jmsjjyl@com “九章二号”144模干涉仪（部分）实验照片提供：中国科学技术大学
在量子计算、量子通信、量子精密测量三大领域，中国均位居第一。
中国量子研究快速发展的背后，是中国的“科学研究黄金时代”和“集中力量办大事”的制度优势。
“到目前为止，量子技术还没有可供大众使用的产品，而且不会很快出现。”
量子技术是关乎人类未来的重要核心技术领域，我们迫切需要更多有智慧和勇气的年轻人去闯荡科研无人区和工业无人区。
文| 《瞭望》 新闻周刊记者徐海涛魏玉红陈诺舟张
中国成功研制量子计算原型机“九章二号”和“祖冲二号”，美国IBM宣布实现“全球最大”量子计算处理器，日本宣布配额。 145亿日元加速量子安全通信研究……近年来，量子技术发展突飞猛进，各国竞相抢占这一关乎人类未来的技术。
121年前，当马克斯·普朗克提出“量子”概念时，即使是最大胆的人也很难想象它会给世界带来多大的改变。 —— 核电、激光、计算机、手机等都与此有关。
正在掀起的“第二次量子革命”将给我们带来怎样的未来？中国在全球量子技术热潮中处于什么地位？中国将如何通过加速实现先进科技自主化、自力更生，为全球量子技术发展做出新的贡献？
人们期望，随着我们对微观量子世界认识的加深，宏观世界也会随之改善。
前往第一个营地
“我们解决某些数学问题的速度比最快的超级计算机快数千亿倍！”今年10月，有关中国在量子技术方面取得新进展的消息登上了全球科技界的头条新闻，引起了巨大反响。
“这是一项令人兴奋的实验工作，”加拿大卡尔加里大学量子物理学家巴里·桑德斯教授说。
国际著名学术期刊《物理评论快报》发表相关论文，表明我国研制的量子计算原型机“九章二号”和“祖冲之二号”得到了国际学术界的认可。这样，日本就成为世界上唯一在光子和超导两条技术路线上实现“量子优势”的国家。
“量子优势”就像一个门槛，意味着一旦新的量子计算原型在某个特定问题上超越了最强大的传统计算机，它将证明未来有很多方法可以超越它。
国际学术界多年来一直密切关注和期待这一划时代的转折点。
2019年9月，谷歌发布了一款名为Platanus的53量子位计算机，只需200秒即可计算出数学算法，当时世界上最快的超级计算机在两天内就达到了平台期。我们将引领实现“量子计算的优越性”。
一年后，中国成功研制出名为九章的76光子量子计算原型机。当时，世界上最快的超级计算机花费了6 亿年的时间才建成。这使得中国成为世界上第二个实现“量子霸权”的国家。
今年10月，九丈二号解决高斯-玻色采样的速度比目前世界上最快的超级计算机快10的24次方（十亿倍）。祖冲二号的计算复杂度比谷歌宣布的要快10倍。梧桐树的数量增加了一百万倍。我国“量子优势”引人注目。
“中国曾经是量子通信领域的世界领先者，但现在可以说日本的量子计算已经进入了世界第一的境界。” “九章二号”项目负责人、中国科学技术大学潘建伟研究员陆巧阳表示：
量子技术主要分为三大领域：量子计算、量子通信、量子精密计量。
近年来，随着墨子号量子卫星的发射，我国在量子通信研究方面处于领先地位。今年，中国建成了全球首个星地量子通信网络，并创下了500公里现场光纤量子通信世界纪录，进一步巩固了主导地位。
在量子精密测量领域，我国的科研水平和技术应用与西方国家不相上下，且各有优势。近年来，日本取得了海森堡极高精度单光子克尔效应测量、200公里单光子三维成像、室内检测单个DNA分子磁共振谱等重大成果。我们还开发了量子金刚石单自旋光谱仪和量子金刚石原子力显微镜等创新产品。
据中国信息通信研究院发布的统计数据《量子信息技术发展与应用研究报告（2020年）》显示，2000年至2019年，全球三大量子信息领域发表的科研论文数量持续增长。美国科研机构和企业在发表论文数量超过12000篇的国家中排名第一，中国以超过9000篇论文紧随其后，德国、日本和英国分别位居第三至第五位。其中，在量子通信、量子计算、量子精密测量三个领域，中国论文数量排名第一、第二、第二位。
“在量子三大领域，我们现在各个方面都处于第一阶段。量子计算以前比较落后，但现在正在逐步追赶。”中科院量子信息重要研究实验室主任。
“当前，实现量子信息技术的规模化应用已成为许多国家的竞争目标，引起了党和国家的高度重视。”中国科学院院士潘建伟说。量子技术实现了从追随者到部分进步的历史。
2016年12月9日，量子科学实验卫星“墨子号”与阿里巴巴量子隐形传态实验平台建立了空间与地面的链接（合成照片） 金力旺/本杂志提供
