量子熱背后的冷思考

孫媛媛

只有通過理性思考和科學規(guī)劃，才能有望引領量子技術的發(fā)展，為人類社會的進步注入新的活力。

量子信息技術是培育未來產(chǎn)業(yè)、構建新質(zhì)生產(chǎn)力、推動高質(zhì)量發(fā)展的重要方向之一，將引領新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。

20世紀80年代后期，科學家將量子力學應用到信息領域，量子信息技術就此誕生，并以遠超經(jīng)典信息技術的優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿σ鹗澜绺鲊母叨戎匾?，被稱作“第二次量子革命”。其中，量子計算是對量子疊加態(tài)、量子糾纏和相干性三個基本特點綜合運用的分支領域；量子通信主要利用量子糾纏的特性，涉及量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等領域；量子精密測量則是量子信息技術應用的基礎之一，涉及對量子物理狀態(tài)及其攜帶信息的觀測。

經(jīng)過40余年發(fā)展，量子信息技術已從僅有學術界關注的基礎科學研究和前沿技術探索，逐步進入產(chǎn)業(yè)界共同參與的工程應用研究和未來產(chǎn)業(yè)培育的歷史進程當中，目前已進入科技攻關、工程研發(fā)、應用探索和產(chǎn)業(yè)培育一體化推進的關鍵發(fā)展階段。

量子計算實現(xiàn)新突破

新年伊始，量子計算領域有變動也有突破。

今年1月3日，百度量子計算研究所傳出變動消息。官方已證實，旗下量子實驗室及可移交的量子實驗儀器設備將捐贈給北京量子信息科學研究院。2個月前，2023年11月，阿里達摩院也將量子實驗室捐贈給浙江大學。具體涉及何種原因而變動戰(zhàn)略，截至報道發(fā)布前，百度與阿里均未透露。

1月6日，我國第三代自主超導量子計算機“本源悟空”上線。隨后，中國“悟空”向全球用戶限時免費開放，接收全球量子計算任務。

截至1月15日上午10時，我國第三代自主超導量子計算機“本源悟空”已為全球用戶成功完成33871個運算任務，全球60多個國家遠程訪問“悟空”人次突破35萬。從登錄用戶看，全球范圍內(nèi)，美國、保加利亞、新加坡、日本、俄羅斯、加拿大等61個國家用戶遠程訪問了中國“悟空”，其中美國用戶訪問次數(shù)位居境外訪問第一。

“本源悟空”由本源量子計算科技（合肥）股份有限公司自主研發(fā)，搭載72位自主超導量子芯片“悟空芯”，是目前我國最先進的可編程、可交付超導量子計算機。

國開啟科量子技術（安徽）有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人、首席科學家羅樂認為，當前，量子計算處于由科研走向工程的關鍵時期，但大規(guī)模商業(yè)化應用預計還需要等待較長時間?！耙恍┧懔γ舾行袠I(yè)值得關注，比如安全相關的攻防、流體力學模擬、小分子物化模擬等。在這些領域，不少世界知名企業(yè)和機構已投入巨資進行量子計算研究?！?/p>

量子通信為信息安全保駕護航

從古時候賢君名臣的權爭往事，到近現(xiàn)代大國之間的縱橫捭闔，在信息傳遞過程中，泄密一直是人們廣泛關注的一個問題。今人成功解決問題的手段，既非鴻雁傳書，也非魚傳尺素，而是量子通信。

據(jù)悉，中國和俄羅斯的科學家聯(lián)手，在兩國之間成功測試了超遠距離、“完整周期”的量子加密通信，尚屬首次，意義深遠。

本次測試是在2022年3月1日進行的，使用了位于俄羅斯莫斯科附近的茲韋尼哥羅德地面站、中國新疆烏魯木齊附近的南山地面站，相距約3800公里。測試還借助了中國在2016年發(fā)射的世界第一顆量子衛(wèi)星“墨子號”。測試中，科學家發(fā)送了兩張圖片，均使用量子密鑰進行了加密。密鑰一共有兩個，一是中國哲學家墨子的引文，二是已故蘇聯(lián)物理學家列夫·朗道的方程式。此次測試證明，在金磚國家之間建立量子通信網(wǎng)絡“在技術上是絕對可能的”。

