搶抓量子科技發展機遇 中國已按下“快進鍵”

量子科技 中國“快進”

　　中國科學家開展無人機夜試，進行量子糾纏分發實驗。新華社發

科研人員在中國科學技術大學先進技術研究院量子通信“京滬幹線”總控中心工作。新華社發

在量子科技領域，一場激烈的競賽正在展開。量子通信、量子計算、量子測算……如今，量子科技已成為全球科技大國集中發力的新一輪科技革命和産業變革前沿陣地。

搶抓量子科技發展機遇，中國已按下“快進鍵”。專家指出，作為事關國家安全和社會經濟高品質發展的戰略性領域，量子科技的創新主動權和發展主動權要牢牢掌握在自己手中。

神奇的“糾纏”和“疊加”

量子指的是物質不可再分的基本單元。通俗來説，如果把能量等物理量一份份往下分，分到無法再分的小塊就是量子。例如，光量子就是光能量的基本單元，不可能再分為半個、1/3個光子。事實上，我們在物理課上所學到的分子、原子、電子等，都是量子的不同表現形式。

1900年，德國物理學家馬克斯·普朗克提出量子理論，開啟了研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支。120年來，全球幾代科學家孜孜以求，在量子理論、量子科技及其應用等領域開疆拓土。

在宏觀世界中，牛頓經典力學可以幫助我們理解和測算物體的運動、速度等規律。但在量子微觀世界中，許多規則卻與我們的認知截然不同。其中的兩個基本原理就是“疊加”和“糾纏”。

疊加原理，最經典的理論莫過於神秘莫測的“薛定諤的貓”。根據量子力學理論，物質在微觀尺度上可以同時存在多種狀態和多個位置的“疊加”。

為了解釋疊加狀態，奧地利物理學家薛定諤在1935年提出了經典理論：將一隻貓關進裝有少量鐳和氰化物的箱子裏，如果鐳發生衰變，就會觸發機關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，由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加，“可憐的”貓咪便處於死貓和活貓的疊加狀態。

更為神奇的是，如果想要測量量子，它便會從疊加狀態變為確定的狀態，就像是如果有人懷著好奇心去打開箱子，便只能看到一隻死貓或者活貓。

一個量子可以“疊加”多種狀態，多個量子則會産生“糾纏”的奇妙反應。兩個處於量子糾纏狀態的粒子，就像雙胞胎的心靈感應一樣。無論相隔多遠，當一個量子的狀態發生變化，另一個量子也會超“瞬間”發生變化。對於詭異的糾纏現象，愛因斯坦在當時也難以作出解釋，將其稱之為“鬼魅般的超距作用”。

量子理論誕生一百多年來，催生了許多重大發明，核能、鐳射、半導體等科技得以問世，進而發展出電腦、網際網路、手機等重大應用，改變了人類文明進程。今天，量子科技發展具有重大科學意義和戰略價值，是一項對傳統技術體系産生衝擊、進行重構的重大顛覆性技術創新，將引領新一輪科技革命和産業變革方向。

量子通信“墨子”領跑

2016年8月，中國發射了自主研製的世界上首顆空間量子科學實驗衛星——“墨子號”。《自然》雜誌曾評價道，在量子通信領域，中國用了不到10年的時間，由一個不起眼的國家發展成為現在的世界勁旅，將領先於歐洲和北美。

量子通信是各國優先發展的重點量子科技領域。傳統的通信方式中，加密方式依靠的是計算的“複雜性”，有被竊聽的風險。而量子的獨有特性，使其具有不可克隆、測不準等“先天優勢”。用量子做成的“密鑰”來傳遞資訊，加密的內容不會被破譯，竊聽者必然會被“抓包”。量子通信因此被看作資訊安全傳輸的“保護盾”，為破解資訊加密“瓶頸”提供了解決方案。

近年來，中國量子通信技術取得多項突破性進展。“墨子號”的發射為通過太空“量子傳密”提供了可能。實驗表明，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比地面光纖信道高1萬億億倍，衛星平均每秒發送4000萬個信號光子，一次實驗可生成300千比特(kbit)的密鑰，平均成碼率達1.1千比特/秒(kbps)。

與此同時，中國科研人員還利用量子衛星在國際上率先成功實現了千公里級的星地雙向量子糾纏分發等成果。2017年，全球首條量子保密通信骨幹網“京滬幹線”項目通過總技術驗收。

