量子科技板塊引發(fā)關(guān)注 未來量子科技發(fā)展如何“補(bǔ)短板”?我國應(yīng)如何下好“先手棋”?

繼5G之后，又一個(gè)新鮮的名詞引起大家的關(guān)注——量子科技。

從頂層設(shè)計(jì)、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。但你如果想了解量子科技，在網(wǎng)絡(luò)上看到的又大多是各種玄而又玄、莫名其妙的說法，什么“沒有人懂得量子力學(xué)”“超時(shí)空的瞬間作用”“上帝不擲骰子”，越看越糊涂。你不禁會嘀咕：也許這么高深的東西，本來就超出了我的理解范圍?

實(shí)際上，量子科技離我們并不遙遠(yuǎn)。我們?nèi)粘Ｉ钪兴煜さ腖ED發(fā)光二極管、太陽能電池、顯微鏡、核磁共振等技術(shù)，皆有量子力學(xué)原理及其派生的相關(guān)技術(shù)的身影。

“疊加”與“糾纏”

什么是量子科技?可以先從反面的角度認(rèn)識一下什么“不是”量子科技。

“所有賣給普通老百姓的，能直接在線上線下的商店中，看到的明碼標(biāo)價(jià)的所有前綴中有‘量子’兩個(gè)字的科技產(chǎn)品或者服務(wù)，都不是量子科技。”河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授肖勇表示。

據(jù)介紹，量子科技到目前為止，還沒有任何成熟的可以大規(guī)模商用的產(chǎn)品落地。世界上也確實(shí)存在量子科技的產(chǎn)品，但它們的銷售對象是世界上極少數(shù)一些做科研的單位。

那么，到底什么是量子科技?

“現(xiàn)在我們說的量子科技主要是量子信息技術(shù)，它是量子物理與信息科學(xué)交叉的新生學(xué)科，其物理基礎(chǔ)是量子力學(xué)，這是一種有助于我們理解世間萬物的理論。”肖勇介紹。

了解量子力學(xué)，要先從一個(gè)基本的名詞——“量子”說起。

看到“量子”這個(gè)詞，許多人在“不明覺厲”之余，第一反應(yīng)就是把它理解成某種粒子。但我們?nèi)粘Ｒ姷降奈镔|(zhì)是由原子組成的，原子又是由原子核與電子組成的，原子核是由質(zhì)子和中子組成的。

難道量子是比原子、電子更小的粒子嗎?

“其實(shí)不是。”肖勇說，量子跟原子、電子根本不能比較大小，因?yàn)樗且粋€(gè)微觀的物理概念。正如“5”是一個(gè)數(shù)字，“3個(gè)蘋果”是一個(gè)實(shí)物，它們不是同一范疇的概念，無法比較。

“量子的意思是能量的最小單位。”肖勇舉例，統(tǒng)計(jì)人數(shù)時(shí)，可以有一個(gè)人、兩個(gè)人，但不可能有半個(gè)人、1/3個(gè)人。對于統(tǒng)計(jì)人數(shù)來說，一個(gè)人就是一個(gè)量子。如果某個(gè)東西存在最小的不可分割的基本單位，我們就說這個(gè)東西是“量子化”的。

除了量子化，微觀與宏觀世界還有很多不同。

“在宏觀世界中，牛頓經(jīng)典力學(xué)可以幫助我們理解和測算物體的運(yùn)動(dòng)、速度等規(guī)律。但在量子微觀世界中，許多規(guī)則卻與我們的認(rèn)知截然不同。”肖勇說，其中的兩個(gè)基本原理就是“疊加”和“糾纏”。

“疊加原理，最經(jīng)典的理論莫過于神秘莫測的‘薛定諤的貓’。”肖勇介紹，將一只貓關(guān)進(jìn)裝有少量鐳和氰化物的箱子里，如果鐳發(fā)生衰變，就會觸發(fā)機(jī)關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死;反之，貓就存活。在量子世界中，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，“可憐的”貓咪便處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)。“比如我手里有一支鋼筆，這支筆可以同時(shí)處于多個(gè)地點(diǎn)，既在保定又在石家莊。”

更為神奇的是，如果想要測量量子，它便從疊加狀態(tài)變?yōu)榇_定的狀態(tài)，就像是如果有人懷著好奇心去打開箱子，便只能看到一只死貓或者活貓。而“量子筆”的“分身術(shù)”也會消失，它只會出現(xiàn)在保定或石家莊其中一個(gè)地點(diǎn)。

