什麼是量子？量子科技上升為國家戰略

近年來，你肯定看到了越來越多與「量子」有關的科技新聞。

2016年8月16日，我國發射世界上第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」，更是全球轟動。

但你如果想了解量子科學，在網絡上看到的又大多是各種玄而又玄、莫名其妙的說法，什麼「沒有人懂得量子力學」，「超時空的瞬間作用」，「上帝不擲骰子」，越看越糊塗。

你不禁會嘀咕：也許這麼高深的東西，本來就超出了我的理解範圍？

實際上，量子科技並非無法言傳，它是完全可以理解的。

「量子」是什麼？

量子科學之所以顯得神秘，首先這個名字就是一大原因。

看到「量子」這個詞，許多人在「不明覺厲」之餘，第一反應就是把它理解成某種粒子。但是只要是上過中學的人，都知道我們日常見到的物質是由原子組成的，原子又是由原子核與電子組成的，原子核是由質子和中子組成的。那麼量子究竟是什麼？難道是比原子、電子更小的粒子嗎？

其實不是。量子跟原子、電子根本不能比較大小，因為它的本意是一個數學概念。正如「5」是一個數字，「3個蘋果」是一個實物，你問「5」和「3個蘋果」哪個大，這讓人怎麼回答？正確的回答只能是：它們不是同一範疇的概念，無法比較。

量子這個數學概念的意思究竟是什麼呢？就是「離散變化的最小單元」。

什麼叫「離散變化」？我們統計人數時，可以有一個人、兩個人，但不可能有半個人、1/3個人。我們上臺階時，只能上一個臺階、兩個臺階，而不能上半個臺階、1/3 個臺階。這些就是「離散變化」。對於統計人數來說，一個人就是一個量子。對於上臺階來說，一個臺階就是一個量子。如果某個東西只能離散變化，我們就說它是「量子化」的。

什麼是「量子力學」？

量子力學和相對論是二十世紀的兩大科學革命，對人類的世界觀產生了強烈的震撼。但論公眾中的知名度，量子力學似乎比相對論低得多。原因可能在於，相對論主要是由愛因斯坦一個人創立的，孤膽英雄的形象易於記憶和傳播，而量子力學的主要貢獻者有好幾位，沒有一個獨一無二的代言人。愛因斯坦和相對論稱得上婦孺皆知，而聽說過量子力學中的「薛丁格的貓」、「海森堡測不準原理」這些詞的人，已經算是科學發燒友了。

描述微觀世界必須用量子力學，宏觀物質的性質又是由其微觀結構決定的。因此，不僅研究原子、分子、雷射這些微觀對象時必須用量子力學，而且研究宏觀物質的導電性、導熱性、硬度、晶體結構、相變等性質時也必須用量子力學。

許多最基本的問題，是量子力學出現後才能回答的。例如：

為什麼原子能保持穩定，例如氫原子中的電子不落到原子核上？（因為氫原子中電子的能量是量子化的，最低只能取-13.6 eV，如果落到原子核上就變成負無窮，低於這個值了。）

現代社會碩果纍纍的技術成就，幾乎全都與量子力學有關。你打開一個電器，導電性是由量子力學解釋的，電源、晶片、存儲器、顯示器的工作原理是基於量子力學的。走進一個房間，鋼鐵、水泥、玻璃、塑料、纖維、橡膠的性質是由量子力學決定的。登上飛機、輪船、汽車，燃料的燃燒過程是由量子力學決定的。研製新的化學工藝、新材料、新藥，都離不開量子力學。

為什麼最近量子力學「火了」？

既然量子力學出現已經超過了一個世紀，為什麼最近在媒體上變得如此火熱？回答是：量子力學與信息科學的交叉學科——量子信息。

而量子信息跟經典信息相比有很大的優勢。

首先是一個顯而易見的優勢。前面比喻過：經典比特是「開關」，只有開和關兩個狀態，而量子比特是「旋鈕」，有無窮多個狀態。旋鈕的信息量顯然比開關大得多。

還有一個稍微複雜一點的優勢。一個包含n個經典比特的體系，總共有2ⁿ個狀態。想知道一個函數在這個n比特體系上的效果，需要對這2ⁿ個狀態都計算一遍，總共要2ⁿ次操作。當n很大的時候，2ⁿ是一個巨大的數字。指數增長是一種極快的增長，比n的任何多項式都快。比如說，2ⁿ比n的10000次方增長得還要快。

