打破晶片壟斷的希望：量子科技碾壓傳統超算，未來15年世界領先

讀者來稿，作者：果不其然678

當今世界正在經歷百年未有之大變局，科技創新就是其中一個關鍵變量，21世紀最燒腦的前沿科學就是量子力學。普通人都認為量子力學離我們很遠，但事實上量子力學是支撐現代科學大廈的支柱。

量子，並不是指某一種具體的粒子，而是對具有量子特性的一類粒子的統稱，我們可以簡單地理解為：「量子就是一切物質分割到最小，其無法再分割的那個單位物質或者能量」，比如光的最小單位光子，電的最小單位就是電子，這些都會被統稱為量子。

量子是光子、質子、中子等基本粒子的統稱

微觀世界，可以說是非常之詭異的，因為它與我們觀測的宏觀世界形成的規律總是背道而馳的。以至於大多數科學家都無法接受其中很多的設定，比如量子是世界的三大基本原則：

1、疊加態原理，在量子世界當中，疊加態才是物質最普通不過的本質。在我們習以為常的認為「非黑即白」的物體性質，在量子系列當中是根本不存在。大家都知道雙縫實驗，薛丁格的貓，這些都是說明疊加態原理。

2、測不準原理。疊加態是不可能被精確地測量的，你就算精確測出粒子的位置，但是它的速度卻永遠都測不準，反之也亦然。

3、觀察者效應，雖然一切的事物都是多種可能的疊加態，但是要進行觀測，必然坍縮成一個確定無疑的結果。疊加與塌縮，此兩者，同出而異名，同謂之玄。

除此之外，還有量子的不連續性，波粒兩相性，量子糾纏等等，總之量子力學不光是影響的物理學，還影響了哲學。

量子力學，之所以被稱為最成功的理論，因為量子力學的誕生引發了一系列的技術革命，包括原子能、計算機、信息技術等一系列的尖端科技。現如今，作為國家戰略的量子科技會迎來第2次的發展浪潮。

量子計算機

當前量子科技主要應用於量子計算、量子通信以及量子測量三大領域。下面我們一一盤點。

量子計算：

未來量子計算將會是我們打破摩爾定律的鋒利之矛，同時也將是打破晶片壟斷、實現彎道超車的技術。那量子計算的算力有多強呢？

例一、量子計算機100秒完成的計算，全球最大的超算Summit要花5000多年，這是量子的特性所決定。

相比於傳統計算機用的是電流的關和閉表示0和1，量子計算機用的是上下電子的自旋狀態表示0和1，但是不要忘記前文提到量子有一個最最重要的疊加態。

就是說量子比特存儲的信息，可能是0、可能是1、也有可能即0也是1的疊加態，它比傳統計算機是整整多出了一個維度！千萬不要小看多出的一個維度，這相當於，傳統超算僅僅是一個三維世界的造物，而量子計算機則來自於四維世界。

量子計算機性能碾壓傳統超算

例二、量子計算機的性能隨著量子比特的增加呈指數型增長，而傳統計算機只能按比特位呈現線性增長，這也是為什麼出現英特爾止步在10nm徘徊，理論基礎的「摩爾定律」遭遇了元件電晶體的物理極限天花板。所以量子計算機對傳統計算機就是的 「降維打擊」。

我國近幾年量子計算成績喜人，但對比大洋彼岸至少還有 4~5 年的差距。據信息通信研究院統計：在專利層面，大洋彼岸不管是申請量還是授權量，都穩居前列。儘管我國專利申請量在 2018 年超過了大洋彼岸，但授權量仍有不少差距。

谷歌執行長桑達爾·皮查伊視察量子計算機

一些關鍵成果都是大洋彼岸率先做出突破。比如2019 年初，IBM 推出了 20 個比特的量子計算原型機，並且已經開始售賣。2019 年 10 月，《Nature》雜誌刊登了 Google 關於「實現量子優越性」的論文。

Google 製造出了 53 個量子比特數的量子計算機，同樣的計算量，量子計算機用 200 秒就完成了，而目前最強的經典超級計算機，要花費 10000 年才能完成。

是有差距但成績一樣喜人，量子計算技術是國家戰略，我們在理論與實踐基礎上是處於第一梯隊的。在學界，浙江大學和中科院組成的團隊，於 2019 年 8 月研發出了一枚具有 20 個量子比特的量子晶片，並且成功操控其實現全局糾纏，刷新了世界紀錄。此前，固態量子器件中生成糾纏態的量子比特，最多是 12 個。

量子計算機工作方式獨特

企業方面，華為阿里騰訊百度等都在參與其產業鏈的建設，其中到2030年量子計算的應用市場規模有望達到4000多億。

2017 年 5 月阿里巴巴宣布造出了第一臺光量子計算機。2018 年 5 月，阿里巴巴達摩院量子實驗室，研製出了全球最強量子點路模擬器「太章」。而本源量子在 2020 年 9 月 12 日，上線了中國首個接入實體量子計算機的量子計算雲平臺。被接入的量子計算機叫「悟源」，其大部分物件都是本源量子自主研發，或由國內廠商製造。

