量子科技为何成为多国战略布局的重点领域？

在西藏阿里观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境

从顶层设计、战略投资再到人才培养等，全球多国近年来在量子科技领域持续投入。那么什么是量子科技？在现实生活中有何应用前景？各国及科技企业在相关领域的发展态势如何？

解读量子科技还要从量子力学说起。量子力学发源于20世纪初，是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，如果一个物理量存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的。量子力学中有一些“违背常理”的特点，如著名的难知死活的“薛定谔的猫”等。但相关理论不断获得实验支持，在一百多年里催生了许多重大发明——原子弹、激光、晶体管、核磁共振、全球卫星定位系统等，改变了世界面貌。

量子信息技术则是量子力学的最新发展，代表了正兴起的“第二次量子革命”。早在2016年，欧盟就宣布将量子技术作为新的旗舰科研项目，迎接“第二次量子革命”。美国也一直支持量子科技发展，最新动向是在10月7日，白宫科学和技术政策办公室启用了国家量子协调办公室的官方网站，同时发布了《量子前沿报告》。

在量子信息技术中，具有代表性的是量子通信和量子计算。这也是各主要科技大国重点抢占的战略技术高地。

/ 量子通信 / 信息安全传输的“保护盾”

量子通信是利用量子力学相关原理解决信息安全问题的通信技术。其中一个著名原理就是量子纠缠，两个处于纠缠状态的量子就像有“心灵感应”，无论相隔多远，一个量子状态变化，另一个也会随之改变，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。传统的通信方式有被窃听的风险，而在量子通信中，窃听者必然被察觉并被通信双方规避。量子通信因此常被称作信息安全传输的“保护盾”，在保密领域有很大应用前景。

近年来，中国量子通信技术取得多项突破性进展。比如2016年8月，中国发射了自主研制的世界上首颗空间量子科学实验卫星“墨子号”；此后，中国科研人员利用量子卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发等成果。2017年，全球首条量子保密通信骨干网“京沪干线”项目通过总技术验收。

有关方面3月宣布，中国科学技术大学潘建伟团队等研究人员实现了500公里级真实环境光纤的双场量子密钥分发和相位匹配量子密钥分发，传输距离达到509公里，创造了新的世界纪录。

/ 量子计算 / 未来计算技术的“心脏”

量子计算是各国优先发展的另一重点科技领域。与传统计算机相比，量子计算机有独特优势。传统计算机中1个比特在某个时间只能是0或1中的一个状态，而在量子计算机里，由于量子叠加态的存在，1个量子比特可同时记录0和1两个状态。因此，量子计算机拥有计算能力远超传统计算机的潜力。

在量子计算赛道，谷歌、微软、英特尔等西方科技企业拥有先发优势，通过不同技术路径不断实现对更多量子比特的操纵。去年10月，谷歌研究人员在英国《自然》杂志发表论文称，基于一个包含54个量子比特的量子芯片开发了量子计算系统，它花费约200秒完成的任务，传统超级计算机要1万年才能完成。

中国研究人员也在量子计算方面奋起直追。中国科学技术大学、清华大学等高校近年来都在量子计算领域取得一些阶段性成果。百度、阿里巴巴、腾讯、华为等科技企业也相继出台了量子计算研究计划。今年9月，百度、本源量子等企业先后发布了自己的最新量子计算云平台，使普通用户也能通过云技术使用量子计算。

/ 量子纠缠 / 高维量子纠缠态在信道容量上有巨大优势

在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或量子纠缠（quantum entanglement）。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。

阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森于1935年发表的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬（EPR佯谬）论述到上述现象。埃尔温·薛定谔稍后也发表了几篇关于量子纠缠的论文，并且给出了“量子纠缠”这一术语。

日前中国科技大学郭光灿院士团队在高维量子通信研究中取得重要进展，该团队李传锋、柳必恒研究组与奥地利马库斯·胡贝教授研究组合作，首次实现了高保真度32维量子纠缠态。本成果为进一步实现各种高维量子信息过程和研究高维系统的量子物理基本问题打下重要基础。该成果8月28日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。相比二维系统，高维量子纠缠态在信道容量上有着巨大的优势。32维的高维纠缠态维度数创造了当前世界最高水平。

