日前，随着一則消息的刷屏，量子科技成為當仁不讓的熱點話題。這一引發廣泛熱議的新晉“網紅”究竟是“何方神聖”，為何它會得到全世界的高度關注，在現實生活中它又有何應用前景？

小編帶您一起走近量子科技。

神秘的量子世界

認識量子科技先要從量子說起。量子是什麼？根據量子理論，量子是構成物質的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。一個事物如果存在最小的不可分割的基本單位，我們就可以說它是量子化的，并把最小單位稱為量子。

所有人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現形态。

中科院物理所研究員曹則賢在2020新年跨年科學演講中曾打過這樣一個比方：我們生活中可以見到的感知到的事物，包括光和能量的最小單位都能稱之為量子。就像我們遠處看魚群是烏央烏央的一片黑，但是放大了看就是一條一條的魚，這就可以說是魚群的量子。

在中國科學技術大學副研究員、科普專家袁岚峰看來，量子的本意是個數學概念，簡言之就是“離散變化的最小單元”。

什麼叫“離散變化”？袁岚峰在媒體上這樣撰文解釋：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。我們上台階時，隻能上一個台階、兩個台階，而不能上半個台階、1／3 個台階。這些就是“離散變化”。對于統計人數來說，一個人就是一個量子。對于上台階來說，一個台階就是一個量子。如果某個東西隻能離散變化，我們就說它是“量子化”的。

不同于我們認識的宏觀世界，人們發現在量子這一微觀世界中許多實驗現象違背常識，完全無法用經典物理诠釋。

比如，根據經典物理學，一個客體的狀态（用0和1表示）就像最簡單的二進制開和關，隻能處于開或者關中的某一個狀态，即要麼是0要麼是1，這就好比一隻貓，要麼是生要麼是死，不能同時“又生又死”。

但這一理論并不适用于量子世界：在量子世界中，一隻貓可以處于又生又死的疊加狀态。這種所謂的量子相幹疊加正是量子世界與經典世界的根本區别。

更為神奇的是，這種疊加狀态極其脆弱，一旦有人去測量，它就會立刻從疊加狀态變為确定狀态。

難怪連美國物理學家、諾貝爾獎獲得者穆雷·蓋爾曼也曾發出如是感慨：量子力學是一個神秘的、令人捉摸不透的學科，我們誰都談不上真正理解，隻是知道怎樣去運用它。

“無條件安全”的量子通信

雖然聽起來很神秘，但量子科技距離人們其實沒有那麼遙遠。比如，信息時代的關鍵核心技術，晶體管、固态硬盤、掃描電子顯微鏡等，即是第一代量子技術的代表性成果。

今天，量子科技發展具有重大科學意義和戰略價值，将引領新一輪科技革命和産業變革方向。

中國科學院物理研究所研究員範桁介紹，量子科技主要包含三個方面的内容，量子計算、量子保密通信和量子精密測量。

其中，量子保密通信主要表現為量子秘鑰分發。量子精密測量主要以利用量子效應實現超越經典方法的精密測量為主，具有廣泛的應用價值。量子計算是量子科技的重要組成部分，也是最具挑戰的目标，被認為是下一代信息産業的制高點，意義重大。

這三方面的内容也是世界各國量子計劃的主要組成部分。

不過，目前應用最為成熟的當屬量子通信。

所謂量子通信，簡單說就是是利用量子力學相關原理解決信息安全問題的通信技術。

其中，一個著名原理就是量子糾纏：量子體系中一般情況下一個物理量的值并不能預先确定，而是依賴于采取何種測量基，進一步，對處于量子糾纏的兩個粒子，對其中一個粒子的測量結果會瞬間确定另一個粒子的狀态，不論它們相距多麼遙遠。

這一被愛因斯坦稱作“鬼魅般的超距作用”，便是量子通信的理論基礎。

傳統的通信方式建立在加密算法或者加密技術基礎之上，如果計算能力足夠強大加密算法被破解，就有被竊聽的風險。而量子的獨有特性，使其具有不可克隆、測不準等“先天優勢”。用量子做成的“密鑰”來傳遞信息，加密的内容不會被破譯，竊聽者必然會被“抓包”，這為破解信息加密“瓶頸”提供了解決方案。

