30秒快讀
1、中國成為全球第二個實現量子優越性的國家，此前，中國發射了全球首顆量子通信衛星「墨子號」，並開通了世界第一條量子保密通信幹線——「京滬幹線」。
2、當量子技術大規模商用後，未來會怎樣？你可能不會再為信息安全、數據洩露而犯難，也不會抱怨預測不準確的天氣預報。
一沙一世界。你可以從一粒沙中窺見整個世界，你也可以從物理世界的最小能量單位——量子中感受未來全球科技的變遷。
量子時代正在走近。北京時間12月4日，中國科學技術大學教授潘建偉、陸朝陽等學者組成的研究團隊與中國科學院上海微系統所與信息技術研究所、國家並行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機「九章」，相關研究成果發表於《科學》雜誌。
據悉，九章針對高斯波色採樣問題，處理5000萬個樣本只需200秒，而目前世界最快的超級計算機處理相同問題需要6億年。
由此，中國首次實現「量子計算優越性」，成為全球第二個實現量子優越性的國家。
而在2016年至2017年間，中國分別發射了全球首顆量子通信衛星「墨子號」，並開通了世界第一條量子保密通信幹線——「京滬幹線」，預示著中國在量子通信方面處於世界領先地位。
「量子科學實驗衛星」工作示意圖 圖源/網絡
對很多人而言，量子神秘又耳熟能詳。如今，這項前沿技術正成為「國之重器」。10月16日，第十九屆第二十四次中央政治局集體學習會議的議題正是「量子科技研究和應用前景」。
據《IT時報》記者了解，目前國內量子通信主要運營於政務等領域，並有望在「十四五規劃」期間走進C端，而量子計算方面，中國與美國、德國等多國間的競爭已拉開序幕，但距離量子通用計算機的誕生還需要等待新材料、新技術的同步發展。
01
計算與通信
量子技術的「矛」與「盾」
「沒有人能真正理解量子力學。」 1964年，物理學家理察·費曼如是說。
這個奇異的微觀世界，無法用經典物理理論解釋。量子作為物理世界的最小能量單位，具有不可分割性。當一對量子發生糾纏時，兩者無論分離多遠，只要一方運動發生改變，另一方同步做出相應變化。
圖源/Pixabay
與此同時，不同於宏觀世界中，你可以通過物體的速度測量出其對應位置，量子則具有測不準特性。你不可能同時知道一個量子的位置和速度數據。
量子不可分割、不可複製、測不準的特性，構成了量子通信的基礎。
「量子通信本質上是量子密鑰的傳輸，利用量子糾纏可以將量子信息傳輸到另一個地點，而不是傳送信息載體本身，一旦密鑰被竊聽，便會馬上被發現，屬於被嚴格證明的『無條件安全通信方式』。」潘建偉公開表示。
已有的通信加密方式主要依賴計算複雜性，但無法避免被竊聽。這也是為什麼發生銀行卡被盜刷、帳號被盜用等情況時，通常事後才能發現問題。
量子加密通信能有效避免上述情況。任何竊聽、複製、測量行為，都會改變量子狀態，被通信雙方所獲知，從而可以切換傳輸路徑，防患於未然。
如果說量子加密通信是為了鑄成一道安全盾牌，那麼，量子計算則是為了破解密碼。
你一定聽說過「虐貓達人」薛丁格的實驗：把一隻貓被放在裝有鐳和氰化物的密閉容器，如果發生衰變會打碎氰化物瓶子，貓會死亡，反之貓會存活。在沒有打開容器前，貓會處於生和死疊加狀態。
薛丁格的貓 圖源/網絡
如果說，現有計算機以0和1兩個狀態作為信息處理單元，一次只能處理一個非0即1的單一狀態。那麼一個量子位就如同沒有打開容器時「薛丁格的貓」，計算過程中可以同時疊加0和1的狀態。也就是說，當計算過程有10個量子位時，計算機有了「分身」，量子比特記錄的不再是一個10位二進位數，而是2的10次方個二進位數。
根據相關理論，超過50個量子比特後，量子計算被認為具有量子優越性，即在開展特定任務時，具有超過傳統超級計算機的算力。
中國科學技術大學院士郭光燦曾比喻：「量子計算機的運算能力同電子計算機相比，等同於電子計算機的運算能力同算盤相比。」
傳統計算機行業正面臨摩爾定律失效的窘境。每18個月計算機運算速度翻倍的摩爾定律，得益於晶片中矽晶體指數級增長。但如今，一枚電晶體尺寸已遠小於一個流感病毒，逼近物理極限。當達到物理極限後，計算機的運算速度又該如何保證？
華安證券分析師尹沿技的答案是：只有超越經典計算的量子計算。
02
最大競爭對手
美國和歐盟
既然量子通信和量子計算互為矛盾，兩者發展上是否有先後側重？
中國的量子通信發展從2016年起開始有全球領先成果，似乎早於量子計算的發展。在科大國盾量子技術股份有限公司項目總監周雷看來，2010年，國內量子計算和量子通信開始並行發展。但目前量子計算成熟度低於量子通信。
