原標題：什麼產品才是真正的量子科技
10月16日下午，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習。對於什麼是量子科技以及發展量子科技的意義，相關的媒體文章也多了起來。
量子科技毫無疑問是非常前沿的高科技領域，但我這裡試圖用最直白的語言告訴大家：到底什麼是量子科技？
我們先從反面的角度認識一下什麼「不是」量子科技。
所有賣給我們普通老百姓的，能直接在線上線下的商店中，看到的明碼標價的所有前綴中有「量子」兩個字的科技產品或者服務，都不是量子科技。注意：毫無例外。
量子科技到目前為止，還沒有任何成熟的可以大規模商用的產品落地。世界上也確實存在量子科技的產品，但它們的銷售對象是世界上極少數一些做科研的單位。假如你聽說有個朋友的公司正在搞量子科技，嗯，那十有八九是掛羊頭賣狗肉的。
那麼，到底什麼是量子科技呢？
先做一個基本的名詞解釋，在「量子科技」這個語境下所指的「量子」的意思是「能量的最小單位」，它通常是一類「基本粒子」的統稱，最常指的是電子和光子。
就目前來說，世界上可以接近實用的量子科技有三個主要的應用方向，分別是：量子保密通信、量子計算機和量子傳感器。
首先，我們來介紹一下量子保密通信。
量子保密通信是利用量子的某些特性來防止通信被竊聽的技術。
傳統的通信方式都存在被竊聽的風險，這種風險在我們普通人的生活中可能並不那麼可怕。但如果是在軍事上，或者在某些國家級的重要部門中，是否被竊聽就顯得尤為重要。自古以來，為了防止通信被竊聽，人類想出了無數種辦法，其中最常見的辦法就是通過給通信的內容加密來防範。加密的基本思想是敵人就算竊取了信息，他也看不懂。但往往「道高一尺，魔高一丈」，天下沒有破不了的密碼。隨著量子力學的不斷深入發展，科學家們找到了從理論上可以徹底杜絕通信內容被竊取的方法，這方法還不止一種。它的具體應用成果，就被稱為「量子保密通信」，可以保證通信內容不會被第三方竊聽。
在量子保密通信這個領域，我國處於世界領先地位。其中，最重要的代表就是以中國科學技術大學潘建偉教授為首的團隊，他們研發的量子通信產品已經初步具備實用性了。2017年9月，潘建偉教授團隊建成了世界上首條量子保密通信幹線——京滬幹線。他們採用的實現方法被稱為「單光子秘鑰分發技術」。
或許，我可以用一個比喻來幫助你初步理解這種技術的原理。
傳統的電磁波通信，每一束電磁波中都包含萬億個光子，就好像你叫來一億個快遞員，讓每一個快遞員都從你這裡拿一份同樣的信息送出去。那麼，竊聽者在半路上攔截了幾個快遞員，偷看了信息，在這個過程中，發送方和接收方都是渾然不覺的，因為同樣的快遞員實在是太多了。而單光子秘鑰分發技術就好像每次只叫一個快遞員，每個快遞員從我這裡拿走的一份信息就是獨一份，沒有第二份。這樣一來，如果有一個快遞員中途被攔截了，那麼接收方馬上就會發現收到的信息是不完整的，這就等於發現了竊聽者，可以立即採取行動，比如終止通信，換一種加密方式，甚至是換一條線路等等。
簡單來說，就是我們把原來一發就是萬萬億億個光子的電磁波通信改為一次只發一個光子的單光子通信。這樣一來，竊聽者只要一竊聽，馬上就會被察覺。
最關鍵的是，竊聽者不可能做到在不破壞原始信息的前提下，悄悄地複製一份信息出來。這是因為量子遵從一個基本的物理規律，叫做「量子不可克隆原理」，一個量子不可能在信息不被破壞的情況下複製出一個一模一樣的自己來。
量子保密通信的實現方案不止我上面提到的這一種，還可以用其他技術方案來解決。比如，利用量子另外一種很神奇的特徵——量子糾纏——來實現(至於到底什麼是量子糾纏，要講清楚所需篇幅太長，此處不展開)。你只需要知道，量子保密通信可以用到量子糾纏，也可以不用到量子糾纏。但不管用不用量子糾纏，量子通信都絕對沒有可能做到超光速通信。超光速通信只存在於科幻小說中，不可能存在於今天的社會現實中。
雖然京滬幹線早在3年多前就正式啟用了，但目前與我們絕大多數普通人沒有直接關係。它的使用，僅限於政府特定部門以及國有銀行等大型企業之間的試點性質的使用。這方面能查到的公開信息目前還較少。
接下來，我們再講量子科技的第二項主要應用：量子計算機。
量子計算機是運行原理與傳統電子計算機完全不同的一種通用計算設備。
可能有人覺得，電子計算機和量子計算機，只相差一個字，應該是一個用電子做計算，另一個則是用量子做計算吧。其實，這個理解是錯誤的。電子計算機裡的電子，指的並不是真正的電子，它指的是電子電路。雖然我們已經把計算機晶片的尺度縮小到了納米級別，但這些電路依然與牆上的那些開關一樣，是完全可控的。
而量子計算機裡負責計算的原件可不是開關，那些都是真正的微觀粒子。它們就像量子物理中描述的一樣，沒有確定的狀態，我們只能用概率來解釋它們的行為。
