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九章二号144 模式干涉仪(部分)实验照片 中国科技大学供图
量子三大领域——量子计算、量子通信、量子精密测量在中国排名第一
在我国量子研究突飞猛进的背后，是我国科研黄金时代和集中力量办大事的体制优势
到目前为止，量子科技还没有让人们使用的产品，短时间内也做不到。
量子技术是关系到人类未来的关键核心技术领域，迫切需要更多具有智慧和勇气的年轻人进入科研无人区和工业无人区
文 |《望着》新闻周刊记者 徐海涛 魏雨虹 陈诺 周畅
中国成功发展九章二号祖冲二号量子计算原型机，美国IBM日本宣布将拨款145亿日元，加快对量子保密通信的研究……最近量子科技发展突飞猛进，很多国家在这条关系到人类未来的科技轨道上奋勇争先。
121年前，当马克斯·当普朗克提出量子的概念时，很难想象它会给世界带来多大的变化——核能、激光、计算机、手机等。
而今，“第二次量子革命”已经启幕，它将带给我们一个什么样的未来？在世界量子科技大潮中，中国处于什么方位？加快实现高水平科技自立自强的中国，将给全球量子科技发展作出哪些新的贡献？
当量子成对时，人们期待着微观世界更深刻的认知，宏观世界会更美好。
今年10月，来自中国量子科技新突破的消息在全球科技界引起了重大反响，解决具体数学问题比最快的快1亿倍！
这是一部令人兴奋的实验杰作。巴里，量子物理学家，加拿大卡尔加里大学教授·桑德斯说。
国际权威学术期刊《物理评论快报》发表了相关论文，标志着中国开发的九章二号和祖冲二号量子计算原型机得到了国际学术界的认可。因此，中国已成为世界上唯一一家光量子在两条技术路线上实现量子优越性的国家和超导。
量子优越性就像一个门槛，是指当新的量子计算原型机在某一问题上的计算能力超过最强的传统计算机时，它证明了未来多方超越的可能性。
多年来，国际学界高度关注、期待这个里程碑式转折点的到来。
2019年9月，谷歌在美国推出了53家公司量子比特计算机悬铃木只计算数学算法200秒。当时，世界上最快的超级计算机峰值需要两天时间，美国率先实现了量子优势。
一年后，中国成功开发了76个光子量子计算原型机的九章只需200秒就能解决数学算法。当时，世界上最快的超级计算机需要6亿年。这使中国成为世界上第二个实现量子优势的国家。
今年10月，九章二号求解高斯玻色取样比世界上最快的超级计算机快24次方倍(亿亿亿倍)；祖冲二号的计算比谷歌推出的悬铃木增长了100万倍。中国的量子优势引人注目。
过去，中国的量子通信处于世界领先地位。现在可以说，我们的量子计算也进入了世界第一方阵。由中国科技大学潘建伟院士团队领导的九章二号、祖冲二号、九章二号项目负责人陆朝阳说。
量子技术主要分为三个领域：量子计算、量子通信和量子精密测量。
近年来，随着墨子量子卫星的发射，中国实现了量子通信研究的领先地位。今年，中国建立了世界上第一个星地量子通信网络，创造了500公里现场光纤量子通信的世界纪录，进一步巩固了其优势。
在量子精密测量领域，中国的科研水平和技术应用与欧美国家相当，各有优势。近年来，中国实现了海森堡单光子克尔效应测量极限精度，200公里单光子三维成像，在室温水溶液环境中探测到单个光子DNA分子磁共振谱和其他重大成果金刚石NV量子钻石单自旋谱仪、量子钻石原子力显微镜等创新产品在色心技术路线上开发。
中国信息通信研究院据《量子信息技术发展与应用研究报告(2020年)》统计，从2000年到2019年，全球量子信息在这三个领域，科研论文的数量继续增加。美国科研机构和企业的论文数量超过1.2万篇，在各国排名第一，其次是9000多篇，在德国、日本和英国排名第三至第五。其中，在量子通信、量子计算和量子精确测量三个领域，中国的论文发表量排名第一、第二和第二。
