【科学强国】量子热背后的冷思考
量子信息技术是培育未来产业、构建新质生产力、推动高质量发展的重要方向之一，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。
20世纪80年代后期，科学家将量子力学应用到信息领域，量子信息技术就此诞生，并以远超经典信息技术的优越性和发展潜力引起世界各国的高度重视，被称作“第二次量子革命”。其中，量子计算是对量子叠加态、量子纠缠和相干性三个基本特点综合运用的分支领域;量子通信主要利用量子纠缠的特性，涉及量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等领域;量子精密测量则是量子信息技术应用的基础之一，涉及对量子物理状态及其携带信息的观测。
经过40余年发展，量子信息技术已从仅有学术界关注的基础科学研究和前沿技术探索，逐步进入产业界共同参与的工程应用研究和未来产业培育的历史进程当中，目前已进入科技攻关、工程研发、应用探索和产业培育一体化推进的关键发展阶段。
量子计算实现新突破
新年伊始，量子计算领域有变动也有突破。
今年1月3日，百度量子计算研究所传出变动消息。官方已证实，旗下量子实验室及可移交的量子实验仪器设备将捐赠给北京量子信息科学研究院。2个月前，2023年11月，阿里达摩院也将量子实验室捐赠给浙江大学。具体涉及何种原因而变动战略，截至报道发布前，百度与阿里均未透露。
飞速发展 “墨子号”量子科学实验室卫星模型。摄影/宁颖
1月6日，我国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”上线。随后，中国“悟空”向全球用户限时免费开放，接收全球量子计算任务。
截至1月15日上午10时，我国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”已为全球用户成功完成33871个运算任务，全球60多个国家远程访问“悟空”人次突破35万。从登录用户看，全球范围内，美国、保加利亚、新加坡、日本、俄罗斯、加拿大等61个国家用户远程访问了中国“悟空”，其中美国用户访问次数位居境外访问第一。
“本源悟空”由本源量子计算科技(合肥)股份有限公司自主研发，搭载72位自主超导量子芯片“悟空芯”，是目前我国最先进的可编程、可交付超导量子计算机。
国开启科量子技术(安徽)有限公司联合创始人、首席科学家罗乐认为，当前，量子计算处于由科研走向工程的关键时期，但大规模商业化应用预计还需要等待较长时间。“一些算力敏感行业值得关注，比如安全相关的攻防、流体力学模拟、小分子物化模拟等。在这些领域，不少世界知名企业和机构已投入巨资进行量子计算研究。”
量子通信为信息安全保驾护航
从古时候贤君名臣的权争往事，到近现代大国之间的纵横捭阖，在信息传递过程中，泄密一直是人们广泛关注的一个问题。今人成功解决问题的手段，既非鸿雁传书，也非鱼传尺素，而是量子通信。
据悉，中国和俄罗斯的科学家联手，在两国之间成功测试了超远距离、“完整周期”的量子加密通信，尚属首次，意义深远。
本次测试是在2022年3月1日进行的，使用了位于俄罗斯莫斯科附近的兹韦尼哥罗德地面站、中国新疆乌鲁木齐附近的南山地面站，相距约3800公里。测试还借助了中国在2016年发射的世界第一颗量子卫星“墨子号”。测试中，科学家发送了两张图片，均使用量子密钥进行了加密。密钥一共有两个，一是中国哲学家墨子的引文，二是已故苏联物理学家列夫·朗道的方程式。此次测试证明，在金砖国家之间建立量子通信网络“在技术上是绝对可能的”。
量子通信的研究内容之一就是量子密钥分发。“基于计算复杂性的传统加密技术，在原理上存在着被破译的可能性，其破译的困难程度只取决于计算力的强大与否。随着数学和计算能力的不断提升，经典密码被破译的可能性与日俱增。” 中国科学院量子信息与量子科技创新研究院教授级高级工程师廖胜凯介绍，“而与经典通信不同，量子密钥分发的安全性基于物理学基本原理，与计算复杂度无关。通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的原理上无条件安全的通信方式。”关于量子通信领域其他一些技术方案如量子隐形传态、量子安全直接通信(QSDC)等也在进一步发展。
用量子“测量”世界
近日，中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰院士、王亚教授等人在量子精密测量领域取得重要进展，提出基于信号关联的新量子传感范式，实现对金刚石内点缺陷的高精度成像，并实时观测了点缺陷的电荷动力学。1月5日，该研究成果在线发表于《自然•光子学》。
20多年时间里，量子传感的发展已经使得很多物理量的测量技术取得了革命性的进展。此次工作中，研究团队提出了一种新的量子传感范式，即利用多个量子传感器之间的信号关联，提升对复杂对象的解析能力和重构精度。研究团队基于自主发展的氮-空位色心制备技术，可控制备出相距约200纳米的三个氮-空位色心作为量子传感系统，通过对随机电场探测展示了这种新的量子传感范式。
研究人员介绍，这一成果展示了基于量子技术的超高灵敏度缺陷探测，甚至在1000亿个正常原子中出现一个缺陷，也能探测到。这要比目前最灵敏方法的探测极限提升两个数量级以上，有望为当前10纳米以下芯片中的缺陷检测提供一种强有力的技术手段。
挑战与发展并存
面对量子热潮带来的机遇与挑战，中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤指出，我国目前的短板在于：第一，量子技术的人才储备不足。因为这个技术比较尖端，很长时间都处在基础研究阶段，近20年我国基础研究才得到快速发展。人才培养需要时间，不管是量子科技所有领域的人才团队规模，还是杰出的科学家群体，我们都是不足的。第二，一些基本的材料比如关键的元器件和设备仍然依赖进口。和其他领域类似，科研人员做量子科技实验，要依赖部分进口设备，还需要解决完全自主化问题。但是从时代发展来讲，基本上达到了在同一个平台竞争的阶段。
他表示：“实际上，基础研究的人才培养，需要很长时间，发展基础研究也是如此。现在一定要保持定力。中华民族的伟大复兴，也意味着科学的复兴，我们要对世界科学做出贡献，对人类科学做出贡献。通过科学技术的发展，不仅让我们国家更强大，也为创造人类未来更美好的生活发挥作用。打造人类命运共同体，科学共同体应该是其中的一部分。”
意大利理论物理学家卡洛•罗韦利教授的新作《量子物理如何改变世界》去年在国内出版后获热销，该书译者王子昂接受采访时表示：“量子信息技术依然处于日新月异的蓬勃发展期，基层理论的拓展与突破离不开资金的支持;而部分已取得相对丰富实用经验的、产业化趋于成熟的技术领域若可率先开始商业化探索、取得阶段性成果，或多或少可满足理论研究部分的资金需求。从国际视野来看，促进量子信息技术产业化、提高其商业价值转化效率是多国量子信息技术政策的着力点，尽快在应用领域完善框架构建、积累市场经验成为当务之急。但打好商业价值转化的前期基础、钻研出适合我国国情的利好政策、吸引相关领域人才应是着手推行商业化的先决条件。”
来源：《小康》·中国小康网
作者：孙媛媛
编辑：赵狄娜
审核：龚紫陌