□河北日報記者 王璐丹
繼5G之後，又一個新鮮的名詞引起大家的關注——量子科技。
從頂層設計、戰略投資再到人才培養……近年來，全球多國在量子科技領域持續投入。但你如果想了解量子科技，在網絡上看到的又大多是各種玄而又玄、莫名其妙的說法，什麼「沒有人懂得量子力學」「超時空的瞬間作用」「上帝不擲骰子」，越看越糊塗。你不禁會嘀咕：也許這麼高深的東西，本來就超出了我的理解範圍？
實際上，量子科技離我們並不遙遠。我們日常生活中所熟悉的LED發光二極體、太陽能電池、顯微鏡、核磁共振等技術，皆有量子力學原理及其派生的相關技術的身影。
「疊加」與「糾纏」
什麼是量子科技？可以先從反面的角度認識一下什麼「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。」河北大學物理科學與技術學院副教授肖勇表示。
據介紹，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。
那麼，到底什麼是量子科技？
「現在我們說的量子科技主要是量子信息技術，它是量子物理與信息科學交叉的新生學科，其物理基礎是量子力學，這是一種有助於我們理解世間萬物的理論。」肖勇介紹。
了解量子力學，要先從一個基本的名詞——「量子」說起。
看到「量子」這個詞，許多人在「不明覺厲」之餘，第一反應就是把它理解成某種粒子。但我們日常見到的物質是由原子組成的，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？
「其實不是。」肖勇說，量子跟原子、電子根本不能比較大小，因為它是一個微觀的物理概念。正如「5」是一個數字，「3個蘋果」是一個實物，它們不是同一範疇的概念，無法比較。
「量子的意思是能量的最小單位。」肖勇舉例，統計人數時，可以有一個人、兩個人，但不可能有半個人、1/3個人。對於統計人數來說，一個人就是一個量子。如果某個東西存在最小的不可分割的基本單位，我們就說這個東西是「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。」肖勇說，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『薛丁格的貓』。」肖勇介紹，將一隻貓關進裝有少量鐳和氰化物的箱子裡，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。「比如我手裡有一支鋼筆，這支筆可以同時處於多個地點，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。而「量子筆」的「分身術」也會消失，它只會出現在保定或石家莊其中一個地點。
一個量子可以「疊加」多種狀態，多個量子則會產生「糾纏」的奇妙反應。
「根據量子理論，如果兩個量子之間形成『糾纏態』，那麼就會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，另一個也會『瞬間』發生相應變化。」肖勇說，量子糾纏是「量子隱態傳輸」的基礎，即把A地的一個粒子的狀態瞬間轉移到B地的另一個粒子上，如同科幻電影中的「超時空傳輸」，但這裡傳輸的不是粒子本身，而是粒子的狀態，即傳輸的僅是信息。愛因斯坦曾把這一現象稱作「鬼魅般的超距作用」。
「被動」到「主動」
「五十年前，哪怕腦洞開得最大的預言家恐怕也無法想到現在幾十億人每天對著一塊小小的發光板上下劃拉。」肖勇說，現代社會碩果纍纍的技術成就，幾乎全都與量子理論有關。
量子理論的出現，在上世紀引發第一次量子革命，催生了現代信息技術。中科院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉曾在公開報導中介紹，基於量子理論，核能、雷射、半導體等科技得以問世，進而發展出計算機、網際網路、手機等重大應用。
這些較傳統的科學技術，建立在量子力學基礎之上，已經發展比較成熟。進入21世紀，量子科技出現了新的方向和新的生命力，正在迎來持續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，最核心的差別在於我們人類在量子技術中的主觀能動性。」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，可以通過量子力學精確描述。於是，我們可以試圖在其中搜索一些有用的能級，用來構建新型發光材料等。那時，人們只問量子理論能讓我們做什麼，不去問為什麼，只是被動的觀測與應用。