早在2018年，華為就開始雲量子計算模擬平臺HiQ，可模擬全振幅42量子比特以上，成為當時業界領先的量子電路模擬雲服務。

華為量子計算雲服務

騰訊在量子計算領域的研究更側重於實際應用，官網已經放出了量子云計算平臺和化學計算雲平臺，但暫時還未對外開放服務。

雖然量子計算的研發，就像是一個深不見底的山洞，我們並不知道山洞裡面是價值連城的寶藏，又或者是洪水猛獸，但是今天一群西方列強的爭相湧進，中國人是沒有理由停滯不前。

量子通信：

請記住這句話，「中國的量子通訊技術，在未來的15年內都將持續保持領先全球。」為我們潘建偉團隊點讚，為所有默默奉獻的科研人員點讚！

量子通信最大最大的優勢，就是通信的安全、超遠距離的傳輸效率。

在軍事上，量子通訊不怕電磁和阻斷幹擾，這就可以保證各種通訊裝備安全，尤其是無人機設備。擁有量子通訊技術加持，將使得無人機的機動性能更強，打擊能力也會提升不止一個檔次。

天宮二號空間實驗室曾進行量子通信試驗

在民用領域上，量子通信是絕對安全的信息傳送方式，以後數字貨幣的支付系統、行動支付、網際網路和金融等等的安全性有革命性提高，比如目前銀行使用的是較為常用的密鑰（RSA），它是有致命的缺陷的，只要有一臺足夠強大的計算機就能輕易的破解。而量子通信則是利用的量子的疊加態和量子的糾纏效應進行的信息傳遞，這就使得信息無法被計算破解，有著絕對的安全性，量子通訊啊也著傳統通訊的所有特點，但是其優點是傳統通訊無法比擬的。

中國目前已實現了量子通信上天下地的構建，奠定了中國在量子通信領域的獨領風騷地位。早在2016年，中國就成功的建成了量子通信加密光纖鏈路「京滬幹線」， 這條量子通信保密幹線全長 2000 多公裡，連接了北京和上海，貫穿濟南和合肥，共有 32 個量子通信節點。

墨子號衛星

同年還發射全球首顆量子通訊衛星——「墨子」號。

墨子號量子衛星可不簡單，其在太空不斷發布世界級的重磅成果，目前其已經完成全部三大科學目標：

1.首次實現星地高速量子密鑰分發。「墨子號」與河北興隆地面光學站建立了光鏈路，在1200公裡通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數量級（萬億億倍）。《自然》雜誌審稿人對這一成果的評價是：「這是構建全球化量子密鑰分發網絡、甚至量子網際網路的重要一步。」

河北興隆地面光學站

2.實現地星量子隱形傳態。量子隱形傳態可利用量子糾纏將粒子的未知量子態精確傳送到遙遠地點，而不用傳送粒子本身。「墨子號」量子隱形傳態實驗採用地面發射糾纏光子、天上接收的方式。實驗通信距離從500公裡到1400公裡，所有6個待傳送態均以大於99.7%的置信度超越經典極限。

3.首次在空間尺度上開展了量子糾纏分發實驗。 2020年6月15日，「墨子號」在國際上首次實現千公裡級基於糾纏的量子密鑰分發，將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個數量級。

天地一體化廣域量子通信鏈路示意圖

三大預定科學實驗任務完成之後，2018年初，通過與奧地利科學院的國際合作，「墨子號」首次實現了北京和維也納之間相距約7600公裡的洲際量子保密通信。這一成果也被評選為2018年度國際物理學十大進展之一。彰顯了在科學探索中的中國責任與擔當。

量子隱形傳態實驗平臺建立天地鏈路

量子測量：

相比較量子通信和量子計算在輿論場有較高聲量，而量子測量的公眾認知度相對較小，但普通人首先能用上的量子科技，或許就是量子測量相關成果。

經典測量方法受限於種種因素，測量精度提升面臨瓶頸，最直接的例子就是衛星導航。比如在日常生活中一些高樓大廈，或者深山密林中，衛星導航系統的威力很難發揮出來，更不要說深海大洋，因為這些地方的GPS信號很容易受到幹擾，很難做到高精度、全天候的授時。在伊拉克戰爭中，美國就曾經發射過八十多枚使用GPS導航的飛彈用以攻擊目標，但是只完成了十分之一的打擊任務。

北鬥全球衛星導航系統

而量子測量通過利用量子體系（如原子和光子）的量子特性或現象，如疊加態、糾纏態、相干等，可以突破經典力學框架下的測量極限，實現更高精度的測量，有量子測量技術加持的導航則不存在時間和空間上的限制。

目前中國的北鬥導航系統利用部分量子測量技術，把定位精度提高到非常高的程度。這得益於，中國的研究人員已將我國首臺原子自轉陀螺儀原理樣機製造成功。這項研究工作的成功，使我國成為了世界上第二個掌握相關技術的國家，我們國家與美國的十年技術差距也由此縮短了三年。未來北鬥衛星導航系統還將大力發展量子導航、全源導航、微PNT等新質能力。

北鬥三號GEO衛星

據信息通信研究院統計，與量子通信和量子計算相比，量子測量領域的專利申請和研究論文總量偏少，但近年來呈現增長趨勢。

航空航天大學、科學技術大學以及航天科工三院都在加大加快該領域科研。其中中國科學技術大學剛剛取得一項重要科研進展。潘建偉、陸朝陽等人與普林斯頓大學等機構的學者合作，在同時具備高純度、高效率的單光子源器件上觀察到強度壓縮，為實現基於單光子源的量子精密測量奠定了基礎。

100年前的量子力學才剛剛誕生，而那時的我們是個積貧積弱的國家，整個民族還處危亡邊緣徘徊，現在我們正處在世界科技的最前緣。總有人問我們為什麼非要變得強大，因為我們比誰都清楚落後的代價！