今年，中國科學家在量子通信領域同樣取得諸多成果——

3月，中國科學技術大學潘建偉團隊等研究人員實現了500公里級真實環境光纖的雙場量子密鑰分發和相位匹配量子密鑰分發，傳輸距離達到509公里，創造了新的世界紀錄。

5月，中國科研團隊在國際物理學權威期刊《現代物理評論》上發表論文，系統闡述了量子密碼的原理、理論和實驗技術，為量子密碼的廣泛應用以及標準化制定奠定了基礎。

今年9月，郭光燦院士團隊與奧地利同行合作，首次實現了高保真度的32維量子糾纏態，顯著提高了量子通信的信道容量，創造了當前世界最高水準。

量子計算搶佔先機

量子計算同樣是各國競相佈局的量子科技領域。

與傳統電腦相比，量子電腦有獨特優勢。傳統電腦的運算單位比特只有0和1兩種狀態。而在量子電腦裏，由於量子疊加態的存在，1個量子比特可同時記錄0和1兩個狀態。如果電腦操縱的量子數目增多，就會以指數級增長提升電腦的運算速度，計算能力潛力巨大。

隨著運算能力的提升，社會生活的諸多領域都有望迎來“革命”——提高農作物産量、指導科學的城市交通規劃、促進新藥研發、實現高精度的天氣預報……專家表示，量子計算將極大促進當前人工智慧及其應用的發展，深刻地改變包括基礎教育在內的眾多領域。

近年來，在量子計算領域，世界各個科技發達國家群雄逐鹿，IBM、谷歌、微軟等企業你追我趕，通過不同技術路徑實現對更多量子比特的操縱。去年10月，谷歌研究人員在《自然》雜誌發表論文稱，已成功演示“量子霸權”，讓量子系統花費約200秒完成傳統超級電腦要1萬年才能完成的任務。

所謂“量子霸權”，即量子電腦在某個特定問題上的計算能力超過傳統電腦，解決傳統電腦在合理時間範圍內無法解決的複雜難題。儘管多方對於谷歌的研究成果仍存質疑，但毫無疑問，量子電腦已經接近超越傳統電腦的運算能力和應用前景。

通過科學家的奮力追趕，在量子計算領域，中國整體上與發達國家處於同一水準線。近年來，多支科研團隊在量子計算領域取得階段性成果。去年年底，潘建偉等學者與德國、荷蘭的科學家合作，在國際上首次實現了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，在四大關鍵指標上均大幅刷新國際紀錄，逼近實現量子計算研究的重要目標“量子霸權”。

而在企業方面，百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業也相繼出臺了量子計算研究計劃。今年9月，中國企業自主研發的6比特超導量子計算雲平臺正式上線，全球用戶可以線上體驗來自中國的量子計算服務。

戰略佈局已成全球共識

當前，在量子科技領域整合科技資源、集中力量突破，已在主要發達國家中形成廣泛共識。歐美發達國家的政府、科研機構和産業資本正在加速進行戰略部署，大幅度增加研發投入，對中國取得的局部領先優勢發起強烈衝擊。

在歐洲，歐盟早在2016年就宣佈將量子技術作為新的旗艦科研項目，迎接“第二次量子革命”。德國日前表示，計劃在2021年建成該國首臺量子電腦，並在5到10年後推動相關新技術在工業領域的應用。

美國于2018年啟動“國家量子行動法案”。今年7月，美國能源部公佈了量子網際網路發展的戰略藍圖，提出要確保美國處於全球量子競賽的前列，引領通信新時代。近日，美國還開通了國家量子協調辦公室網站，併發布了聚焦八大研究領域的《量子前沿報告》。

日本為了加強科技實力，今年宣佈對其文部科學省機構進行大幅調整，加速基礎研究和國際競爭日益激烈的前沿技術的研發工作。其中，設置專門機構推動科研工作，對包括量子技術在內的新興領域進行統一管理。此外，日本國內研究機構和大學也開始下大力氣培養肩負未來的“量子人才”。

近年來，我國科技工作者在量子科技上奮起直追，取得一批具有國際影響力的重大創新成果。經過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，在多個戰略方向上實現領跑或進入第一陣營。

對此，潘建偉指出，量子科技是事關國家安全和社會經濟高品質發展的戰略性領域，必須將創新主動權和發展主動權牢牢掌握在自己手中。特別需要面向長遠目標，通過國家層面的頂層設計和前瞻佈局，整合優勢資源形成自主創新的體系化能力。