国科学院院士、中国科学院量子信息重点实验室主任郭光灿说。
现在，实现量子信息技术中国科学院院士潘建伟表示，在党和国家的高度重视下，中国量子科技实现了从后续到部分领先的历史飞跃。
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
在量子理论1900年，当时中国已经弱了很久，只能当观众了。100多年后的今天，中国量子技术如何崛起？
改革开放郭光灿是中国第一个开始量子信息研究的人，他仍然记得1980年在加拿大多伦多大学学习时的发现：国外量子光学研究始于20世纪60年代，国内研究几乎空白。面对落后20年的差距，他遇到了一群在加拿大和美国学习的中国学生。谁先回家，谁就组织团队挑起量子光学摊位。
1984年，郭光灿回国后主持了全国第一次量子光学学术会议。此后，他在中国开设了第一门量子光学课程和第一个量子信息实验室，并于2001年获得了中国第一个量子信息技术973项目，聚集了10多个研究单位和50多名学者。
1996年，26岁的中国科技大学毕业生潘建伟前往量子力学奥地利博士学位的诞生地。
在量子物理学潘建伟很快就出现在塞林格教授的科研小组中。1997年，他作为第二作者的论文《实验量子隐形传态》被《科学》杂志评为世界十大科技进步。
但并不是并不是所有成为世界级学者的梦想。潘建伟回忆说，当导师塞林格问：潘，你的梦想是什么？他回答说：我的梦想是在中国建立一个世界级的量子光学实验室。
多年后，潘建伟向记者解释了他内心的想法：现代科学不能在中国诞生。中国人能赶上科学前沿，引领重大创新吗？
在潘建伟看来，中国科技工作者都很努力，希望通过努力证明，他们不仅能在国外做得很好，而且能在中国取得优异的成绩。
2016年8月，中国先贤墨子世界上第一颗量子科学实验卫星了千里纠缠、星地传密、隐形传态三大国际量子科研突破。
此后，量子异常霍尔实验发现，九章，世界第一星地量子通信网，祖冲之号九章二号祖冲二号……中国量子科技捷报频传。
潘建伟将量子研究的突飞猛进归功于中国科研黄金时代和集中力量办大事的体制优势。
以墨子号卫星为例，卫星中国科学院上海技术物理研究所、微卫星创新研究所、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心和其他科研机构的努力。不同的机构为我们提供了所需的基本组成部分，为我们的创新理念提供了良好的工程基础。我在国外的一些同行也有类似的科学想法，但没有国家像中国那样全力支持。潘建伟说。
全世界都在努力寻求量子优越性，因为它是一个变量——量子叠加、量子纠缠、神奇而迷人的特点，如量子不克隆，使得量子技术具有巨大的应用前景和广阔的想象空间。
量子力学是一门神秘而不可预测的学科。没有人能真正理解它，只知道如何使用它。诺贝尔奖穆雷，美国物理学家·盖尔曼曾经这么说过。
“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、新技术密集出现，表明第二次量子革命已进入起步和加速期。《自然》杂志评论说：第二次量子革命的鼓已经敲响了！
在第一次量子革命中，人们只问量子理论能让我们做什么，而不问为什么，这是被动的观察和应用。郭光灿说，第二次量子革命是积极利用量子特性，开发量子通信、量子计算、量子精密测量等创新应用。
简言之，这些应用的革命性在于量子计算可以使人类的计算能力达到指数级增长。理论上，量子通信可以绝对保密通信，量子精密测量可以将探测精度从微米级提高到原子级。
当然，量子技术转化为现实生产力的时间表是不同的。
