薛其坤的這篇演講說透了量子科技

中共中央政治局10月16日下午就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習。

清華大學副校長、中國科學院院士薛其坤就這個問題進行了講解，提出了意見和建議。

薛其坤在最近舉行的2020創新之源大會對量子科技也進行了解讀。

薛其坤認為指甲蓋大小的存儲器就能夠存下全世界所有的數據，第二次量子革命真的來了。未來，量子計算、量子通信、量子精密測量和傳感技術將成為量子信息技術發展的重點內容，有可能引領新一輪的技術革命，全球網際網路將從電子時代跨越到量子時代。

薛其坤舉例解釋，現在全球一年產生的數據量需要數百億個存儲量為1TB的硬碟才能存儲完，而未來量子存儲設備如果開發出來，只需要指甲蓋大小就能將人類幾百年的信息存儲進去。

僅以量子存儲這一項量子技術的細分應用來看，其重大意義就不言而喻。「全世界目前擁有的數據是3000個ZB，光維持數據中心需要的電費是2400億人民幣，將來大數據要想繼續研發下去，能耗必須降下來。」薛其坤說。

他認為，如果說第一代量子革命是認識量子世界、發展技術的話，我們人類在這個世紀初逐漸迎來一個新的時代那就是第二次量子革命。量子技術的應用將給高密度、低能耗的信息存儲也充滿了很多想像的空間。

未來，量子計算、量子通信、量子精密測量和傳感技術將成為量子信息技術發展的重點內容，有可能引領新一輪的技術革命，全球網際網路將從電子時代跨越到量子時代。

不過薛其坤也對量子計算的難度進行了科普，「量子計算機的研製比人類首次登月還要困難，對做計算機、控制的人來講這是一個極大的挑戰」。

薛其坤認為，目前，要加強量子信息技術的三大領域研發。其中，量子計算包括硬體、算法、作業系統和軟體等是核心，量子通信包括密鑰分發等是重要手段，量子測量、傳感和計算是應用最廣泛的方面。

將來有望打造全球量子網際網路，使人們從電子時代跨越到量子時代。「通過量子通信、量子計算、量子導航、量子探測等顛覆性技術的突破，形成通達全球的安全通信、算力重組、高靈敏傳感、高精度時空基準等應用，打造量子基礎設施網絡。」薛其坤說。

薛其坤表示，科學家在量子科學領域開疆拓土，而量子技術要真正給人類帶來福祉，還需要更多創新創業者、企業家、投資人等的加入。

2019年薛其坤院士"量子基礎科學對未來數位技術的引領"的演講實錄內容:

我想談一談量子基礎科學對未來數位技術或者未來信息技術發展的引領或者奠基作用。我現在同時兼任北京量子信息科學研究院的院長，這個機構的定位就和剛才丘成桐先生講的，我們從基礎研究做起，面對的就是未來信息產業。

從物理學的角度來講，我們可以講現在正在處於飛速發展的資訊時代是量子力學或者量子科學的第一時代，為什麼能這麼講呢？大家都知道信息技術可以分為五大類，不管是信息處理技術、存儲、顯示、傳出，這些技術都是來源於14個諾貝爾物理獎對應的基礎科學發現，如果沒有這些基礎科學發現我們就不會有今天現在大家所看到的非常熟悉的所有的信息技術。

拿電晶體和集成電路作為大家最熟悉的一個例子來講，電晶體的發明是1956年諾貝爾物理獎，為什麼電晶體用矽半導體，不用金屬，關鍵就是由於固體或者是材料的量子理論。如果沒有量子理論的發展我們不可能理解矽，操作矽的性能，形成像電晶體這樣的一些科學發現。

現在大數據時代信息高密度存儲非常重要，現在最先的最高密度的存儲技術來源於巨磁阻效應，兩位科學家獲得了2007年諾貝爾物理獎，如果沒有巨磁阻效應不可能對精密的信號進行精確的測量，我們就不可能發展出這些技術。但是這個效應基於就是電子的最基本的一個量子屬性。

