中國的量子科技現狀：通信領先，計算和測量有待追趕

對大眾來說，「量子」已經不是一個陌生的詞，但一些商家的誤導和過度宣傳，讓這個詞變得不那麼純粹。「遇事不決，量子力學」這句調侃的話，道出了這個領域的尷尬境地。

真正有技術含量的量子科技應該是怎麼樣的？目前量子科技主流的研究方向，是量子力學和信息科學的交叉學科——量子信息。

實際上，以量子信息為代表的量子科技，正在推動著第二次量子革命。第一次量子革命主要是利用微觀粒子系統的物理規律，誕生了半導體、雷射和核能等新技術領域。而第二次量子革命，則是通過直接觀測和操控微觀粒子系統，對量子信息進行運用。

和信息技術包含信息獲取、處理和傳遞三個部分類似，對量子信息的運用，可細分為量子測量、量子計算和量子通信。這其中，量子通信和量子計算最受關注，但量子測量同樣具有極大的發展潛力和市場前景。那麼，在這三個領域中，中國目前處於什麼樣位置？

在量子通信領域處於領先地位

所謂量子通信，即利用微觀粒子的特性，對傳輸的信息進行加密。值得注意的是，這裡所說的「量子通信」本質上是一種新的加密手段，而信息的傳輸方式仍是常規手段（如光纖）。

中國科學技術大學教授陳宇翱介紹，建立量子保密通信的終極目標，就是建立覆蓋全國乃至全球範圍的量子保密通信網絡。目前世界上比較公認的路線圖是：先利用光纖在城市內構建一個網絡，然後利用中繼連接城市。在超遠距離，通過衛星的中轉實現遠距離的量子通信。

中國已經率先走完了整個路線圖。中國科學技術大學教授陸朝陽表示，在量子通信領域，「我國是全面領先於歐洲和美國的」。

專利數量體現了這一優勢。據中國信息通信研究院統計，中國最近幾年申請量子通信相關的專利相當多，高於美國和日本。由於早期中國專利申請量較少，所以目前中國專利授權量少於美國，但未來會繼續上升。

專利之外，中國實實在在地在量子通信領域取得不少突破。科普中國一篇文章寫道，在很長時間內，量子通信的安全傳輸距離，只有 10 公裡量級，因此學術界曾經認為量子密碼學基本已經到頭了，沒有太大前途。2003 至 2005 年期間，韓國和中國科學家提出了一種新的協議，使得安全傳輸距離可以提高到百公裡的量級。從此之後，量子通信蓬勃發展，而中國獲得了領先地位，大部分的新紀錄都是中國科學技術大學的研究團隊創造的。

說到中國科學技術大學，肯定繞不開潘建偉團隊。早在 2003 年，該團隊就提出，利用衛星實現星地間量子通信、構建覆蓋全球量子保密通信網的方案。這方案於 2011 年底正式立項，並在 2016 年 8 月 16 日走出裡程碑式的一步：中國發射了世界上第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」。

基於「墨子號」衛星，潘建偉團隊在 2017 年 8 月完成了三大科學實驗任務，比預想提前了一年多。這標誌著中國率先掌握了星地一體廣域量子通信網絡技術。

2017 年 9 月 29 日，中國開通了世界首條量子保密通信幹線「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。

雖然量子加密的方式不可破解，但通信節點卻是可以被攻破的。曾經有過論文提出，通過攻擊節點的信源端來盜竊量子密碼。簡而言之，就是用物理手段來攻擊量子通信所需的設備，而非數學意義上的破解密碼。也就是說，「京滬幹線」在工程層面上，其實是有理論上漏洞的。當然，這種漏洞也可以通過工程手段來解決，比如加強設備安全性。

事實上，利用「墨子號」進行量子通信，也有安全隱患。基於常規傳輸方式進行信息傳輸，「墨子號」 衛星掌握著用戶分發的全部密鑰，倘若衛星被他方控制，就存在信息洩漏的風險。不過，潘建偉及其團隊於 2020 年 6 月發表在《自然》雜誌上的一項成果解決了這個問題。