目前量子計算仍處於發展早期，即便「九章」也只能在處理特定問題上有優勢，而量子保密通信已可以實現量子密鑰分發技術來保護信息安全。
對於量子通信先行，周雷表示「盾」在手，可以更長期有效抵禦計算破譯，其中包括量子計算破譯。
圖源/包圖網
不止國內，目前量子作為前沿技術已獲德國、美國等多個國家的追捧，競爭日趨激烈。
早在2016年，歐盟宣布將量子技術作為新的旗艦科研項目。不久前，德國表示計劃2021年建成當地首臺量子計算機，並在5 到10 年後推動相關新技術在工業領域的應用。
美國於2018年啟動「國家量子行動法案」，全方位加速量子科技的研發與應用。今年7月，美國能源部公布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，並計劃成立5個專注於量子信息科技的研究中心。
一位業內人士告訴《IT時報》記者，「九章」是我國在光量子體系實現首個超越早期經典計算機能力的光量子計算原型機，而在超冷原子體系，目前我國與歐美發達國家處於並跑狀態，「從整體上看，我們的量子計算與美國相比還差一點距離，還在趕超他們」。
圖源/CCTV2
量子通信方面，周雷認為，我國高度重視量子信息科技的發展，在「新舉國體制」下，我國在量子科技領域突破了一系列重要科學問題和關鍵核心技術，並初步形成了完整的產業鏈，建設了一些量子通信基礎設施。
據悉，我國計劃2030年左右率先建成全球化的廣域量子保密通信網絡，並在此基礎上，構建信息充分安全的「量子網際網路」。
目前國家廣域量子骨幹網、山東「齊魯幹線」、廣東粵港澳量子通信骨幹網、江淮量子網、國防領域量子通信項目、量子通信衛星等多個重大工程仍處於在建狀態。
「量子網際網路」正成為各國發展的目標。今年5月，歐盟表示，將推動量子通信與傳統網絡基礎設施和應用相結合，開發可用於全球安全密鑰分發、基於衛星的量子密碼，為未來「量子網際網路」遠景奠定基礎。
圖源/Pixabay
美國國家量子協調辦公室今年2月發布《美國量子網絡的戰略構想》,明確了構建世界首個量子網際網路的目標，並提出未來5 年內實現從量子互連、量子中繼器、量子存儲器到高通量量子信道和探索跨洲際距離的天基糾纏分發，未來20年內，推動量子網際網路鏈路利用網絡化量子設備，實現經典技術無法實現的新功能。
這場前沿技術競爭的勝者將抓住行業的話語權和廣闊的市場。根據BCG預測，到2030年，量子計算的應用市場規模有望達到500多億美元。
03
未來
「十四五」有望進入C端
「九章」實現量子優越性，是目前我國量子計算發展的一大步，但競爭仍在繼續。
去年穀歌率先宣布量子計算機「懸鈴木」在處理「隨機線路採樣」問題上實現量子霸權。而九章針對的是「高斯玻色取樣」問題。兩者針對的都是特定任務。
圖源/網絡
「（這些問題）都有利於證明量子優越性，目前還沒有實用價值。」中原證券在一份研報中指出。
事實上，這只是量子計算發展的第一階段。中原證券稱，接下來量子計算需要經過實現一種專用的量子模擬機，可以解決比如高溫超導機制、特殊材料設計等目前計算機無法處理但具有實用價值的問題，預計需要幾百個量子比特級，而後才是可編程的通用量子計算機，預計需要百萬級以上量子比特。
這是一條漫漫長路。
距離通用量子計算機進入千家萬戶還要等多久？這需要相關技術同步發展，其中超導材料是重要部分。傳統計算機發展突飛猛進，正是得益於電晶體到矽片的躍遷。
圖源/網絡
量子通信方面，華安證券認為，中國量子通信將採取三步走策略，通過光纖實現量子通信城域網，通過量子中繼器實現城際網，再通過衛星中轉實現可覆蓋全球的廣域量子通信網。
同樣，周雷表示，量子通信技術發展需要在光學、微電子學、軟體和集成技術、材料等各方面技術都同步發展，超導材料同樣重要。
儘管國內量子通信處於領先地位，接下來需要解決的還有著商業化的掣肘。
據了解，目前量子通信帶寬有限。以國盾量子為例，QKD（量子秘鑰分發器）設備最高碼率為80Kbps，只能傳輸文件和語音。而一套QKD加密設備約30萬元，一套量子城域網需要成百上千套QKD，意味著更高的投入成本。
周雷認為，隨著產品規模化生產，技術迭代，量子通信商用化正漸行漸近，十四五規劃期間有望率先用於政務、金融、電力等關係國計民生領域。
當量子技術大規模商用後，未來會怎樣？
你可能不會再為信息安全、數據洩露而犯難，也不會抱怨預測不準確的天氣預報。更多答案已經刻在粒子身上，等量子時代到來時，密閉容器將被揭開。
作者／IT時報記者 孫鵬飛
編輯／挨踢妹
排版／馮誠傑
圖片／Pixabay CCTV2 網絡
來源／《IT時報》公眾號vittimes