肉眼能看到的量子現象很多，超導就是一個電阻為零的奇妙現象。雷射就是一個色散為零的一種技術，超流就是摩擦力為零，在量子世界我們會看到一系列讓人們不可理解奇妙現象。量子這個科學很久遠了，上個世紀初由德國科學家提出來的。究竟有什麼奇特之處呢？我這裡講三個方面，第一個奇特之處就是微觀粒子，包括宏觀粒子都具有波動，我們叫波動二象性。第二有量子隧穿本領，還有一個大家能聽到的量子糾纏，或者疊加。其實量子糾纏和量子疊加來源于波動的性質，構成了我們現在量子計算機發展的科學基礎。

什麼叫波粒二象性，把這個波動性和粒子性通過大家看到的公式聯繫到一起，左邊這個E就是粒子能力，一個粒子能力對應一個波長和頻率通過量子力學關係對應起來，因此造就了我們所有的無題基本上都有波動性和粒子兩重性質。中間這個h是一個常數。在座的各位都具有波動性，在這個簡單一算，你的波長是10的負24次方，或者負的25次方納米，幾乎沒有一個任何科學儀器能測到這麼短波長效應，我們就把人和宏觀物體作為一個經典力學對象，牛頓力學研究就夠了，不需要高深的量子力學。

第二個例子就是量子隧穿，如果你能有機控制兩個電極無窮的逼近，但是永遠不接觸，這個逼近距離打到一個納米，進入微觀世界以後，結果你就會測到一個電流，這個時候電子從左邊電極像一個道士一樣，跨過不可逾越的溝，繞到金屬這邊，這個現象就是非常著名的量子隧穿現象。量子隧穿有什麼用呢？1981年由瑞士兩位科學家發現的掃描隧道顯微鏡就是基於量子隧穿發展出來的工具，使人類清楚看到一個一個原則，我們還可以用這種顯微鏡操縱一個一個原子，大家都知道原子是組成物質的最小單元，用原子擺來擺去，如果這個單原子可以作為信息存儲的單元的話，一個立方釐米的材料，包含原子數是10的23-24次方，全世界所有數據10年加起來用一個立方釐米材料包含的原子數據可以存儲起來，這個技術離的很遠。

我們現在談到量子通訊、量子計算和未來量子精密拓展是在新的高度發展，我們可以測單個光子的原子態，然後發展想要的全新技術，我們馬上會迎來第二個量子時代。這裡面技術包含量子精密測量、量子通信、量子計算。

第一個為什麼它會造就新的更精密的測量技術，就是來自於剛才我看到普朗克乘數，6.6乘上10的負34次方，你知道的數字乘上這個以後幾乎全部變成一無所有了。如果在這個水平進行精密測量，我們的未來空間有多大，如果對時間測量、位置、溫度、能量、電信號、光信號、磁信號、熱信號，每提高一兩個量級都會造就顛覆性技術的出現，我們的未來網際網路眼睛會更加明亮，耳朵會聽的更遠，網際網路的鼻子會更加的靈敏，這就是一個角度的量子力學的威力。

普通計算機如果可以看成是比特的接力賽的話，量子計算機就是利用了量子態的疊加性和糾纏性看成是量子比特，一億次就是現在我們可以最快超級計算機的運算速度，53個量子比特的量子計算機比咱們這個樓還要大的超級計算機運轉速度更快，我們積極在探索這樣一個世界。真要做好這個需要量子算法、數學、物理學、做基礎量子科學家們共同努力。

拿我們這個團隊發現的量子反常霍爾效應為例，它是一個做超普量計算，糾錯能力非常強的這樣一個方案，現在正在加強這方面基礎研究，看能不能應用到未來計算中去。

通過上面簡短介紹，由於量子時代我們精密測量技術還有很多技術都可以誕生，存儲密度可能更高，運轉速度更快，因此我們充滿了期待。但是像丘成桐先生講到那樣，對這樣一個先端的技術必須要沉下心來在基礎研究，應用基礎研究，共同合作才能達到目標，這是新時代做科技創新需要非常強調和重視的一點。