瞭望 | 中国量子科技，只看这一篇就够了( 二 ) _信息快讯

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2016年12月9日， “墨子号”量子科学实验卫星与阿里量子隐形传态实验平台建立天地链路（合成照片）金立旺摄/本刊“科研黄金时代”在量子理论发轫的1900年，当时的中国积弱已久只能做个看客。百余年后的今天，中国量子科技何以崛起？改革开放后国内最早开始量子信息研究的郭光灿，至今还记得1980年到加拿大多伦多大学留学时的发现：国外对量子光学的研究始于20世纪60年代，国内相关研究近乎空白。面对落后20年的差距，他和一群在加拿大、美国留学的中国学生相约，谁先回国谁就组织队伍，把量子光学这一摊挑起来。 1984年，回国后的郭光灿主持召开全国第一个量子光学学术会议。此后，他开设国内第一门量子光学课程和第一个量子信息实验室，并于2001年获得我国首个量子信息技术“973”项目，聚拢起全国十多个科研单位50余名学者组成团队。 1996年，时年26岁的中科大毕业生潘建伟，远赴量子力学的诞生地奥地利攻读博士学位。在量子物理学大师塞林格教授的科研小组里，潘建伟很快崭露头角。 1997年，以他为第二作者的论文“实验量子隐形传态” ，被美国《科学》杂志评为年度全球十大科技进展。但成为国际一流学者并不是潘建伟梦想的全部。潘建伟回忆说，当导师塞林格问“潘，你的梦想是什么？”时，他答道：“我的梦想是，在中国建一个和这里一样的世界一流的量子光学实验室。 ”多年之后，潘建伟这样向采访人员解释他内心深处的想法：“近代科学没能在中国诞生，中国人能不能赶上科学前沿、引领重大创新？”在潘建伟看来，中国科技工作者都憋着一股劲，希望通过努力证明，不仅在国外可以做得好，在国内也能做出优秀成果。 2016年8月，以中国先贤“墨子”为名，世界首颗量子科学实验卫星在酒泉卫星发射中心成功升空。以“墨子号”为平台，中国实现“千里纠缠、星地传密、隐形传态”三个国际量子科研重大突破。此后，量子反常霍尔效应的实验发现、“九章”、全球首个星地量子通信网、“祖冲之号”“九章二号”“祖冲之二号”……中国量子科技捷报频传。潘建伟把量子研究的突飞猛进归功于中国的“科研黄金时代”和“集中力量办大事”的体制优势。他以“墨子号”卫星为例说，卫星的每一个部件，都凝聚了中科院上海技术物理研究所、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等各个科研机构的心血。 “不同机构纷纷给我们提供所需的基础元件，让我们的创新想法有了很好的工程基础。我在国外的一些同行，也曾有过类似的科学设想，但没有国家像我国这样全力支持。 ”潘建伟说。 “第二次量子革命的战鼓已敲响”全世界奋力谋求“量子优越性” ，在于它是一个变“量”——量子叠加、量子纠缠、量子不可克隆等神奇而迷人的特性，使量子技术具有极大应用前景和广阔想象空间。 “量子力学是一个神秘的、令人捉摸不透的学科。我们谁都谈不上真正理解，只是知道怎样去运用它。 ”诺贝尔奖获得者、美国物理学家穆雷·盖尔曼曾这样说。 “量子理论的出现，在上世纪引发第一次量子革命，催生了现代信息技术。 ”潘建伟介绍，基于量子理论，核能、激光、半导体等科技得以问世，进而发展出计算机、互联网、手机等重大应用。进入21世纪，量子领域的新发现、新理论、新技术密集涌现，预示着第二次量子革命已进入起跑期、加速期。《自然》杂志评论认为：“第二次量子革命的战鼓已敲响！”“第一次量子革命，人们只问量子理论能让我们做什么，不去问为什么，是被动的观测与应用。 ”郭光灿说，第二次量子革命则是主动利用量子特性，开发出量子通信、量子计算和量子精密测量等创新应用。简单来说，这些应用的革命性在于——量子计算可以令人类的运算能力实现指数级增长，量子通信可以在理论上做到通信的绝对保密，量子精密测量可以将探测精度从微米级提升至“原子级” 。