量子科技的應用現狀和挑戰

摘要：量子科技因其在通信，計算等方面的突出優勢，而具有廣闊的應用前景和潛在市場規模，本文便對量子科技的應用現狀和所面臨的挑戰做一個系統的分析闡述。

關鍵詞：量子科技;量子計算;量子通信

近年來，量子技術正逐漸成為各國關注的焦點，國際競爭日益激烈。盡管其成本高昂，條件嚴苛且仍有許多尚未攻克的難關，但顯然，各國都在此前一系列的研發突破中看到了它巨大的潛在價值，都在搶占先機，希望能在量子浪潮中分得一杯羹。據悉，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;德、法等19個歐盟成員國簽署了未來十年開發和部署歐盟范圍內量子通信基礎設施的聲明等等[1]。中國也在量子保密通信、計算等諸多領域都取得了重大突破，目前正以令世界驚嘆的速度蓬勃發展，已然成為撼動歐美等國統領地位的有力對象。

1 量子計算

由于量子獨特的疊加性，使量子比特可同時擁有0和1兩個數值，實現“同步計算”。此外量子糾纏現象又能使處于不同地方的兩個量子比特共享量子態，即使相距再遠都會和對方的狀態緊密相連，創造出超疊加效應。因此，它擁有強大的存儲和并行運算能力，在一些具備重大政治和經濟價值的領域（如AI 計算、材料設計、密碼學、質因數分解等），通過特定的算法，有望實現相對于經典計算機指數級別的加速。

那為什么量子計算有以上諸多優勢，卻沒有得到廣泛的普及和應用呢？

首先是溫度的影響，由于量子的相干性，導致越接近絕對零度計算結果的準確性越高，這需要時刻對設備進行冷卻降溫，耗電耗時，成本高昂。

還有一個關鍵性的難點就是量子計算結果的糾錯問題：

對于經典計算機而言，雖然存在錯誤，但只要我們進行足夠多次的重復計算，在得出的諸多結果中選擇最占有優勢（出現次數較多）的結果，就可以有效解決這一問題。

但是，要想在量子計算機中實現更高效的并行運算，要用到量子的疊加性-即在沒有觀測時，結果始終處于正誤的疊加態，這也是它的優勢所在。但疊加和糾纏的量子態極度脆弱，能被外部環境中的細微干擾影響，其中包括了任何想要觀測它們的嘗試。這就是矛盾所在，糾錯的前提是我們要先認定結果是否錯誤，可一旦進行觀測，就會導致數據崩塌，量子疊加態被破壞，相干性衰減，出現“退相干”，無法完成計算。

針對上述難題，目前普遍接受的解決方案主要有兩個：

一是間接測量。設置一個參數量子項，使之與所要計算的量子比特耦合，再通過測量該參數項來間接測量原來的結果。聽起來容易但是若想徹底實現，則需要占據更多的量子空間，大大增加了所需量子位的數量，投入成本高昂。

二是直接消除錯誤。通過提高技術，運用更加精密的計算材料，更高的科研能力，最大限度地去提高精度，直接從源頭上避免錯誤的出現。但是這種方法基于對量子領域極其深入的了解，選擇最優質的材料和技術，長時間不計成本地去研究、試錯。

總之，量子計算的發展任重而道遠，面臨的挑戰很嚴峻，但是機遇、潛力和價值同樣不可估量。現如今，其研發和攻關已經成為世界科技前沿的熱點以及最大挑戰之一。近年來我國在這一領域不斷地實現了重大突破。例如，潘建偉團隊在2020年研發的“九章”量子計算機，實現了算力全球領先。據目前最優的經典算法，它處理高斯玻色取樣的速度比排名第一的超級計算機“富岳”快一百萬億倍，等效地比谷歌53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。該成果確立了我國在國際量子計算領域中的第一方陣地位，為未來進行更加深入的攻關和研究奠定了技術基礎。

2 量子通信

隨著現如今數字化，信息化高速發展，移動支付、互聯網金融等逐漸融入我們的日常生活，通信和網絡信息安全正面臨著嚴峻考驗。傳統的通信系統僅僅取決于密鑰的安全性，沒有加密機制和算法作為保障，相比之下，量子通信因其自身脆弱的疊加態，一旦被測量或者復制，就會立刻改變原有狀態，從而被通信雙方察覺。這也使得它有了更高的保密性和安全性。此外，其傳輸速度更是比光速高出4個數量級，從而可實現高效，不可破譯的完美通信。

據調查，2012年至今，國際量子通信研究的重大進展突破（量子保密通信，質因數分解等）幾乎都是由我國科學家獨立完成的，可以說，目前的中國在這一領域遙遙領先。早在2004年，郭光燦團隊在北京-天津125km的光纖線路上，就實現了量子密碼的首次傳輸;2016年，潘建偉團隊研發設計了全球第一顆量子科學實驗衛星-“墨子號”，并順利發射升空，在空間量子物理領域取得重大突破。2021年初，潘建偉團隊在“墨子號”量子通信實驗衛星和京滬干線的串聯下，實現了4600公里的量子保密通信網絡，這是全球首個集成量子通信網絡。在不久的將來中國定制的量子互聯網，很有可能取代如今由美國主導的光纖互聯網。

作為一個新興的前沿交叉學科，對此國內外目前仍面臨著很多的技術難點：

首先是為了進行長距離的量子態隱形傳輸，必須要讓通信的兩地同時具備最大量子糾纏態，但是由于不可避免的環境噪聲，量子糾纏很容易受到干擾，而使性能變差。所以如何克服遠距離傳輸帶來的信號損耗成為了難點所在;

其次是如何填補由現實器件，如光源、探測器等不完美帶來的安全性漏洞，將理論更好地運用于現實——對實際量子密鑰分發系統進行攻防測試和安全性升級是應該被重視的關鍵;

最后，現階段的技術驗證和標準規范研發落后。作為量子物理學和信息科學領域的前沿交叉學科，量子通信的標準化工作難度較大，目前國際標準化研究相對滯后，重視程度不夠，科研機構和企業缺乏有效的溝通協作[2]，難以形成合力，一致向前發展。

雖然近年來我國在量子科技的諸多領域飛速發展，成果顯著，甚至達到了“量子霸權”，但在部分領域仍與歐美一些較早涉及的發達國家存在差距。我們要把握機遇，補齊短板（如加強對半導體制冷片，FPGA芯片等高端核心元件的自主研發能力），提高政府和社會的關注度，如中科院郭光燦院士所言：“如果我們想在激烈的量子霸權斗爭中取勝，不能只做‘游擊隊’，必須組建一支完備的‘集團軍’”。加大科研和投資力度，統籌推進量子通信、計算、測量等多個領域任務齊驅并進，相輔相成。使政策、項目、資金、市場多管齊下，搶占先機，縮短同龍頭企業的差距。

目前在我國，量子技術正大面積覆蓋關乎于國計民生的諸多關鍵領域，為那些服務于14億人民的行業賦能。我們期望在不久的未來，能夠看到量子領域迎來人類開始主動控制、操縱量子的一次新的革命，而中國恰恰就是這場革命的領導者。

參考文獻：

[1]量子科技：中國按下創新“快進鍵”[J]. 發明與創新（大科技），2020（11）

[2]周德建.淺談量子通信技術發展現狀及應用前景分析[J].移動信息，2017（4）;79-80

作者簡介：孫松楠 女 學歷：天津師范大學本科生 研究方向：應用物理學