一個(gè)量子可以“疊加”多種狀態(tài)，多個(gè)量子則會產(chǎn)生“糾纏”的奇妙反應(yīng)。

“根據(jù)量子理論，如果兩個(gè)量子之間形成‘糾纏態(tài)’，那么就會像雙胞胎的心靈感應(yīng)一樣，無論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)一個(gè)量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)也會‘瞬間’發(fā)生相應(yīng)變化。”肖勇說，量子糾纏是“量子隱態(tài)傳輸”的基礎(chǔ)，即把A地的一個(gè)粒子的狀態(tài)瞬間轉(zhuǎn)移到B地的另一個(gè)粒子上，如同科幻電影中的“超時(shí)空傳輸”，但這里傳輸?shù)牟皇橇Ｗ颖旧?，而是粒子的狀態(tài)，即傳輸?shù)膬H是信息。愛因斯坦曾把這一現(xiàn)象稱作“鬼魅般的超距作用”。

“被動(dòng)”到“主動(dòng)”

“五十年前，哪怕腦洞開得最大的預(yù)言家恐怕也無法想到現(xiàn)在幾十億人每天對著一塊小小的發(fā)光板上下劃拉。”肖勇說，現(xiàn)代社會碩果累累的技術(shù)成就，幾乎全都與量子理論有關(guān)。

量子理論的出現(xiàn)，在上世紀(jì)引發(fā)第一次量子革命，催生了現(xiàn)代信息技術(shù)。中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉曾在公開報(bào)道中介紹，基于量子理論，核能、激光、半導(dǎo)體等科技得以問世，進(jìn)而發(fā)展出計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)等重大應(yīng)用。

這些較傳統(tǒng)的科學(xué)技術(shù)，建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)之上，已經(jīng)發(fā)展比較成熟。進(jìn)入21世紀(jì)，量子科技出現(xiàn)了新的方向和新的生命力，正在迎來持續(xù)量子革命的第二次高潮，也可以說是第二次量子革命。

“兩次量子革命，最核心的差別在于我們?nèi)祟愒诹孔蛹夹g(shù)中的主觀能動(dòng)性。”有專家表示，以前，我們知道原子是量子的，原子的光譜，或者說能級，可以通過量子力學(xué)精確描述。于是，我們可以試圖在其中搜索一些有用的能級，用來構(gòu)建新型發(fā)光材料等。那時(shí)，人們只問量子理論能讓我們做什么，不去問為什么，只是被動(dòng)的觀測與應(yīng)用。

現(xiàn)在的情況卻大不一樣了。“隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們主動(dòng)操控量子態(tài)、量子效應(yīng)，利用‘疊加態(tài)’和‘糾纏態(tài)’創(chuàng)新量子技術(shù)和應(yīng)用。”肖勇說，就目前來說，在量子科技賽道上，世界上可以接近實(shí)用的量子科技有三個(gè)主要的應(yīng)用方向：量子通信、量子計(jì)算和量子精密測量。

其中，最快落地的項(xiàng)目就是量子通信。

“量子通信是各國優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)量子科技領(lǐng)域。”肖勇說，傳統(tǒng)的通信方式中，加密方式依靠的是計(jì)算的“復(fù)雜性”，有被竊聽的風(fēng)險(xiǎn)。而量子通信利用量子糾纏的特性，使其具有不可克隆、測不準(zhǔn)等“先天優(yōu)勢”。用量子做成的“密鑰”來傳遞信息，加密的內(nèi)容不會被破譯，竊聽者必然會被“抓包”。因此，量子通信被看作信息安全傳輸?shù)?ldquo;保護(hù)盾”，為破解信息加密“瓶頸”提供了解決方案。

“未來，量子通信將被廣泛應(yīng)用于軍事國防、政務(wù)、金融、電力、云服務(wù)等領(lǐng)域。量子安全U盾、量子安全TF卡、量子安全加密手機(jī)等個(gè)人化產(chǎn)品也會成為競爭點(diǎn)。”專家說。

而量子計(jì)算也因其在數(shù)據(jù)處理能力上的顛覆性而備受關(guān)注。

“傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，其基礎(chǔ)的原理都是二極管和邏輯門，也就是只能表示0和1兩種情況，只能儲存2的N次方當(dāng)中的任何一個(gè)。”肖勇說，但得益于量子疊加的特性，量子計(jì)算可以儲存2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，可以一次對2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

