「前途」無量的量子科技
■張 媛 紀小檸 汪冬立
10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行集體學習。習近平總書記強調，要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局，把握大趨勢，下好先手棋。
揭開量子的神秘面紗，人們愈來愈認識到，量子科技代表著人類社會未來，是事關國家安全和社會經濟高質量發展的戰略性領域，是對傳統技術體系產生衝擊、進行重構的重大顛覆性技術創新，將引領新一輪科技革命和產業變革，可謂「前途」無量。
對於量子科技的研究，美國、歐盟、澳大利亞、俄羅斯等世界大國和地區組織已持續多年，在量子信息領域都做了大量前期部署工作。我國在發展量子科技上，也按下了「加速鍵」。
上圖為量子糾纏概念圖。
量子思維讓腦洞大開
您是不是覺得量子科技非常高冷，聽上去似懂非懂，甚至有點亦真亦幻？不光您這麼想，連量子物理奠基人尼爾斯·玻爾都曾說過：「如果誰不對量子力學感到困惑，他就沒有理解它。」
其實，我們每天都生活在量子世界裡。量子是物質的基本單元：如果把物理量一份一份往下分，分到無法再分的小塊，就是量子。比如，光量子就是光能量的基本單元，不可能再分為半個光量子。
那麼，我們為何完全感覺不到它的存在，甚至很難理解量子世界的現象？這是因為我們熟悉的尺度和量子尺度相差太大。比如，一張桌子是米尺度，一根頭髮絲是毫米尺度，而量子物理的研究對象比頭髮絲的尺度還小几千萬倍甚至幾億倍。如果人縮小成頭髮絲直徑的幾千萬分之一大小，那麼人類生活的世界將完全遵循另一套規則。
在我們熟知的牛頓經典思維模式下，「世界是測得準的」，一切都是客觀的、精準的、機械聯繫的、可描述可量化的數學模型，好比您提起筆就能計算分析出一個木塊從斜坡滑落的全過程。但是量子思維的幾大關鍵詞，可能顛覆這一切——
關鍵詞一：「概率」。世界是跳躍的、不可預知的、測不準的，或者說是像蝴蝶效應那樣異常複雜關聯的。
關鍵詞二：「重疊」。世界是「複數」的，在我們選定之前，選擇是無限的和變化的。直到最終選定了，其他可能性才「崩塌」。同時，這個選擇為我們下一次選擇又提供了無窮多的選項。
關鍵詞三：「觀測者」。這個就更加詭異了——如果您去觀測量子系統，它立刻就變了！換句話說，量子的狀態取決於觀測者。
愛因斯坦形容量子世界「如幽靈一般」。在那裡，人們堅信不疑的很多自然法則都將失效，理解宇宙的角度會徹底發生改變。在推開量子世界大門前，您需要拋棄在宏觀世界所獲得的一切常識，換上量子思維，保持腦洞大開狀態，並隨時準備驚呼：「這怎麼可能？！」
小小量子掀起兩次革命
有了量子思維，也許您就好理解量子所擁有的兩個「絕技」了：一是「分身術」——量子疊加，一個量子可同時存在好幾種狀態；另一個是「遠程心靈感應」——量子糾纏，一對糾纏的量子就好像一對有心靈感應的雙胞胎一樣。同時，量子還很「古怪」——不可分割和不可克隆。
正是具備這些神奇特性，使如此微小的量子爆發出巨大能量，在人類歷史上掀起兩次科技浪潮。
早在1900年，德國物理學家普朗克提出量子概念，現實世界的「硬核」就此被劈開，隨之開啟量子時代。海森堡、薛丁格、玻爾等一批天才科學家基本完成了量子力學的理論框架。
量子力學是上世紀最偉大的科學發現之一。基於量子力學，才有了電晶體、雷射、核聚變、移動通信、全球定位系統等現代技術，使人類進入資訊時代，繼而發展產生了當下無處不在的電腦和網際網路, 造就了社會進一步繁榮。這便是第一次量子革命。
上世紀80年代，基於量子力學，在信息領域誕生了量子信息技術。比如量子計算機、量子密碼、量子傳感等，不僅其原理是量子力學，器件本身也具備了疊加、糾纏、非局域性、不可克隆性等量子世界特性，突破了經典技術的物理極限，找到了新的研究方向。量子信息技術的誕生稱為第二次量子革命。
量子科技是目前最前沿的科技之一，它正走出實驗室，在各個領域實現前所未有的跨越式發展。甚至有人預言，就像蒸汽機、電力和計算機一樣，量子技術將成為第四次技術革命的標誌。
「升起一對雙子星」
