的某一個(ge) 狀態，即要麽(me) 是0要麽(me) 是1，這就好比一隻貓，要麽(me) 是生要麽(me) 是死，不能同時“又生又死”。

　　然而，這一理論並不適用於(yu) 量子世界。在量子世界中，一隻貓可以處於(yu) 又生又死的疊加狀態。這種所謂的量子相幹疊加正是量子世界與(yu) 經典世界的根本區別。更為(wei) 神奇的是，這種疊加狀態極其脆弱，一旦有人去測量，它就會(hui) 立刻從(cong) 疊加狀態變為(wei) 確定狀態。

　　美國物理學家、諾貝爾獎獲得者穆雷·蓋爾曼曾發出如是感慨：量子力學是一個(ge) 神秘的、令人捉摸不透的學科，我們(men) 誰都談不上真正理解，隻是知道怎樣去運用它。

　　量子通信無條件安全

　　雖然聽起來很神秘，其實量子科技距離我們(men) 並不遙遠。比如，信息時代的關(guan) 鍵核心技術，晶體(ti) 管、固態硬盤、掃描電子顯微鏡等，即是第一代量子技術的代表性成果。今天，量子科技發展具有重大科學意義(yi) 和戰略價(jia) 值，將引領新一輪科技革命和產(chan) 業(ye) 變革方向。

　　中國科學院物理研究所研究員範桁介紹，量子科技主要包含三方麵內(nei) 容，量子計算、量子保密通信與(yu) 量子精密測量。其中，量子保密通信主要表現為(wei) 量子秘鑰分發。量子精密測量主要以利用量子效應實現超越經典方法的精密測量為(wei) 主，具有廣泛應用價(jia) 值。量子計算是量子科技重要組成部分，也是最具挑戰的目標，被認為(wei) 是下一代信息產(chan) 業(ye) 製高點，意義(yi) 重大。這三方麵內(nei) 容也是世界各國量子計劃的主要組成部分。

　　目前，應用最為(wei) 成熟的當屬量子通信。所謂量子通信，簡單說就是利用量子力學相關(guan) 原理解決(jue) 信息安全問題的通信技術。其中，一個(ge) 著名原理就是量子糾纏。一般情況下，量子體(ti) 係中一個(ge) 物理量的值並不能預先確定，而是依賴於(yu) 采取何種測量基；進一步，對處於(yu) 量子糾纏的兩(liang) 個(ge) 粒子，對其中一個(ge) 粒子的測量結果會(hui) 瞬間確定另一個(ge) 粒子的狀態，不論它們(men) 相距多麽(me) 遙遠。這一被愛因斯坦稱作“鬼魅般的超距作用”，便是量子通信的理論基礎。

　　傳(chuan) 統通信方式建立在加密算法或者加密技術基礎之上，如果計算能力足夠強大破解了加密算法，就有被竊聽風險。量子的獨有特性，使其具有不可克隆、測不準等“先天優(you) 勢”。用量子做成的“密鑰”來傳(chuan) 遞信息，加密內(nei) 容不會(hui) 被破譯，竊聽者必然會(hui) 被“抓包”，這為(wei) 破解信息加密“瓶頸”提供了解決(jue) 方案。

　　向著安全通信的夢想努力奔跑——我國於(yu) 2016年8月份發射的“墨子號”量子科學實驗衛星，在2017年星地量子密鑰分發的成碼率已達到10千比特/秒(kbps)量級，成功驗證了星地量子密鑰分發的可行性。目前，經過係統優(you) 化，密鑰分發成碼率已經達到100千比特/秒(kbps)量級，具備了初步實用價(jia) 值。

　　1120公裏！2020年，“墨子號”量子科學實驗衛星再立新功：科學家們(men) 利用“墨子號”作為(wei) 量子糾纏源，向遙遠的兩(liang) 地分發量子糾纏，在國際上首次實現了千公裏級基於(yu) 糾纏的量子密鑰分發——為(wei) 量子通信走向現實應用奠定了重要基礎。

　　“量子通信克服了經典加密技術內(nei) 在的安全隱患。因為(wei) ，其安全性不依賴於(yu) 計算複雜度，這是原理上無條件安全的一種通信方式。”中國科學院院士潘建偉(wei) 稱。

