引領未來的力量，量子科技

2020-10-22 財經觀察小夥

最近被量子科技刷屏，首先10月16日中央政治局集中學習量子科技，規格相當之高；其次21日科技部表示在十四五高新技術發布上，加強前瞻部署和大力發展以智能技術和量子技術為特徵的新一代高新技術，打造我國高新技術的先發優勢，並通過相關科研基金予以支持。

量子科技，未來的兵家必爭之地！

量子科技運用規劃

那麼量子到底是什麼呢？量子是光子、質子、中子、電子、介子等基本粒子的統稱，是能量的最基本攜帶者。120年前由物理學家發現，直到近些年才成為熱門科技詞彙。我們已經在各種科幻電影或小說中提前見過了量子黑科技，三體裡的智子就是用量子糾纏理論建造的。可不是我們在微商上看到的量子內褲，量子面膜之類的智商陷阱。

傳說中的量子面膜

1900年德國物理學家馬克斯-普朗克（就是普朗克常量的那個普朗克）在推導黑體輻射公式時，發現必須假設能量只能取某些基本能量單位的整數倍時，才能得到和實驗相符的公式。這說明物質輻射或吸收的能量不是連續的，而是一份一份進行的，這個最小的一份，就是量子，從而建立了量子力學。

馬克斯-普朗克

這個假設對當時的經典物理學是一個顛覆，利用量子的這個特點解決了很多物理難題，比如愛因斯坦通過波粒二象性解釋了光電效應，波爾通過量子躍遷解釋了氫原子光譜問題。薛丁格的貓思想實驗和貝爾不等式就是大家常常見到的量子力學最簡單模型，並因此發現了量子糾纏的原理。

量子糾纏 它是量子粒子之間的連結，是宇宙的結構單元。一旦兩個粒子發生糾纏，當一個粒子發生變法時，立即在另一個粒子中反映出來，不管它們是在同一個實驗室，還是相距億萬光年，這意味什麼呢？ ①跨越星球的裝置，因為量子糾纏的關聯速度可超過光速。 ②無法破解的密碼，因為單量子不可克隆。 ③隱形的傳輸方式，因為它傳輸的不再是經典信息而是量子態攜帶的量子信息，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間神秘出現，相當於遊戲中的傳送功能。


薛丁格的貓：觀察決定貓的生死

在量子科技領域，與歐美相比，我國起步較晚，但在20世紀的前20年，卻發展迅速，特別是在量子通信領域，中國已經成為國際領跑者。今年7月23日，美國能源部公布了一份報告，該報告規劃了美國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，引領通信的新時代，這並不是美國第一次強調量子科技的重要性，早在2018年底，美國就頒布了《國家量子倡議法案》，宣稱絕不能容忍在量子科技領域落後。


量子技術是基於量子力學與信息科學技術交叉形成的前沿技術，以微觀粒子系統為操控對象，藉助其中的量子疊加態和量子糾纏效應等獨特物理現象進行信息獲取、處理和傳輸，能夠在提升運算處理速度、信息安全保障能力、測量精度和靈敏度等方面帶來原理性優勢和突破經典技術瓶頸。主要在三個方面進行應用：量子計算、量子通信和量子測量。

量子計算：量子計算以量子比特為基本單元，利用量子疊加和幹涉等原理，通過量子態的受控演化實現數據的存儲計算，具有經典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強並行處理能力，在這個計算力為王的時代，量子計算對於傳統計算將形成降維打擊！

量子計算機系統

高校和科研院所是中國量子計算的核心研發力量，分別是中科院、清華大學、中國科學技術大學。


量子計算科研機構


量子計算專利

量子計算的研製屬於巨型系統工程，涉及眾多產業基礎和工程實現環節，我國在高品質材料、工藝結構、製冷設備和測控系統等領域仍落後於領先國家，在關鍵環節甚至面臨著受制於人，被卡脖子的風險。

自中美貿易戰爆發以來，美國不斷限制對中國的高技術產品出口。2019年12月，美國商務部的一份內部文件提出，未來將限制向中國等美國在量子計算上的競爭對手出口稀釋制冷機。稀釋制冷機是基於超導、自旋和拓撲量子比特技術的量子計算機的主要組成部分。

我國本源量子研製稀釋制冷機，並發布量子計算雲平臺。

量子計算雲平臺體系架構

量子計算機遇與挑戰並存，真正能夠發揮量子計算處理能力的"殺手級應用"還未出現，用我國著名量子信息學家郭光燦院士的話來說"只有實現通用量子計算機，才是真正的領先。"

量子通信是利用量子比特作為信息載體來進行信息交互的通信技術。量子通信有兩種最典型的應用方式：量子密鑰分發和量子隱形傳態。量子密鑰分發可以提供原理上無條件安全的通信手段，是首個從實驗室走向實際應用的量子信息技術。量子隱形傳態可以用來傳輸任意未知的量子態，同時也是是遠距離量子密鑰分發所需的量子中繼的重要環節。

量子通信的絕對安全

國內外都在不斷突進量子通信的實用化研究。

2018年，歐盟量子旗艦計劃成立量子網際網路聯盟(QIA)，由代爾夫特理工大學牽頭，採用囚禁離子和光子波長轉換技術探索實現量子隱形傳態和量子存儲中繼，計劃在荷蘭四個城市間建立全球首個光纖量子隱形傳態實驗網絡。

墨子號量子衛星

最近幾年，科學家們通過量子糾纏的特點來進行量子通信的可行性研究，2016年中國發現世界上首顆量子科學實驗衛星--墨子號，用於探索量子通信衛星的可行性；2017年世界首條量子保密通信幹線-京滬幹線正式開通，研製世界首臺光量子計算機；中科大郭光燦院士團隊聯合相關企業建設了從合肥到蕪湖的"合巢蕪城際量子密碼通信網絡"；而到了2020年3月，中科大潘建偉院士團隊突破遠距離獨立雷射相位幹涉技術，分別實現了500公裡量級真實環境光纖的雙場量子密鑰分發（TF-QKD）和相位匹配量子密鑰分發（PM-QKD）。

量子科技相關產業鏈

目前，我國量子保密通信試點應用項目數量和網絡建設規模已處於世界領先水平，並且已經得到了初步的產業化發展，形成了一批以國盾量子、問天量子為代表的商業公司。

量子精密測量是用量子化方法提高七個基本物理量（長度、質量、時間、電流、溫度、物質的量和發光強度）的測量精度。

得益於量子效應，量子精密測量能在諸如時間、重力、磁場、成像、遙感等領域，提供比現有技術更高的測量靈敏度、精度和速度。

量子精密測量技術將在下一代時間基準、精確導航、基本物理常數測量、粒子探測、核磁共振成像、遠程目標識別、全球地形測繪、引力波或暗物質的感應探測等廣泛領域發揮重要作用。

量子測量技術體系

目前量子精密測量領域的世界紀錄大多由歐美國家保持，我國北航、中科大、浙大處於世界先進水平。

中國雖然在量子通信領域處於領跑者地位，但世界各國都在全面布局。誰先取得量子時代的領先，未來十年將至關重要！願天佑中華！

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