中國科技大學郭光燦院士曾經形象地說：「量子計算機的運算能力同電子計算機相比，等同於電子計算機的運算能力同算盤相比。」我們所使用的計算機，是以比特0和1兩個狀態作為信息處理單元，一次只能處理一個非0即1的單一狀態比特；而量子計算處理單元是量子比特，由於疊加效應，可同時處理0和1，就像是孫悟空可分身成幾十個來打妖怪一樣。如果利用量子技術製造一臺光量子計算機，那麼經典計算機幾十萬年的運算時間將縮短為幾秒鐘。
所以，當量子比特數不斷增加，「分身」就越多，計算速度就會呈指數級增長。當量子比特達到50個，也就是250種狀態同時存在時，這個數字究竟巨大到什麼程度呢？換算成一張0.1毫米的A4紙對摺50次的厚度，這個數字是1億公裡，接近從地球到太陽距離的3/4。當量子計算機能達到100個比特時，在某些方向就可能比超級計算機快百億億倍了。
這麼強大的算力我們該怎麼使用？
首先，過去很難或無法解決的大規模、高維度計算難題，這下可以快速解決了。比如典型的搜索問題、組合優化問題，諸如最優路線選擇、密碼破譯、網絡威脅預測、城市交通規劃，等等。
其次，可利用人造量子系統來模擬自然量子系統，從而探索分子的動力學性質。比如高溫超導現象，一旦我們把高溫超導的機制模擬分析出來，就能設計出一些超導新材料。這將為藥物設計、新材料探索、天氣預測、太空探索、化工等領域打開一扇新的大門，具有重大經濟和社會價值。
特別值得期待的是，人工智慧與量子科技將相生相伴、同時進化，「升起一對雙子星」。
英特爾的創始人戈登·摩爾提出了著名的摩爾定律：每18個月左右，計算機的運算速度就會翻倍。如果沒有晶片中矽電晶體的指數級增長、實現算力越來越強，近些年來人工智慧不可能成績斐然。然而今天，一枚電晶體的尺寸已遠小於一個流感病毒，逼近物理極限，計算機計算速度即將陷入「瓶頸」，人工智慧或將面臨「寒冬」。
科學家們確信，只有超越經典計算的量子計算，才能成為人工智慧突破極限的堅強後盾。特別是依賴大規模數據處理的機器學習技術，將大大受益於量子計算，產生無限可能；同時人工智慧技術可實現對量子計算的自校準評估，相伴進化發展。
在一個可預測的期間，量子計算將逐步從解決最優化問題、量子加密通信、分子結構研究，過渡到融入人工智慧，滲透進智能製造、智能物流與智能零售、智慧金融等各行業。而雲服務將是量子計算可提供的服務新形態。
量子通信「編織」量子網際網路
這是量子世界最奇妙的現象：相互獨立的粒子可以完全「糾纏」在一起，就算這兩個粒子分別處於宇宙的兩端，雙方都能「感應」到對方的狀態；只要其中一個粒子的狀態發生變化，另一個粒子也會瞬間發生狀態改變。
同時，量子處於多種可能的疊加狀態，在對其觀測前，無法確定其真實狀態。我們可通過構造有著量子糾纏態的粒子，實現具有顛覆意義的絕對安全通信。
藉助量子的神奇特性，科學家們已尋找到無法被破譯的密碼、人類目前唯一無條件安全的加密方式、量子通信中最關鍵的一環——量子密鑰分發。
量子密鑰採用單光子作為載體，竊密者一旦行動，就會觸發第一層「防火牆」——量子態的粒子發生改變。竊聽行為馬上會被傳遞信息的用戶發覺，收發雙方即刻不再使用該密鑰對信息內容加密。作為「竊密者」，既然量子態的粒子不能被複製，截取後直接測量不就可以了嗎？對不起，這麼做會觸發第二層「防火牆」——測不準原理。就算是被竊聽者截住，也沒有辦法得到正確信息。量子衛星是實現超遠距離量子通信最有希望的途徑。2016年8月，世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」在中國發射成功。
量子通信技術和量子資源，催生了新型功能網絡——量子網際網路。它將帶來網絡安全、計算以及科學上的飛躍，應用前景廣闊：除了可實現無條件安全通信外，還可連接多個量子計算機，構建分布式量子計算系統，形成單個量子計算機無法實現的規模計算能力；形成傳感器網絡，將全球定位系統等導航網絡的精度從米級提高到毫米級；連接相距數千公裡的光學望遠鏡，可獲得相當於一個同等直徑單筒望遠鏡的解析度，等等。
2020年5月，歐盟表示，將推動量子通信與傳統網絡基礎設施和應用相結合，開發可用於全球安全密鑰分發、基於衛星的量子密碼，為未來「量子網際網路」遠景奠定基礎。