　　量子計算潛力無限

　　除了量子保密通信，科學家們(men) 密切關(guan) 注的另一個(ge) 重要應用是量子計算機。

　　在古代，人們(men) 就已製造出了可作一定計算的器具與(yu) 機器。比如，中國發明的算盤，歐洲早期發明的各種計算器械。現代意義(yi) 上世界第一台計算機名為(wei) 埃尼阿克，它重達27噸，占地150多平方米，在1945年建造成功，目的是計算炮彈彈道。馮(feng) 諾依曼1945年明確提出了存儲(chu) 程序通用計算機方案，規劃了電子計算機架構，使得計算機可以被廣泛應用。

　　“但是，現有計算機基於(yu) 微處理器芯片摩爾定律，這無疑會(hui) 碰到技術瓶頸，於(yu) 是人們(men) 開始思考建造一種全新計算機——量子計算機。”根據範桁的介紹，量子計算機的運行遵循量子力學原理，以量子比特為(wei) 基本信息單元，以量子糾纏、相幹疊加和量子測量為(wei) 特色，其發展也將遵循經典計算機類似的軌跡。“不過，我們(men) 現在看到的量子計算機原型機功能比較單一，隻能模擬某些特定量子過程，或者解決(jue) 某些簡單問題。”範桁說。

　　如果世界上有量子計算機，我們(men) 現有經典計算機能否實現其功能？範桁分享了國際科研進展。2019年，穀歌宣布實現了53個(ge) 量子比特的超導量子計算，在處理隨機線路采樣問題時，其200秒完成的任務經典計算機要用一萬(wan) 年。目前，超導量子處理器芯片已達到50個(ge) 至100個(ge) 量子比特，用經典計算機模擬其功能需要用天河或者太湖之光這樣的超級計算機。“多增加一個(ge) 量子比特，經典計算機資源就需要翻番，這個(ge) 競爭(zheng) 將不具有持續性。因此，量子計算機的功能不可能用經典計算機來替代。”範桁表示。

　　不僅(jin) 如此，與(yu) 經典算法相比，人們(men) 已知運行於(yu) 量子計算機的某些量子算法具有明顯優(you) 勢。比如，肖爾算法和格羅夫量子搜索，它們(men) 都在信息安全方麵具有重要應用，這些算法的實用化運行將迅速對現有信息安全體(ti) 係造成全麵衝(chong) 擊。在實用性方麵，量子搜索算法可以期望應用於(yu) 大數據；量子退火算法可以應用於(yu) 優(you) 化問題，比如物流和交通優(you) 化等；量子模擬可以被應用於(yu) 量子化學和量子物理研究，比如生物合成和藥物篩選等；量子模擬向量網絡態可應用於(yu) 機器學習(xi) 和神經網絡等。

　　既然如此強大，量子計算機何時能從(cong) 夢想照進現實？範桁坦言，量子計算機的研究剛剛起步，距離實用化需要的成千上萬(wan) 個(ge) 量子比特仍有較大距離。此外，量子計算機的建造兼具工程與(yu) 科學特色，不可控因素較多，技術上也有瓶頸需要克服。因此，需要各領域專(zhuan) 家聯合攻關(guan) ，在集中資源重點突破的同時，兼顧多種技術路線。

　　比如，IBM等高科技公司逐漸擺脫了單純科研探索模式，以實用化、集成和綜合性為(wei) 目標，其研發涵蓋軟硬件各個(ge) 方向，實現方案大多選擇了超導量子計算方案，以提供雲(yun) 量子計算服務，培養(yang) 量子計算生態作為(wei) 一個(ge) 重要的目標。中國科學家在超導量子計算方麵也有世界性先進成果：中國科學院物理研究所、浙江大學和中國科大等合作，在去年實現了20超導量子比特的薛定諤貓態製備，創造了固態係統糾纏量子比特數世界紀錄。“長期來看，量子計算機功能強大，是下一代信息技術製高點，有望影響人類生活的方方麵麵，國際競爭(zheng) 不可避免。”範桁說。