量子通信的研究內(nèi)容之一就是量子密鑰分發(fā)?！盎谟嬎銖碗s性的傳統(tǒng)加密技術，在原理上存在著被破譯的可能性，其破譯的困難程度只取決于計算力的強大與否。隨著數(shù)學和計算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。”?中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院教授級高級工程師廖勝凱介紹，“而與經(jīng)典通信不同，量子密鑰分發(fā)的安全性基于物理學基本原理，與計算復雜度無關。通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的原理上無條件安全的通信方式?！标P于量子通信領域其他一些技術方案如量子隱形傳態(tài)、量子安全直接通信（QSDC）等也在進一步發(fā)展。

用量子“測量”世界

近日，中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰院士、王亞教授等人在量子精密測量領域取得重要進展，提出基于信號關聯(lián)的新量子傳感范式，實現(xiàn)對金剛石內(nèi)點缺陷的高精度成像，并實時觀測了點缺陷的電荷動力學。1月5日，該研究成果在線發(fā)表于《自然·光子學》。

20多年時間里，量子傳感的發(fā)展已經(jīng)使得很多物理量的測量技術取得了革命性的進展。此次工作中，研究團隊提出了一種新的量子傳感范式，即利用多個量子傳感器之間的信號關聯(lián)，提升對復雜對象的解析能力和重構精度。研究團隊基于自主發(fā)展的氮-空位色心制備技術，可控制備出相距約200納米的三個氮-空位色心作為量子傳感系統(tǒng)，通過對隨機電場探測展示了這種新的量子傳感范式。

研究人員介紹，這一成果展示了基于量子技術的超高靈敏度缺陷探測，甚至在1000億個正常原子中出現(xiàn)一個缺陷，也能探測到。這要比目前最靈敏方法的探測極限提升兩個數(shù)量級以上，有望為當前10納米以下芯片中的缺陷檢測提供一種強有力的技術手段。

挑戰(zhàn)與發(fā)展并存

面對量子熱潮帶來的機遇與挑戰(zhàn)，中國科學院院士、南方科技大學校長薛其坤指出，我國目前的短板在于：第一，量子技術的人才儲備不足。因為這個技術比較尖端，很長時間都處在基礎研究階段，近20年我國基礎研究才得到快速發(fā)展。人才培養(yǎng)需要時間，不管是量子科技所有領域的人才團隊規(guī)模，還是杰出的科學家群體，我們都是不足的。第二，一些基本的材料比如關鍵的元器件和設備仍然依賴進口。和其他領域類似，科研人員做量子科技實驗，要依賴部分進口設備，還需要解決完全自主化問題。但是從時代發(fā)展來講，基本上達到了在同一個平臺競爭的階段。

他表示：“實際上，基礎研究的人才培養(yǎng)，需要很長時間，發(fā)展基礎研究也是如此?，F(xiàn)在一定要保持定力。中華民族的偉大復興，也意味著科學的復興，我們要對世界科學做出貢獻，對人類科學做出貢獻。通過科學技術的發(fā)展，不僅讓我們國家更強大，也為創(chuàng)造人類未來更美好的生活發(fā)揮作用。打造人類命運共同體，科學共同體應該是其中的一部分?！?/p>

意大利理論物理學家卡洛·羅韋利教授的新作《量子物理如何改變世界》去年在國內(nèi)出版后獲熱銷，該書譯者王子昂接受采訪時表示：“量子信息技術依然處于日新月異的蓬勃發(fā)展期，基層理論的拓展與突破離不開資金的支持；而部分已取得相對豐富實用經(jīng)驗的、產(chǎn)業(yè)化趨于成熟的技術領域若可率先開始商業(yè)化探索、取得階段性成果，或多或少可滿足理論研究部分的資金需求。從國際視野來看，促進量子信息技術產(chǎn)業(yè)化、提高其商業(yè)價值轉(zhuǎn)化效率是多國量子信息技術政策的著力點，盡快在應用領域完善框架構建、積累市場經(jīng)驗成為當務之急。但打好商業(yè)價值轉(zhuǎn)化的前期基礎、鉆研出適合我國國情的利好政策、吸引相關領域人才應是著手推行商業(yè)化的先決條件。”