中国科技大学教授、祖冲二号项目具体负责人朱晓波表示：国际量子学主流认为，开发具有实用价值的容错通用量子计算机大约需要10到15年。
据了解，量子计算包括超导、光量子、离子陷阱、半导体拓扑谷歌、IBM、英特尔、微软、亚马逊、霍尼韦尔中国科技大学等国际科技企业纷纷抢滩，浙江大学、清华大学、南方科技大学等大学腾讯、华为、阿里巴巴等企业也布局研发。
业内普遍认为，量子计算机的发展将经历三个阶段：
在第一阶段，开发了50到100个量子比特的专用量子计算机，实现了量子优越性的里程碑式突破。
第二阶段，开发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不称职、实用价值重大的问题。量子化学、新材料设计、优化算法等。
在第三阶段，开发可编程的通用量子计算机，大大提高了量子比特的操作精度、集成量和容错能力。
世界上所有的量子计算机研究，包括‘九章二号’和‘祖冲二号’，还处于第一阶段。朱晓波说，学术界乐观地认为，大约五年后将有局部应用程序。
对于第三阶段可编程的通用量子计算机，学者预测可用于密码破译、气象预报、金融分析、药物研发、矿产勘探等方面。更深远的是，量子计算机强大的计算能力将有助于人类了解物理、化学等领域的重大基础科学问题人工智能科技产生乘法效应，加速裂变反应的产生。
腾讯量子实验室负责人张胜宇告诉记者，他们最近在量子比特的初始化、量子编译和系统结构、大图算法设计等方面取得了进展，并积极探索药物研发、材料模拟等行业的应用。
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，重不到100公斤，深镜头仰望天空……这是世界上第一个由科大国盾量子技术有限公司推出的小型移动量子卫星地面站。
“这种地面站重量轻，可移动，可在12小时内安装。它与边疆、岛屿等偏远地区的墨子号卫星连接，便于使用量子保密通信。科技大学国盾公司量子项目总监周磊介绍绍，他们的另一个新应用是商用量子密钥分发器，每秒可以产生数千把密钥，目标是在光纤可达的地方使用量子通信。
据报道，目前国际量子通信的研发方向主要集中在通信距离、核心部件、小型化、新协议等方面，在政府事务、能源、金融等领域的新应用不断出现，行业标准和评价标准逐步完善。中国处于全球科研和应用的前沿国际电信联盟和国际标准化组织牵头编制量子通信标准。
量子精密测量比量子计算和量子通信更神秘，但业界普遍认为，量子精密测量将是量子技术应用和产业化的最早领域。
量子测量的精度可以达到原子量级。国仪量子(合肥)科技有限公司(以下简称国仪量子)是中国最早成立的以量子精密测量技术为核心的创新型企业。公司副总裁张伟表示，传统测量技术只能检测到微米量级，量子技术可以精细到纳米和亚纳米量级，为精密仪器行业带来革命性的技术进步。例如，在生命科学领域使用量子精确测量，可以准确分析血液中极微量物质的含量。
量子精密测量现在已经开始进入各行各业，成千上万的灯光。国仪量子公司董事长何羽表示，量子精密测量已在石油勘探、生命科学、先进材料和能源电力领域得到示范和应用。
未来，量子精密测量可应用于超导材料的表面特征和结构特征、心脑磁测量、临床前微量物质组分析、生命科学肿瘤细胞成像和导航地磁场测量等领域为仪器行业带来了变革机遇。
量子京沪干线总控中心 中国科技大学供图
第二次量子革命为世界各国开辟了一条新的科技轨道。
今年1月，法国宣布启动量子技术国家战略，计划5年投资18亿欧元，使法国成为量子领域的前三名。
5月，德国宣布拨款近20亿欧元，使德国在量子竞赛中跟上步伐。
11月中旬，澳大利亚宣布投资1亿澳元促进量子研究商业化。
