走向大眾生活,量子科技實用化未來可期——第181期廣州科普大講壇

11月18日下午，廣州科普大講壇第181期《走向實用化的量子技術》特別直播節目，在廣東廣播電視臺直播間熱烈開講，中山大學物理與天文學院教授、物理與天文學院量子信息和測控團隊負責人羅樂，就量子科技的應用與影響、實用化發展方向、廣東量子科技發展的現狀、粵港灣大灣區能否成為量子信息科技時代的矽谷灣區等方面，給觀眾和網友們帶來了一場內容豐富的知識盛宴，讓公眾更加深刻地理解了量子力學，打開了量子思維，了解了最新量子科技發展態勢與應用。

本期講壇由廣州市科學技術協會、廣州日報主辦，廣州市科學技術普及中心、廣東廣播電視臺珠江經濟臺等單位承辦，在觸電APP、粵聽APP、新花城APP、廣州日報APP、新快報ZAKER等平臺同步直播。

【量子技術為我國信息世界帶來革命性變化】

今天越來越多人開始討論量子科技，實際上我們早已處於第二次量子革命階段。羅教授首先談到如何理解量子物理學？它有兩大特點，首先，任何的量子都是處於一種不確定的疊加狀態當中，它的重點不是我們無法確定它的狀態，而在於量子本質上就處於一種不確定的狀態。第二個特點是，如果你一旦對這個量子系統進行測量的話，那麼它的狀態就確定了。 打個比方，我們在大樓上行走，作為一個人，是一個經典物體，人在3樓和在4樓，是確定的；但作為一個量子物質，可能處在3樓，也可能同時處在4樓，但是很奇怪的是，如果你打一個電話問一問這個量子物質在哪裡，當你問的一瞬間，它的狀態馬上就確定了，這就是量子世界的一些奇妙之處。

早在20世紀末期，量子革命的新時代就開始了。第一次量子革命把粒子和波的概念聯繫在一起，而第二次量子革命則是來源於著名物理學家費曼對于波粒二象性的一些前瞻性的思考。羅教授講到，費曼在上個世紀70年代想像的那臺量子計算機，是將量子信息原理作為軟體、將對微觀量子粒子的測控作為硬體來打破我們對於傳統信息處理方式的認知。 簡單來說，第二次量子革命實際上是物質和信息在量子的層次上加以統一的描述並且利用，來盡力進入一個所謂物質和信息一體的物理學，從而為信息技術帶來新的革命。現今，人類歷史上第二次量子革命已全面開啟，將誕生一系列量子技術。一些量子技術已經在探測、通信、計算等領域初顯身手，並逐步應用於各個領域，這將對現代社會產生深遠影響。

【傳統信息技術遇瓶頸，量子技術顯身手】

現今，信息安全成通信網絡一大瓶頸，傳統加密算法原則上都可能被破解。目前廣泛使用的RSA 512位加密算法早在1999年已被破解，RSA 768位已於2009年被破解……可以說，隨著計算能力的發展，信息安全成為了信息技術發展中最大的隱患。其次是基於摩爾定律的傳統計算能力發展模式正受到嚴重製約性，有科學家認為，即使將全世界所有的計算能力疊加，目前仍無法在一年內完成2的80次方或者90次方數據的窮舉搜索。

羅樂教授認為，量子信息技術在這兩方面則展現出了它的優先性。首先是安全性，由於量子疊加所產生的不確定性特質，令我們可以根據量子狀態是否確定來判斷知否有人進行信息竊取。如果沒有人進行信息竊取，量子肯定處於不確定狀態，但一旦有人進行了信息竊取，量子馬上就變為確定狀態，因此在量子密鑰傳輸過程中竊取者無法做到既偷看又不留下痕跡。羅教授也強調利用量子技術加密因其具有理論上的無條件安全性而備受關注，但是在實際系統中，量子技術也會由於設備的非完美性而存在安全性漏洞也應該給予足夠重視。其次是運算能力，量子比特之間的糾纏使得量子計算機能夠實現並行計算，隨著量子比特數量增加，量子計算能力可呈指數級規模拓展，最終達到"宇"量存儲和運算能力。羅樂教授指出，在2019年9月，谷歌公司研製了一個包含53個量子比特的量子晶片，執行一個特定的計算任務用了3分20秒，而對於同樣的任務，採用目前最強的超級計算機並且經過理論優化後，完成這項任務也需要2.5天，由此可見量子計算機的運算能力具有極大的潛力。

【量子技術走進大眾生活，帶來實際應用】

羅樂教授表示量子技術所依賴的物理體系，在自然界中是不存在的，需要在實驗室中進行製備。這種人工製造的物力體系具有量子相干態和糾纏態，可以應用於信息的處理和感知等方面。

一是量子通訊。利用微觀粒子的量子態或量子糾纏效應等進行密鑰或信息傳遞，基於量子力學原理提供無條件安全的通信保證。

二是量子傳感。基於量子態測量，對被測系統的各種物理量執行變換和信息輸出的精密測量技術，測量精度、靈敏度和穩定性優勢明顯。

三是量子計算，以量子比特為基本單元，通過量子態受控演化實現信息編碼和計算存儲，具有巨大信息攜帶量和超強並行計算能力。事實上，現在發展最為迅速，推廣最為廣泛的實用化量子科技就是量子計算技術。比如：量子神經網絡與深度學習，道路交通信息通信系統和同時路線最優化算法，量子算法+化學分子研發抗體類、多肽類藥物，量子化學應用雲服務，金融資產風險管理與分析等等。IBM、華為、大眾汽車、谷歌等多家企業機構均已在量子計算技術實用化道路上取得了非凡的成績。

可以預見，未來量子技術的實用化發展將實現真正惠及每一個百姓，給百姓日常生活帶來翻天覆地的變化。

【粵港澳大灣區有望成為我國量子信息產業發展的排頭兵】

中山大學有曾經位居於世界第一的超級計算機天河二號，羅教授提到，未來廣東的高校、科研院所，以及一些具有發展優勢的傳統信息產業的企業，必將能夠把以前在傳統信息產業發展中所積累的優勢成功轉化為量子信息技術產業發展的優勢。量子信息產業的光電技術、雷射技術、真空技術、精密機械製造技術、微製備技術、高速電子器件技術等，實際上都依賴於傳統產業發展的基礎，兩者之間密不可分、相互促進。

羅樂教授最後談到，在中央政治局集體學習中，這是因為量子技術會對整個信息技術產生革命性的影響，將會成為一種非常重要的體現國家競爭力的核心技術。基於廣東在人才吸引、智力引進、制度創新方面所具有的獨特優勢，我們可以相信廣東完全可以在量子信息技術產業的發展上成為中國的排頭兵，甚至能夠引領世界發展的潮流，有信心期待粵港澳大灣區能夠成為一個量子灣區，信息科技的下一個矽谷。作者：蘇華麗、張嘉嘉、周秋洪、黃愛文

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