量子科技的應(yīng)用場景 未來計算技術(shù)的“心臟”

在量子信息技術(shù)中，具有代表性的是量子通信和量子計算。這也是各主要科技大國重點搶占的戰(zhàn)略技術(shù)高地。那么，什么是量子科技？在現(xiàn)實生活中有何應(yīng)用前景？各國及科技企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢如何？

量子信息技術(shù)則是量子力學(xué)的最新發(fā)展，代表了正興起的“第二次量子革命”。那么什么是量子科技？在現(xiàn)實生活中有何應(yīng)用前景？各國及科技企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢如何？

量子科技源于量子力學(xué)。量子力學(xué)發(fā)源于20世紀(jì)初，是研究物質(zhì)世界微觀粒子運動規(guī)律的物理學(xué)分支，如果一個物理量存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的。

量子力學(xué)中有一些“違背常理”的特點，如著名的難知死活的“薛定諤的貓”等。但相關(guān)理論不斷獲得實驗支持，在一百多年里催生了許多重大發(fā)明——原子彈、激光、晶體管、核磁共振、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等，改變了世界面貌。

從頂層設(shè)計、戰(zhàn)略投資再到人才培養(yǎng)等，全球多國近年來在量子科技領(lǐng)域持續(xù)投入。

早在2016年，歐盟就宣布將量子技術(shù)作為新的旗艦科研項目，迎接“第二次量子革命”。美國也一直支持量子科技發(fā)展，最新動向是在10月7日，白宮科學(xué)和技術(shù)政策辦公室啟用了國家量子協(xié)調(diào)辦公室的官方網(wǎng)站，同時發(fā)布了《量子前沿報告》。

在量子信息技術(shù)中，具有代表性的是量子通信和量子計算。這也是各主要科技大國重點搶占的戰(zhàn)略技術(shù)高地。

量子通信：信息安全傳輸?shù)摹氨Ｗo盾”

量子通信是利用量子力學(xué)相關(guān)原理解決信息安全問題的通信技術(shù)。其中一個著名原理就是量子糾纏，兩個處于糾纏狀態(tài)的量子就像有“心靈感應(yīng)”，無論相隔多遠，一個量子狀態(tài)變化，另一個也會隨之改變，愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”。傳統(tǒng)的通信方式有被竊聽的風(fēng)險，而在量子通信中，竊聽者必然被察覺并被通信雙方規(guī)避。量子通信因此常被稱作信息安全傳輸?shù)摹氨Ｗo盾”，在保密領(lǐng)域有很大應(yīng)用前景。

近年來，中國量子通信技術(shù)取得多項突破性進展。比如2016年8月，中國發(fā)射了自主研制的世界上首顆空間量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”；此后，中國科研人員利用量子衛(wèi)星在國際上率先成功實現(xiàn)了千公里級的星地雙向量子糾纏分發(fā)等成果。2017年，全球首條量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”項目通過總技術(shù)驗收。

今年以來，在量子通信領(lǐng)域中國學(xué)者“捷報頻傳”。有關(guān)方面3月宣布，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊等研究人員實現(xiàn)了500公里級真實環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(fā)和相位匹配量子密鑰分發(fā)，傳輸距離達到509公里，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。有關(guān)方面9月宣布，郭光燦院士團隊與奧地利同行合作，首次實現(xiàn)了高保真度的32維量子糾纏態(tài)，顯著提高了量子通信的信道容量。

量子計算：未來計算技術(shù)的“心臟”

量子計算是各國優(yōu)先發(fā)展的另一重點科技領(lǐng)域。百度研究院量子計算研究所所長段潤堯告訴新華社記者：“量子計算是這一場新量子革命最具有代表性的技術(shù)，是未來計算技術(shù)的心臟?！?/p>

與傳統(tǒng)計算機相比，量子計算機有獨特優(yōu)勢。傳統(tǒng)計算機中1個比特在某個時間只能是0或1中的一個狀態(tài)，而在量子計算機里，由于量子疊加態(tài)的存在，1個量子比特可同時記錄0和1兩個狀態(tài)。因此，量子計算機擁有計算能力遠超傳統(tǒng)計算機的潛力。但目前人類能同時操縱的量子比特還不多，量子計算機尚未走向大規(guī)模實用。

在量子計算賽道，谷歌、微軟、英特爾等西方科技企業(yè)擁有先發(fā)優(yōu)勢，通過不同技術(shù)路徑不斷實現(xiàn)對更多量子比特的操縱。去年10月，谷歌研究人員在英國《自然》雜志發(fā)表論文稱，基于一個包含54個量子比特的量子芯片開發(fā)了量子計算系統(tǒng)，它花費約200秒完成的任務(wù)，傳統(tǒng)超級計算機要1萬年才能完成。這在當(dāng)時被稱作實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，即讓量子計算機在某個特定問題上的計算能力超過傳統(tǒng)計算機，但也有一些業(yè)界人士對相關(guān)細節(jié)提出疑問。

中國研究人員也在量子計算方面奮起直追。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)等高校近年來都在量子計算領(lǐng)域取得一些階段性成果。百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業(yè)也相繼出臺了量子計算研究計劃。今年9月，百度、本源量子等企業(yè)先后發(fā)布了自己的最新量子計算云平臺，使普通用戶也能通過云技術(shù)使用量子計算。

雖然量子計算機距離大規(guī)模普及還有很長的路要走，但相關(guān)前景廣闊。段潤堯說：“量子計算將極大促進當(dāng)前人工智能及其應(yīng)用的發(fā)展，深刻地改變包括基礎(chǔ)教育在內(nèi)的眾多領(lǐng)域。特別是，借助于量子計算技術(shù)，人類對于微觀世界的認(rèn)識以及宏觀世界的探索將得到極大擴展，從而引發(fā)人類思維能力的根本性提升。”