指數增長的威力。如圖所示，指數函數雖然在最初落後，但很快勢不可擋地超越了線性函數和三次方函數，而且越到後面把它們甩得越遠。

但在歡呼之前，我們需要認清，這個巨大的優勢並不容易利用。因為所有2ⁿ個結果是疊加在一起的，讀取出來需要做測量，而一做測量就只剩下一個結果，其餘的結果都被破壞了。所以我們只能把這個優勢稱為潛在的巨大優勢，真要利用它，需要非常巧妙的算法。

這樣的算法只對少數的問題能夠設計出來，後面會舉一些例子，如「因數分解」。有些科普文章把量子計算機描寫成無所不能，快成神了，這是重大的誤解。量子計算機的強大，是與問題相關的，只針對特定的問題。

從2016年「墨子號」量子科學實驗衛星發射升空，更多國人開始關注量子通信這一「黑科技」，到2020年10月16日，中央政治局集中學習，量子科技已成為科技大國集中發力的新一輪科技革命和產業變革前沿陣地。接受《環球時報》記者採訪的中國專家認為，量子科技是真正的未來科技，在複雜的國際競爭中，將擁有不可替代的戰略地位。

墨子號

量子科技對中國有多重要？

將帶來重大顛覆性技術創新

量子科技並不是新近出現的新學科領域，它距離民眾並不遙遠。量子科技發展逾百年，人類對量子科學的認識和發展產生的現代信息技術、計算機、通信，還有高密度信息存儲、全球定位系統，這都是量子技術一些隱形應用。資訊時代的關鍵核心技術，如電晶體、雷射、硬碟、GPS等是第一代量子技術的一些例子。

而現在，世界已進入第二次量子技術革命時代，通過主動人工設計和操控量子態發展量子技術和應用。中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員袁嵐峰認為，量子科技被中央賦予前所未有的重視程度受之無愧，因為量子力學和相對論是現代物理學的兩大基礎理論。人類在20世紀基於量子力學了解了微觀世界，才產生了許多重大的技術進步和發明創造。例如導電性，就是有了量子力學後才能解釋清楚的。磁性也是如此。

量子科技的應用為科技發展帶來無限的想像空間。那它將帶來哪些重大顛覆性技術創新呢？

據介紹，目前全球一年產生的數據量需要數百億個存儲量為1TB的硬碟，而未來量子存儲設備則只需要指甲蓋大小就能存儲人類幾百年的信息。這給高密度、低能耗的信息存儲帶來巨大想像空間，而基於此的大數據發展也將突飛猛進。清華大學副校長薛其坤說，量子計算會顛覆性提高信息運算處理速度，量子通信會大幅度提升通信安全性，量子精密測量和傳感技術會在未來數字時代和萬物互聯時代有著廣泛的應用。

此外，得益於量子保密通信的高度安全性，量子通信未來將在國防、財務和金融專網等領域具有重要應用。中國科學技術大學常務副校長、中國科學院院士潘建偉19日撰文表示，量子科技是事關國家安全和社會經濟高質量發展的戰略性領域，必須將創新主動權和發展主動權牢牢掌握在自己手中。

袁嵐峰也表示，量子通信是中國目前少有的在全球領跑的科學領域，這是非常難能可貴的。整個量子信息領域非常廣闊，中國沒有理由不重視，不大力發展。

中國既有領先也存在短板

薛其坤介紹說，中國在量子通信基礎研究有很多亮點，比如北鬥時間測量系統定位已提高到非常高的精度，就是量子科技在全球定位或者衛星導航系統的一個重要應用。「所以不管在基礎研究，還是在通信、量子計算包括精密測量和傳感上，我們國家都有很多可圈可點的東西。」