現在的情況卻大不一樣了。「隨著技術的進步，我們主動操控量子態、量子效應，利用『疊加態』和『糾纏態』創新量子技術和應用。」肖勇說，就目前來說，在量子科技賽道上，世界上可以接近實用的量子科技有三個主要的應用方向：量子通信、量子計算和量子精密測量。
其中，最快落地的項目就是量子通信。
「量子通信是各國優先發展的重點量子科技領域。」肖勇說，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。而量子通信利用量子糾纏的特性，使其具有不可克隆、測不準等「先天優勢」。用量子做成的「密鑰」來傳遞信息，加密的內容不會被破譯，竊聽者必然會被「抓包」。因此，量子通信被看作信息安全傳輸的「保護盾」，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用於軍事國防、政務、金融、電力、雲服務等領域。量子安全U盾、量子安全TF卡、量子安全加密手機等個人化產品也會成為競爭點。」專家說。
而量子計算也因其在數據處理能力上的顛覆性而備受關注。
「傳統的計算機，其基礎的原理都是二極體和邏輯門，也就是只能表示0和1兩種情況，只能儲存2的N次方當中的任何一個。」肖勇說，但得益於量子疊加的特性，量子計算可以儲存2的N次方個數據。同時，可以一次對2的N次方個數據進行計算。
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、導航器件等關鍵器件需求量增長，也逐漸升溫。
「可以說，量子科技就是人類科學認知的極限。」專家表示，科技發展到今天，我們看到的世界，僅僅是整個世界的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。隨著量子科技的發展，指不定哪一天暗物質、暗能量都能得到解釋。
「領先」和「短板」
近年來，量子科技發展突飛猛進，成為新一輪科技革命和產業變革的前沿領域。加快發展量子科技，對促進高質量發展、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算機的計算能力提高，通信更快，還會使傳感技術更靈敏，信息精度越來越精確。
經過多年努力，中國已崛起為國際量子科研版圖上的重要力量，在多個戰略方向上實現領跑或進入第一陣營。
其中「墨子號」無疑是最具有代表性的成果。
據報導，「墨子號」於今年6月實現全球首次千公裡級量子糾纏密鑰分發。這一實驗成果將無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個數量級，並通過物理原理，確保即使在衛星被他方控制的極端情況下依然能實現安全的量子保密通信，取得了量子保密通信現實應用的重要突破。
按預定規劃，中國將陸續發射「墨子二號」「墨子三號」，到2025年前後構建起全球首座由中國主導的量子星群。未來量子通信工程應用、量子通信產業化推進，均可全球領先。
在量子計算領域，世界各個科技發達國家正群雄逐鹿。
IBM、谷歌、微軟等企業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秒完成傳統超級計算機要1萬年才能完成的任務。
「對於量子計算業內有一個共識：誰先奪取『量子霸權』，誰就掌握了技術制高點、標準制定權和輿論主導權，在產業競爭中佔據有利地位。」肖勇說，這也是IBM、英特爾等巨頭急於搶佔賽道的原因。
為搶佔量子技術革命的制高點，我國也在奮起直追。去年年底，我國學者與德國、荷蘭的科學家合作，在國際上首次實現了20光子輸入60×60模式幹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，全球用戶可以在線體驗來自中國的量子計算服務。
但也有專家表示，目前，我國量子計算與美國還有差距，受限於技術難度，量子計算產業化和商業化仍長路漫漫。
「總體上看，我國量子科技發展已經具備了在量子科技領域的科技實力和創新能力，但也存在不少短板。」肖勇說，比如支撐設備、關鍵核心元器件等方面的發展就面臨諸多挑戰。
量子科技發展如何「補短板」？我國應如何下好「先手棋」？
業內專家認為，在量子科技領域下好「先手棋」，我國科學家要把握住第二次量子革命的機遇。第一次量子革命已經對人類產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其時，量子領域每一個人都大有可為。在這個技術大規模應用之前，要積極做好基礎研究，未來一定會取得重大突破。