同月底，日本宣布拨款145亿日元，加强量子保密通信研究，帮助经济和军事安全。
在全球量子发展趋势下，业内人士认为，中国至少面临三大挑战：技术、产业和人才。
先看技术挑战。量子科技作为探索微观世界的科学，很难研究。中科院院士王建宇比喻地说，实现量子卫星天地实验，相当于人在万米高空，把硬币扔进地上的储钱罐。
中国科学院量子信息重点实验室副主任郭国平开发量子计算机似乎就像使用原子建金字塔。
合肥源量子计算技术有限公司轮值董事长孔伟成表示：量子计算对环境的要求特别高。不仅要超低温，还要超干净。极微弱的噪声、光线、磁场和小颗粒会扰乱信号，整个系统非常复杂和困难。
朱晓波说，目前开发量子计算机的一个主要技术挑战是提高操作量子比特的精度和准确性。例如，即使单门操作精度达到99%，70次操作后，准确率也会降低到50%以下。
看看工业挑战。许多专家表示，量子技术的发展正处于从科学研究到应用的过渡阶段。为了加快产业化，有必要形成科研机构 企业 工业生态用户。
科大国盾量子科技有限公司总裁应勇表示，与研发相比，行业最大的困难在于量子通信领域的使用规模较小，在产品推广上会有滞后期。同时，量子通信需要用户使用习惯的切换，且改造信息系统的成本代价和工作量非常大，影响了量子通信技术的应用。
郭光灿说：科研机构开发的量子科技产品需要更多的企业和用户进行试用。只有在应用中发现问题，创建应用场景，及时反馈给研发端，行业才能迭代发展。
最后，人才供应不足被认为是制约量子科技发展的重要因素。
IBM负责量子战略和生态的副总裁罗伯特·苏托尔曾表示，全球量子人才普遍短缺，企业需要与高校更密切合作，从高等教育阶段开始培养相关人才。例如，在量子计算方面，迫切需要物理人才进行相关的硬件研发，但也需要数学和计算机人才。
我们目前最大的困难是缺乏人才！何羽说，不仅量子理论人才，还需要仪器工程师、光学工程师、微波工程师算法工程师等。
除了挑战，量子技术日益扩大的影响力也吸引了一些摩擦概念产品，以及不专业的学术问题和夸大的解释。
量子能量波与人体生物电和谐共振，深层滋养细嫩肌肤量子波粒二象性是阴阳，科学解释风水。……记者发现，近一年来，中国出现了2000多家量子企业，将量子力学原理与化妆品、农业、食品、服装、汽车等传统产业嫁接。
专家认为，这些企业不是量子技术的产业化，而是热点的伪创新。郭光灿说：到目前为止，量子技术还没有人们可以使用的产品，短时间内也做不到。不可能很快达到千家万户的水平。
专家说，确定一种商品是否使用量子技术取决于它是否使用量子技术相干性、叠加等特性，如果不使用，就是蹭概念。更直白地说，量子技术还没有应用到现阶段的大众生活中。
同时，量子科技在舆论领域也呈现出冰与火的两极评价，既有量子计算机即将淘汰电子计算机量子通信超光速，爱因斯坦大家都很惊讶，量子计算欺骗世界和量子通信是一个无用的骗局的过度上升，给公众带来了困惑和意识形态混乱。
为了避免过度解读，我们在发布信息时采用了更中性的表达方式。例如，用量子优越性取代‘量子优越性’量子霸权潘建伟院士团队的一位学者告诉记者，量子计算原型机的名字强调，它仍处于实验研究阶段，离实用性还有很长的路要走。然而，在信息传播中，一些媒体和个人官方账号仍在加油加醋。
量子计算机一定是未来的一个重要方向，但它是用来解决电子计算机难以解决的具体问题的。并不是所有的问题都能加速。它补充了电子计算机，而不是替代关系。清华大学姚志志教授段路明等专家表示，量子技术需要客观理性的认知。
何羽说：量子科技就像一个婴儿，未来有无限的可能，但现在还不够强大，更不能‘治百病’。