此外，相對“小眾”的量子測量，近年來隨著超高精度低成本的傳感器、生物探針、導(dǎo)航器件等關(guān)鍵器件需求量增長，也逐漸升溫。

“可以說，量子科技就是人類科學(xué)認(rèn)知的極限。”專家表示，科技發(fā)展到今天，我們看到的世界，僅僅是整個(gè)世界的5%。這和1000年前人類不知道有電場、磁場，以為天圓地方是一樣的。隨著量子科技的發(fā)展，指不定哪一天暗物質(zhì)、暗能量都能得到解釋。

“領(lǐng)先”和“短板”

近年來，量子科技發(fā)展突飛猛進(jìn)，成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域。加快發(fā)展量子科技，對促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展、保障國家安全具有非常重要的作用。

專家表示，量子科技在未來不但能使我們計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力提高，通信更快，還會使傳感技術(shù)更靈敏，信息精度越來越精確。

經(jīng)過多年努力，中國已崛起為國際量子科研版圖上的重要力量，在多個(gè)戰(zhàn)略方向上實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑或進(jìn)入第一陣營。

其中“墨子號”無疑是最具有代表性的成果。

據(jù)報(bào)道，“墨子號”于今年6月實(shí)現(xiàn)全球首次千公里級量子糾纏密鑰分發(fā)。這一實(shí)驗(yàn)成果將無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個(gè)數(shù)量級，并通過物理原理，確保即使在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下依然能實(shí)現(xiàn)安全的量子保密通信，取得了量子保密通信現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的重要突破。

按預(yù)定規(guī)劃，中國將陸續(xù)發(fā)射“墨子二號”“墨子三號”，到2025年前后構(gòu)建起全球首座由中國主導(dǎo)的量子星群。未來量子通信工程應(yīng)用、量子通信產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，均可全球領(lǐng)先。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，世界各個(gè)科技發(fā)達(dá)國家正群雄逐鹿。

IBM、谷歌、微軟等企業(yè)通過不同技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)對更多量子比特的操縱。去年10月，谷歌研究人員稱，已成功演示“量子霸權(quán)”，讓量子系統(tǒng)花費(fèi)約200秒完成傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)要1萬年才能完成的任務(wù)。

“對于量子計(jì)算業(yè)內(nèi)有一個(gè)共識：誰先奪取‘量子霸權(quán)’，誰就掌握了技術(shù)制高點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)和輿論主導(dǎo)權(quán)，在產(chǎn)業(yè)競爭中占據(jù)有利地位。”肖勇說，這也是IBM、英特爾等巨頭急于搶占賽道的原因。

為搶占量子技術(shù)革命的制高點(diǎn)，我國也在奮起直追。去年年底，我國學(xué)者與德國、荷蘭的科學(xué)家合作，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算，在四大關(guān)鍵指標(biāo)上均大幅刷新國際紀(jì)錄，逼近實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算研究的重要目標(biāo)“量子霸權(quán)”。

而在企業(yè)方面，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(jì)算研究計(jì)劃。今年9月，中國企業(yè)自主研發(fā)的6比特超導(dǎo)量子計(jì)算云平臺正式上線，全球用戶可以在線體驗(yàn)來自中國的量子計(jì)算服務(wù)。

但也有專家表示，目前，我國量子計(jì)算與美國還有差距，受限于技術(shù)難度，量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化仍長路漫漫。

“總體上看，我國量子科技發(fā)展已經(jīng)具備了在量子科技領(lǐng)域的科技實(shí)力和創(chuàng)新能力，但也存在不少短板。”肖勇說，比如支撐設(shè)備、關(guān)鍵核心元器件等方面的發(fā)展就面臨諸多挑戰(zhàn)。

量子科技發(fā)展如何“補(bǔ)短板”?我國應(yīng)如何下好“先手棋”?

業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，在量子科技領(lǐng)域下好“先手棋”，我國科學(xué)家要把握住第二次量子革命的機(jī)遇。第一次量子革命已經(jīng)對人類產(chǎn)生了非常重大的影響，我國第一次量子革命起到的作用較小，第二次量子革命正當(dāng)其時(shí)，量子領(lǐng)域每一個(gè)人都大有可為。在這個(gè)技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用之前，要積極做好基礎(chǔ)研究，未來一定會取得重大突破。 (河北日報(bào)記者 王璐丹)

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