量子技術應用蓄勢待發

李偉

未來幾年是量子技術發展、商業化水平提升、產業合作格局完善的重要階段。那么，抽象的量子理論和量子技術，究竟有哪些實際應用？將如何影響我們的生活？

量子通信衛星CAPSat

IBM公司的量子計算機

蘊藏巨大商業價值

據日本共同社報道，日本理化學研究所牽頭研發的日本首臺量子計算機，于4月27日正式投入應用，日本各界的研究人員可以通過云端使用這臺設備。日本也由此成為全球為數不多的幾個擁有量子計算機的國家。

與美國谷歌公司和IBM公司開發的量子計算機類似，日本首臺量子計算機也采用在極低溫度下電阻為零的超導回路，制造出用于計算的基本信息單位——量子比特，其量子比特數為64個。IBM公司在2021年推出了擁有27個量子比特的量子計算機。該公司今年計劃建造一臺擁有1000個量子比特的新型量子計算機，大幅提升運算能力。

根據波士頓咨詢集團（BCG）發布的報告，量子技術蘊藏著巨大的商業價值，其應用在未來15—30年的市場規模為4500億—8500億美元。今年，美國、英國、中國和日本等國都投入大量資金加快發展量子技術。未來幾年是量子技術發展、商業化水平提升、產業合作格局完善的重要階段。

從量子傳感器到量子計算機

抽象的量子理論和量子技術，究竟有哪些實際應用？將如何影響我們的生活？美國《連線》雜志列舉了幾個重要方面。

首先是量子傳感器。它具有廣泛的用途，包括增強成像、輔助雷達進行探測，以及在衛星導航系統不可用的環境中實現精確制導。

有了量子傳感器，就可以對時間，物體加速度，磁場、電場及重力場的變化進行高精度探測，從而精確地追蹤物體的運動軌跡。只要物體的起點已知，那么其在未來某一時刻的確切位置就是已知的，不需要衛星導航信號的支持，探測過程也不會受到干擾。量子傳感器的這些特性，可以廣泛應用于軍事領域和民用交通領域。

量子傳感器的另一項重要應用被稱為“鬼成像”和“量子照明”。所謂“鬼成像”，就是借助量子的特性來觀測遙遠的物體。在非常微弱的光線下，遠處的目標往往難以進行觀測。“量子照明”設備可以穿透煙霧和云層，將遠處的物體成像。

其次是量子通信。量子理論在通信領域的主要應用是量子密鑰分發（QKD）——在兩個通信方之間使用的一種加密形式。通信方將其信息編碼為光子進行傳輸。由于光子具有量子特性，任何竊密者試圖截獲使用QKD編碼的信息時，都會因留下痕跡而被有效反制。因此，量子通信被認為是不可破解的。由美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校和加拿大滑鐵盧大學合作開發的量子通信衛星CAPSat，已進入太空軌道運行，旨在測試量子通信的實際應用效果——量子通信很快將成為現實。

最后是量子計算機。它并不是能夠取代現有二進制計算機的“全能型超級計算機”。量子計算的基本特征是：量子比特的數量增加后，其計算能力將呈指數級增長。這種“指數加速”的性能具有廣泛的應用前景。

對于由分子構成的物質來說，分子不同的排列及配置方式，可呈現不同的性能，而排列和配置方式的數量是巨大的。強大的量子計算機可以模擬并評估分子排列和配置方式，從而顯著加速相關領域的研究。

大多數新藥都要通過反復試驗才能最終確定分子構成。從開始開發到進入臨床試驗，每種新藥的平均研發時間為13年，成本高昂。如果使用量子計算機模擬藥物的分子構成，而不是通過實驗室進行測試，就可以大幅縮短研發時間，降低研發成本。

醫療保健巨頭瑞士羅氏集團近日宣布，與英國劍橋量子計算公司建立了合作關系，以支持治療阿爾茨海默病的研究工作；合成生物學公司Menton AI與量子技術公司D-Wave合作，探索量子計算機如何幫助設計具有治療疾病作用的新型蛋白質。

肥料對于養活全球不斷增長的人口至關重要。全球一半以上的食品生產，依賴于由哈伯-博施工藝生產的合成氨肥料。該工藝能夠將氫和氮轉化為氨。然而，在這個過程中會產生巨大的碳排放量（占全球碳排放總量的2%—5%）。科學家相信，使用量子計算機可以檢測出某些細菌的化學成分，這些細菌能夠生成肥料。這一工藝有望替代哈伯-博施工藝，成為合成肥料的主要生產方式。

在向綠色經濟轉型的過程中，全球各國都在推動電池驅動的車輛的生產和應用。現有的電動車電池容量及續航里程有限，且充電時間較長。在尋找具備更好性能的電池材料的過程中，量子計算機可以在分子模擬方面提供幫助。德國汽車制造商戴姆勒公司正在與美國IBM公司合作，評估量子計算機如何模擬硫分子在不同環境中的特性，其最終目標是制造供電更持久、造價更便宜的鋰硫電池。

除了以上應用，量子計算機還能幫助物流業優化路線，這是一個新興的研究領域，有望解決全球物流運輸業長期面臨的問題。對于一支商業運輸船隊來說，是否能夠合理地規劃每一艘船的運輸線路，關系到這支船隊能否產出應有的產值。

了解量子理論如何影響生活

據英國《新科學家》雜志報道，事實上，量子理論及其應用并非遙不可及，而是早已深入人們生活的方方面面。例如，如果你注意烤面包機中的加熱元件，就能觀察到量子力學的應用：紅色的光閃動的過程，就是電能在量子的作用下轉化為熱能的過程。

像這樣的例子還有很多：計算機芯片以及其他現代科技產品采用的芯片，其核心晶體管通過半導體工作，其中電子的運動遵循量子力學原理；LED（發光二極管）屏幕由兩層半導體制成，它們相遇并釋放能量；激光器通過一種基于光子的光學放大模式產生單色光；磁共振成像系統利用氫原子核的自旋轉工作；無處不在的全球衛星定位系統，其衛星使用原子鐘，利用量子理論和相對論原理來測量時間和距離；在白熾燈泡中，電流流過細燈絲使其變熱、發光，從而產生可見光——以上過程都涉及量子運動，有效控制這種運動，就能得到人們想要的結果。

“鬼成像”技術演示裝置

另外，幾乎所有人都使用過數碼相機或手機上的相機，這些相機用鏡頭收集并傳輸光子，再利用光子的量子特性，通過半導體將光子轉換為數字圖像。

編輯：姚志剛? winter-yao@163.com