幼兒園小朋友算算術時，用的是掰手指頭的方法來計算。掰手指頭算算數，雖然又原始又緩慢，但它與太湖之光超級計算機的本質一樣，都屬於經典計算的範疇。雖然晶片中的每一個電晶體已經做得比病毒還要小，但這些電晶體依然是完全受控的。它們與手指頭一樣，都是受經典物理學定律指揮的。
與經典計算相對的，就是量子計算了。你可能聽說過量子力學中的疊加態、測不準原理和量子糾纏這些奇怪的特性吧？量子計算機真的就是利用了量子力學的這些奇怪特性而設計出來的。
為了方便讀者理解量子計算機與電子計算機相比，有些什麼樣的優勢，我來打一個非常簡單的比方。
現在有一個黑盒子，左邊伸出1024根電線頭，右邊也伸出1024根電線頭。現在我告訴你，其實只有一根電線是連通的，請問，你該如何找到這根連通的電線呢？如果使用經典計算機，我們只能一個一個地嘗試。左邊的1號線頭和右邊的1號線頭試試，如果不行，就用左邊的1號線頭和右邊的2號線頭再試，直到找到答案為止。這種方法，最不幸的結果，就是可能要嘗試1024×1024次，也就是大約100萬次才能找到答案。
如果用量子計算機解決這個問題，就簡單多了。只需要一次計算，量子計算機就能同時把所有的可能都考慮進去了。它可以一次性地找到那根連通的電線。你看，這次計算，量子計算機就通過量子的一些很神奇的特性，實現了100萬倍的效率提升。
我們對量子計算機充滿了期待。但是到目前為止，量子計算機離走入尋常百姓家，甚至走入一般的科研單位，都還有非常遙遠的距離。
全世界目前最先進的量子計算機之一是谷歌公司在2020年8月28日登上頂級期刊《科學》雜誌的那臺量子計算機，他們成功地用12個量子比特，模擬了二氮稀這種物質的異構化反應。這是一個非常重大的成就，讓量子計算機向實用型計算設備又邁進了一步。這臺量子計算機最多可以操控53個量子比特。
在量子計算機的研發上，我國也處在世界第一梯隊中。據《安徽日報》報導，潘建偉教授在 2020年9月5日西湖大學的一個公開演講中透露：他帶領的團隊研發的光量子計算機僅從理論計算速度上來說，已經超過了谷歌的量子計算機，在年內可以實現操控60個量子比特。當然，評價量子計算機的優劣，不僅僅是理論上的計算速度和量子比特的數量，還有很多其他維度。但從潘教授透露出來的這一點點信息來看，至少可以證明，我國在這方面的研究進展並不輸給美國。我個人非常期待早日讀到潘教授團隊的正式論文，能讓我們了解更詳細的信息。
但是，量子計算機總體來說還處在嬰兒期，還只能解決一些純粹為了驗證計算能力而人為設計出來的問題。如果用電子計算機的發展歷程來比喻的話，現在量子計算機所處的階段，大概就相當於發明了手搖加法器的年代，連電子管計算機都還沒發明出來呢。
最後，我們來說說量子科技的第三項主要應用：量子傳感器。
量子傳感器就是利用量子效應設計的傳感裝置。
傳感器就是可以感知目標系統狀態變化的設備，比如感知溫度變化、感知壓力變化、感知電磁場變化、感知重力變化，等等。我們的手機裡有很多傳感器，比如蘋果第一代手機剛出來的時候，很多人對於它會自動旋轉屏幕這件事情都感到非常驚嘆，這就是重力傳感器的功勞。今年疫情期間我乘坐飛機，有一個明顯的感受。年初的時候，給旅客測溫主要還是靠那種手持的測溫槍，一個一個人排隊測量，效率很低。但到了現在，幾乎所有機場都實現了自動測溫，除了戴帽子的旅客可能還能感受到測溫程序的存在外，普通旅客已經感覺不到還有測溫這道作業程序了。而這種效率的提升，關鍵就是傳感器技術的提升。當然，測量體溫還用不到量子傳感器，因為我們對體溫變化的測量精度沒有那麼高的要求，誤差在 0.5攝氏度之內都不是大問題。但假如我們要測量幾萬甚至幾十萬分之一的溫度變化，那現在傳統的溫度傳感器就力不從心了。
量子態對環境變化異常敏感，這對於量子計算機來說是個很糟糕的特徵，但對於傳感器來說，就是一個極佳的特徵了。科學家們正是利用了量子的這種超高敏感性，可以對電磁場、溫度、壓力、慣性等物理量進行超高精度的測量。
我們前面講到的量子保密通信、量子計算機，聽上去都特別的高端大氣上檔次，而量子傳感器似乎不太起眼。但我想說，讓我們普通老百姓首先能用上的量子科技，很可能就是量子傳感器。據《科技日報》2020年3月份的一篇報導，美國陸軍研製出了一款量子傳感器，可以幫助士兵探測整個無線電頻譜的通信信號。不過，到目前為止，我還沒有查到任何正式投入民用的量子傳感器產品，但它很有可能是第一種能真正帶來商業回報的量子科技產品。假如你想在量子科技產業中投資或者創業，不妨更多地關注一下量子傳感器領域。相比之下，量子計算和量子通信可能只有大玩家能參與。
好了，有關量子科技的基本知識，我們淺嘗輒止。但願我這篇文章，能夠激發讀者對量子科技的探究熱情，幫助讀者識破即將如潮水般湧來的量子大忽悠們。
（文章來源：澎湃新聞）
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