中国科学院科学传播研究中心副主任：筛选量子技术问题最基本的判断是看它是否在同行审稿的科学期刊上发表了论文。袁岚峰据说中国的量子技术专家在国际顶级期刊上发表了许多论文，反对量子技术的文章都是在线文章，没有一篇是在学术期刊上发表的。原因是这些文章在科学上是错误的，审查不合格。
许多学者分析说，近年来，中国质疑量子的声音越来越多。其中一个原因是量子理论深刻，难以理解。量子纠缠和量子叠加的特点与日常体验相反，这很容易被怀疑。从更深层次上看，量子技术还没有发展到公共应用阶段，质疑可以理解为一种关心、渴望和担忧。
量子时代已经到来。加快量子技术的发展，迫切需要形成合力协同攻关。
郭光灿说，量子计算机行业涉及硬件、软件、标准、工程技术、用户习惯等方面，需要政府的支持、科研机构、企业合作甚至公众的关注。
据了解，目前的新趋势是，一些国家正在建立跨国技术联盟，共同促进量子技术的发展。今年6月举行G七峰会上，美国、英国、日本、加拿大、意大利等七国宣布联合开发基于卫星的量子加密网络——联邦量子系统（FQS），计划于2023年发射第一个协调资源和资金的联合研究FQS卫星。
与此同时，国际上也形成了多个量子科技产业联盟，如IBM的“QNetwok来自大学、实验室、航空、汽车、银行、金融等行业的100多名成员共同推动了量子计算的发展和应用。
量子技术需要大量企业从实验室到市场应用场景的合作。目前，国内本源量子郭国平说，企业也成立了产业联盟，希望进一步发展壮大。
应勇认为，中国应该加快量子的形成 工业生态。例如，在量子通信行业，网络越密集，价值越大，应用开发和用户群越多。
据了解，近年来，合肥、济南、武汉等城市已初步建成量子通信网络。近年来，合肥市政府、中国电信公司、国盾量子等合作的新一代合肥量子城域网已启动建设，包括8个核心网站和159个接入网站。网络光纤全长1067公里，将接入政府、金融、医疗等行业。
量子科技发展的关键是人才，是重大颠覆性创新。
美国相关政府机构建议从幼儿园到高中增加量子信息科学课程，哈佛大学增加量子科学与工程学位。今年，中国科技大学批准建立量子信息科学本科专业和量子科学与技术博士学位。
许多学者建议鼓励更多的大学开设量子技术专业，培养更多的物理、数学、信息、仪器、材料等跨学科的量子人才。段路明介绍说，清华大学目前已经开设了量子信息本科课程交叉学科培训方法使学生形成从基础到应用的知识结构。我国量子技术发展迅速，应进一步扩大培训规模，为科研和企业提供足够的人才。
中国信息通信研究所预测，未来五年量子计算可能基于噪声中等规模量子处理器，探索云平台实用价值的应用算例；量子通信将重点关注量子信息网络关键技术和能源组件，开展网络原型实验，逐步推进标准体系建设，不断探索量子保密通信的商业场景；预计量子精密测量将在新一代定位、导航和授时系统，在微磁场、重力场测量系统、高灵敏度成像系统等领域率先突破应用。
在量子技术快速发展的同时，我们也应该看到，其发展和应用前景仍然存在长期和不确定性。中国信息通信研究所技术与标准研究所赖俊森博士介绍，以量子计算为例，逻辑量子比特的门槛尚未跨越，大规模通用量子计算仍是长期目标，量子计算系统架构和软件系统仍处于初步探索阶段，工作环境要求仍非常严格，超导、光量子、离子陷阱、半导体、拓扑等技术路线并行发展，未来哪条路线将赢尚不清楚。
量子技术有着光明的未来，但绝不是一条平坦的道路。它必须具有发展‘两弹一星’的科学家精神。郭光灿等专家强调，只有不畏艰难险阻，才能登上新的量子高峰，抓住制高点，建设新的优势。
朱晓波说，量子技术是关系到人类未来的关键核心技术领域，希望能有更多既有智慧又有勇气的年轻人进来。如果你在10到15年内取得扎实的成果，你将继续取得更重要的成果。■
发布于：2023-08-26，除非注明，否则均为原创文章，转载请注明出处。