該團隊利用量子糾纏的特性，只在地面站用戶端對量子進行測量，糾纏源（衛星）不掌握密鑰任何信息，即使衛星被他方劫持了，密鑰也不會洩漏。在該論文之前，基於衛星糾纏的分發，效率低下、錯誤率高，不足以支持量子密鑰分發。該團隊通過對地面站望遠鏡進行特殊設計，升級主光學和後光路，解決了衛星糾纏分發效率低的問題。

最終，他們藉助 「墨子號」，在相隔 1120 公裡的兩個地面站之間，成功實現基於糾纏的量子密鑰分發。即使在衛星被他方控制的極端情況下，通過物理原理依然能實現安全量子通信。《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。」

不管怎麼說，有了「京滬幹線」和「墨子號」，意味著中國初步構建了天地一體化的廣域量子通信網絡基礎設施。在此基礎上，中國得以推動量子通信技術的產業化應用。

就「京滬幹線」而言，已經被用於金融、政府和國防等領域的加密數據傳輸。一些網際網路企業，也可通過阿里雲使用雲上量子通信加密服務。「墨子號」的產業化難度相對較高，過去配合「墨子號」使用的量子衛星地面站，體積龐大，重達十幾噸，難以產業化應用。

2019 年 12 月 30 日，中國自主研發的首個小型化可移動量子衛星地面站（重量僅 80 多公斤），與「墨子號」對接成功，實現了量子技術產品化的突破，中國量子通信有望進入產業化的時代。

在建設「墨子號」和「京滬幹線」項目過程中，潘建偉團隊通過成果轉化培育了一家商業公司——國盾量子。2017 年起，美國將量子通信相關的關鍵技術、產品和器件列入出口管制名單，國盾量子希望靠自主研發，保障項目關鍵元器件的供應。

2020 年 7 月，國盾量子作為 A 股「量子通信第一股」上市，當天收盤價較發行價上漲 10 倍，足見中國資本市場對量子通信技術的追捧。不過，整體而言量子通信依然是一種新技術，現階段還處於產品推廣期。

在量子計算和量子測量領域，仍待追趕

量子計算是指利用量子力學原理來處理信息，相應的計算機被稱之為量子計算機。1981 年，美國物理學家查德・費曼提出，原則上，人們可以設計一種計算機，該計算機通過量子力學特性來工作。經典計算機的信息單位是比特，而量子計算機基於量子比特。

經過幾十年的發展，研究者們已經搭建起整個量子計算的理論體系。目前研究的重點，是把理論研究進行產業化。據中國科學技術大學博士、本源量子副總裁張輝介紹，從量子計算角度看，中國和美國至少還有 4~5 年的差距。

據中國信息通信研究院統計，在專利層面，美國不管是申請量還是授權量，都穩居前列。中國專利申請量在 2018 年超過了美國，但授權量與美國仍有不少差距。

一些關鍵成果都是美國企業率先做出了突破。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。

目前，中國的學界和業界正努力縮短和美國的差距。在學界，浙江大學和中國科學院組成的團隊，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。

在業界，大公司如騰訊、阿里巴巴、百度和華為，創業公司如本源量子，都在量子計算上有所建樹。其中，阿里巴巴在 2017 年 5 月宣布，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」，除了外層制冷機由國外供應商提供外，其他部件都是本源量子自主研發，或由國內廠商製造。

這臺量子計算機只能提供 6 個量子比特，對標的是 IBM 在 2017 年在雲端發布的 5 比特量子計算機。目前，IBM 在雲平臺上提供了 50 個量子比特的計算系統。

量子通信和量子計算之外，量子信息學科還有另外一個重要方向——量子測量。經典測量方法受限於種種因素，測量精度提升面臨瓶頸。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，比如中國的北鬥導航系統利用量子測量技術，把定位精度提高到非常高的程度。

如上文所說，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。

據中國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。從地域上看，美、中、日的專利申請量較多，且中國在 2018 年趕超了美國，但綜合實力仍不及美國。

中國的研究多集中在高校和科研機構，如北京航空航天大學、中國科學技術大學以及中國航天科工三院 33 所，其中中國科學技術大學剛剛取得一項重要科研進展。

據新華社 2020 年 10 月 20 日報導，潘建偉、陸朝陽等人與美國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。

總的來說，以量子信息為代表的第二次量子革命中，中國處於競爭的第一梯隊。在量子通信領域，中國領先於世界。而在量子計算和量子測量領域，中國仍需追趕。