当然，量子科技转化为现实生产力的时间表各有不同。中科大教授、“祖冲之二号”项目具体负责人朱晓波说：“国际量子学界主流观点认为，研制出有实用价值的容错型通用量子计算机，大约还需要10年到15年。 ”据了解，量子计算包括超导、光量子、离子阱、半导体、拓扑等多条技术路线，目前谷歌、IBM、英特尔、微软、亚马逊、霍尼韦尔等国际科技企业纷纷抢滩，国内的中国科学技术大学、浙江大学、清华大学、南方科技大学等高校以及腾讯、华为、阿里巴巴等企业也已布局研发。业界普遍认为，量子计算机的发展将经历三个阶段：第一阶段，研制50个到100个量子比特的专用量子计算机，实现“量子优越性”里程碑式突破。第二阶段，研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机，解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题。比如量子化学、新材料设计、优化算法等。第三阶段，大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力，研制可编程的通用量子计算机。 “包括‘九章二号’和‘祖冲之二号’ ，世界上目前所有的量子计算机研究都还在第一阶段。 ”朱晓波说，学界乐观的观点认为， 5年左右会有局部应用落地。对于第三阶段的可编程的通用量子计算机，学者们预测，其可用于密码破译、气象预报、金融分析、药物研发、矿产勘探等多个方面。影响更为深远的是，量子计算机的强大算力将有助于人类认识物理、化学等领域重大基础科学问题，并与人工智能等科技产生“乘法效应” ，加速产生“裂变反应” 。腾讯量子实验室负责人张胜誉告诉采访人员，他们近期在量子比特的初始化、量子编译和体系结构、大图算法设计等方面取得进展，并在药物研发、材料仿真等产业应用方面积极探索。在量子通信领域，全球正处在网络建设和应用探索齐头并进的阶段。高约1米、重不足百公斤，深邃的镜头仰望天空……这是近期由科大国盾量子技术股份有限公司推出的全球首款小型化可移动量子卫星地面站。 “这种地面站重量轻、可移动， 12小时内能安装好，边疆、海岛等偏远地区用它与‘墨子号’卫星对接，可以便捷地使用量子保密通信。 ”科大国盾公司量子项目总监周雷介绍，他们的另一款新应用是商用量子密钥分发器，每秒可产生上千个密钥，目标是让“光纤可达”的地方都能用上量子通信。据悉，目前国际量子通信的研发方向聚焦于通信距离、核心部件、小型化、新协议等方面，在政务、能源、金融等领域的新应用不断出现，行业标准、测评规范等逐步完善。中国处于全球科研、应用前列，在国际电信联盟和国际标准化组织牵头编制量子通信标准。与量子计算、量子通信相比，量子精密测量显得更为神秘，但业界普遍认为，量子精密测量将是量子科技中最早实现应用和产业化的领域。 “量子测量的精度可以达到原子量级。 ”国仪量子（合肥）技术有限公司（下称国仪量子）是国内最早成立的以量子精密测量技术为核心的创新企业，该公司副总裁张伟介绍，传统测量技术最小只能探测到微米量级，量子技术可以精细千倍、万倍到纳米、亚纳米量级，为精密仪器行业带来革命性的技术进步。比如将量子精密测量用于生命科学领域，可精确分析血液中极微量物质含量。 “量子精密测量现在开始走向各行各业、万家灯火。 ”国仪量子董事长贺羽说，量子精密测量在石油勘探、生命科学、先进材料及能源电力等领域已实现示范应用。未来，量子精密测量将可能应用于超导材料表面特性及结构表征、医疗领域的心脑磁测量、临床前研究的微量物质组分分析、生命科学的肿瘤细胞成像以及导航的地磁场测量等多个领域，为仪器行业带来变革式机遇。

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