其中「墨子號」無疑是最具有代表性的成果。據公開報導，「墨子號」於今年6月實現全球首次千公裡級量子糾纏密鑰分發。潘建偉稱，這一實驗成果將無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個數量級，並通過物理原理確保，即使在衛星被他方控制的極端情況下依然能實現安全的量子保密通信，取得了量子保密通信現實應用的重要突破。

路透社稱，按預定規劃，中國將陸續發射「墨子二號」「墨子三號」，到2025年前後構建起全球首座由中國主導的量子星群。未來量子通信工程應用、量子通信產業化推進，均可全球領先。展望約15年後，中國定製的量子網際網路，有望取代今天美國主導的光纖網際網路。

薛其坤表示，未來10年在量子信息科學的發展中，中國科學家的研究將會整體進入世界第一陣列，有些研究方向甚至會扮演引領角色。因此未來10年，中國科學家對世界信息技術的貢獻將會超過以往40年對世界貢獻的總和，這將是中國科學家大有作為的10年。

袁嵐峰表示，在量子計算領域，中國稍微落後於發達國家，不過各有特色；而在精密測量領域，中國整體上落後於發達國家，同時發展迅速。薛其坤表示，「在量子技術上中國的短板和中國在信息技術的短板有點類似，所以要加強關鍵核心元器件這種高端的技術材料、設備的研發，這都是我們需要解決的一些短板。」

華安證券分析師尹沿枝認為，當前正處於國家「十四五」規劃編制的重要窗口期，中央集體學習量子科技，再次凸顯量子科技作為國家戰略的頂層設計。他表示，量子信息技術在面向「十四五」乃至更長遠的未來，有望成為中國在全球科技產業中「換道超車」、掌握產業鏈話語權的重要核心技術，具有深遠戰略意義。

各國激烈爭奪技術制高點

正是因為量子技術所蘊含的巨大發展前景，量子科技領域的國際競爭日益激烈。據了解，全球主要科技強國近期均出臺了國家層面的量子信息技術戰略計劃。美國正在建設量子網絡；英國建成了連接布裡斯託、劍橋等地的量子網絡，並聯合新加坡啟動了量子衛星項目；德國、法國等19個歐盟成員國籤署了未來10年開發和部署歐盟範圍內量子通信基礎設施的聲明。

尹沿枝稱，美國近10年來，已通過「量子信息科學和技術發展規劃」等項目，以每年約2億美元的投入力度，持續支持量子信息各領域研究。歐盟2016年推出「量子宣言」旗艦計劃，在未來10年投資10億歐元，支持量子計算、通信、模擬和傳感四大領域的研究和應用推廣，並在 2018年11月正式啟動首批20個研究項目。日本文部科學省2013年成立量子信息和通信研究促進會以及量子科學技術研究開發機構，計劃未來十年內投資400億日元，支持量子通信和量子信息領域的研發。

而美國尤其表現得雄心勃勃。2018年底，美國頒布了《國家量子倡議法案》，宣稱絕不能容忍在量子科技領域落後。2020年7月23日，美國能源部宣布了建設量子網際網路的藍圖。10月7日，美國發布的《國家量子信息科學戰略投入的量子前沿報告》宣布，美國將在量子信息科學領域保持領導地位，作為確保美國長期經濟繁榮和國家安全的關鍵優先事項。袁嵐峰說，「這些文件都表明，美國非常重視量子科技，決心用國家的力量大量投入。」

目前，量子科技的競爭並非只局限於政府之間，企業之間的競爭也非常激烈。潘建偉說，谷歌、微軟、IBM、英特爾等國際巨頭企業積極投入量子計算研發。尹沿枝表示，美國的這些企業近年來大舉進軍量子計算領域，並且與耶魯大學、麻省理工學院、加州大學系統等科研機構聯合攻關共性技術，主要集中在超導量子計算領域，目前這些企業已經在超導量子計算領域取得較好成果。另外，在產業化方面，IBM發布超導量子比特的量子計算雲平臺。而谷歌也推出了72比特的量子計算晶片「狐尾松」。

來源：科創中國、科普遼寧、山東科普等