向着安全通信的夢想努力奔跑，我國于2016年8月發射的“墨子号”量子科學實驗衛星，在2017年星地量子密鑰分發的成碼率已經達到10 千比特／秒（kbps）量級，成功驗證了星地量子密鑰分發的可行性。目前經過系統優化，密鑰分發成碼率已經能夠達到100千比特／秒（kbps）量級，具備了初步的實用價值。

1120公裡！2020年，“墨子号”量子科學實驗衛星再立新功：科學家們利用“墨子号”作為量子糾纏源，向遙遠的兩地分發量子糾纏，在國際上首次實現了千公裡級基于糾纏的量子密鑰分發——為量子通信走向現實應用奠定了重要基礎。

“量子通信克服了經典加密技術内在的安全隐患，因為其安全性不依賴于計算複雜度，這是原理上無條件安全的一種通信方式。”中科院院士潘建偉稱。

潛力無限的量子計算

除了量子保密通信，科學家們密切關注的另一個重要應用就是量子計算機了。

在古代，人們就已制造出可進行一定計算的器具和機器，比如中國發明的算盤，歐洲早期發明的各種計算器械。

埃尼阿克是現代意義上世界第一台計算機，它重達二十七噸，占地一百五十多平方米，由美國在1945年建造成功，目的是計算炮彈彈道。馮諾依曼1945年明确提出了存儲程序通用計算機方案，規劃了電子計算機架構，使得計算機可以被廣泛應用。

“但是現有的計算機基于微處理器芯片摩爾定律無疑會碰到技術瓶頸，于是人們開始思考建造一種全新的計算機——量子計算機。”

根據範桁的介紹，量子計算機的運行遵循量子力學原理，以量子比特為基本信息單元，以量子糾纏、相幹疊加和量子測量為特色，其發展也将遵循經典計算機類似的軌迹。

“不過我們現在看到的量子計算機原型機功能比較單一，隻能模拟某些特定的量子過程，或者解決某些簡單的問題。”

但如果世界上有量子計算機，我們現有的經典計算機能否實現其功能？

範桁分享了相關方面的國際科研進展：2019年谷歌宣布實現了53個量子比特的超導量子計算，在處理随機線路采樣問題時，其200秒完成的任務，經典計算機需要用一萬年。

超導量子處理器芯片已經達到約50－100個量子比特，用經典計算機模拟其功能需要用天河或者太湖之光這樣的超級計算機。

“而多增加一個量子比特，經典計算機的資源就需要翻倍，這個競争将不具有持續性，所以量子計算機的功能不可能用經典計算機來替代。”範桁表示。

不僅如此，人們已知運行于量子計算機的某些量子算法相較于經典算法具有明顯的優勢，比如肖爾算法和格羅夫量子搜索，它們都在信息安全方面具有重要的應用，這些算法的實用化運行将迅速對現有的信息安全體系造成全面沖擊。

在實用性方面，量子搜索算法可以期望應用于大數據；量子退火算法可以應用于優化問題，比如物流和交通優化等；量子模拟可以被應用于量子化學和量子物理研究，比如生物合成和藥物篩選等，量子模拟向量網絡态可應用于機器學習和神經網絡等。

既然如此強大，那麼量子計算機何時從夢想照進現實？

範桁坦言，量子計算機的研究才剛剛起步，距離實用化需要的成千上萬個量子比特還有較大距離。

此外，量子計算機的建造兼具工程和科學特色，不可控的因素較多，技術上也有瓶頸需要克服，所以需要各個領域的專家聯合攻關，在集中資源進行重點突破的同時，兼顧多種技術路線。

比如，國外IBM等高科技公司逐漸擺脫了單純的科研探索模式，以實用化、集成和綜合性為目标，其研發涵蓋軟硬件各個方向，實現方案大多選擇了超導量子計算方案，以提供雲量子計算服務，培養量子計算生态作為一個重要的目标。

中國科學家在超導量子計算方向也有世界性的先進成果：中科院物理研究所、浙江大學和中國科大等合作，在去年實現了20超導量子比特的薛定谔貓态制備，創造了固态系統糾纏量子比特數世界紀錄。

“長期來看，量子計算機功能強大，是下一代信息技術的制高點，其出現有望影響人類生活的方方面面，國際競争不可避免。”範桁說。

來源：經濟日報經點科學工作室

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!