（新华社、光明日报）

科普一下

什么是量子？

什么是量子力学？

量子科技的基本原理也就是量子力学。不过别一听到量子科技就开心，在你准备关注量子科技概念股之前。你真的知道什么是量子吗？

我们生活中的可以见到的感知到的事物，包括光和能量的最小单位都能称之为量子。就像我们远处看鱼群是乌央乌央的一片黑，但是放大了看就是一只一只的鱼，这就可以说是鱼群的量子。

量子力学可以说是近代物理最有成就的学科之一了，创立于 20 世纪初，也有人称爱因斯坦的相对论和量子力学并称为现代物理学的两大支柱。

我们一旦将对物质的研究尺寸缩小到纳米（10-9 m）层面，物质就显现出了量子效应。其中“量子”主要指的是，能量是量子化的，因为在量子力学成立以前，人们对能量的认识是能量分布是连续的，并且服从麦克斯韦--玻尔兹曼分布。

然而，19世纪末开尔文男爵提出了物理学界的两大乌云之一，就是当时的理论没有办法解释黑体辐射中的短波长部分，也就是紫外区的部分。所以这个问题也被人们称为“紫外灾难”，意思就是说，一块烧红的铁块能够释放各个波长的电磁波，电磁波的分布如图，当时的科学家想去解释这个曲线，但是只能在长波长的部分描述大致的规律，在短波长部分的就没有办法解释了。

陷入乌云的物理界，被量子力学之父普朗克从水深火热中带了出来。他提出光的能量是可以分成一份一份最小基本能量元的，而不应该当成连续的来看。这个思路的提出，引导科学家们随后就精确的解释了黑体辐射曲线。

如今量子力学的大厦已经逐渐建立起来了。量子力学中有很多反常识的理论，所以量子力学也有着反常识、难理解的特点，毕竟这是一门反常识的学科，据说谁看到量子理论还没发疯，那他肯定是没有看懂。所以……你懂了吧。

量子力学其实也没那么高端，在我们生活中量子技术就已经在应用了，像晶体管和固态硬盘，还有实验室可能用到的扫描电子显微镜。但我们想强调的量子科技则是量子通信和量子计算。

量子计算将延续摩尔定律

潘建伟团队“量子优越性”比谷歌快100万倍

近日，中金公司发布了一份脑洞大开的重磅科幻研报，这份报告对人类社会未来30年的社会形态及科技发展做出了前瞻，畅想了2050年的人类世界。

该报告认为，人类依靠追求永生的动力推动，将逐步掌握通用人工智能和量子计算技术，并终将在火星开辟第二片家园。

报告指出，量子计算被认为是在某些特定领域延续摩尔定律提升人类算力的方法之一，有望继续数字经济的繁荣。量子计算机是基于量子力学原理构建的计算机。

量子计算机的计算能力随着量子比特（qubit）的增加呈现爆发式增长，形成所谓“量子优越性”。量子计算如果能够大规模商用，将大幅缩短新药开发、破解密码、以及搜索等人工智能应用所需时间。

值得注意的是，据安徽日报，中国科学技术大学常务副校长、中国科学院院士、西湖大学创校校董潘建伟教授9月5日在西湖大学首场公开课演讲上向公众透露光量子计算最新进展：他带领的研究团队已经实现了光量子计算性能超过谷歌53比特量子计算机的100万倍。

去年10月，谷歌开发出了一个全新的53量子比特处理器，只用了约200秒就解决了经典计算机大约需要1万年才能完成的任务。“就在上个星期，我们刚刚完成了对50个光子的玻色取样，相比谷歌的‘量子优越性’大概可以快100万倍。”潘建伟透露。

潘建伟长期从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究工作，是该领域有国际影响的学者。此前，潘建伟团队成员朱晓波教授也在中科大上海研究院举办的“墨子沙龙”上表示，中科大团队年内将实现60比特量子计算系统，将超越谷歌实现的53比特量子计算水平。（每日经济新闻）

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