“科学研究的黄金时代”
1900年量子理论兴起时，中国在很长一段时间里都是弱者和旁观者。为什么100多年后的今天，中国的量子技术正在崛起？
改革开放后最早在中国开展量子信息研究的郭光锐还记得1980年在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。在日本，一开始几乎完全是空白。面对20年的延误，他约了一批在加拿大和美国留学的中国学生，最先回国的将组成一个团队，从事量子光学课题的研究。
1984年回国后，郭光灿主持召开了中国第一次量子光学学术会议。此后，我们开设了中国第一所量子光学课程和第一个量子信息实验室，并于2001年获得了国家第一个量子信息技术“973”项目，邀请了全国10多个科研部门的50多名学者聚集并组成了一个团队。团队。
1996年，潘建伟先生（26岁）毕业于中国科学技术大学，赴量子力学发源地奥地利留学，获得博士学位。
在塞林格教授的科研团队中，量子物理学大师潘建伟很快崭露头角。 1997年，他作为第二作者的论文《实验量子隐形传态》被美国杂志《科学》评为世界十大科技进步之一。
但成为世界级学者并不是潘肯伟梦想的全部。当他的导师塞林格问他：“潘先生，你的梦想是什么？”潘建伟说，“我的梦想是在中国建立一个像这样的世界一流的量子光学实验室。”我记得这样回答。
多年后，潘建伟告诉记者，“现代科学不是在中国诞生的，中国人能否赶上科学的前沿，引领伟大的创新？”他向记者讲述了自己的想法。
潘建伟表示，中国的科技官员精力有限，想通过努力证明自己不仅能在国外取得成果，在国内也能取得优异的成绩。
2016年8月，世界首颗以中国圣人墨子命名的量子科学实验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射。以“墨子号”为平台，中国取得了国际量子科学研究的三大进展：“千里纠缠、星地秘密传输、隐形传态”。
此后，量子反常霍尔效应的实验发现，世界上第一个星地量子通信网络“巨掌”、“祖冲之号”、“巨掌号2”、“祖冲之2”……中国量子科技新闻频频报道。
潘建伟表示，量子研究的快速进展得益于中国的“科学研究黄金时代”和“深耕细作”的制度优势。
以“墨子号”卫星为例，他表示，该卫星的所有部件都是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、国家天文研究院的联合体。中国天文台。我们期待紫金山天文台、国家空间科学中心等各科研机构的努力。 “各种机构为我们提供了所需的基本组件，并为我们的创新想法提供了良好的工程基础。有些人已经开发了类似的科学想法，但没有一个国家给予我们如此多的支持。我们有。”潘建伟说。
“第二次量子革命的战鼓已经敲响。”
全世界都在争取“量子霸权”，因为量子是一个可变的“量”——。量子叠加、量子纠缠、量子去克隆等神奇而迷人的特性赋予了量子技术巨大的应用潜力和广阔的想象空间。
“量子力学是一门神秘而难以捉摸的学科，我们没有人能够真正理解它，我们只知道如何使用它，正如美国物理学家默里·盖尔曼曾经说过的那样：
潘建伟表示，“量子理论的出现引发了上世纪第一次量子革命，催生了现代信息技术。基于量子理论，诞生了核电、激光、半导体等技术，重大技术不断涌现。”自开发以来。”他说。计算机、互联网、手机应用程序等
进入21世纪，量子领域新发现、新理论、新技术密集出现，第二次量子革命已经开始并加速。《自然》 杂志评论：“第二次量子革命的战鼓已经敲响！”
“在第一次量子革命中，人们只问量子理论能为我们做什么，而不是为什么。这是被动的观察和应用。在第二次量子革命中，是主动利用量子特性来发展量子通信、量子计算、量子精密测量和其他创新应用。
简单来说，这些应用的创新之处在于，——量子计算可以实现人类计算能力的指数级增长，量子通信理论上可以实现通信的绝对保密性，量子精密测量可以将检测精度从微米级提升到“微米级”。原子级”。
当然，量子技术达到真正生产力的时间表各不相同。
“国际量子界的主流观点是，该项目大约需要10到15年的时间。”祖冲二号项目指定负责人、中国科学技术大学教授朱晓波说。目标是开发具有实用价值的容错通用量子计算机。 ”
量子计算已知包括超导、光子、离子阱、半导体、拓扑等技术路线，目前被谷歌、IBM、英特尔、微软、亚马逊、霍尼韦尔等国际科技公司争相抢占。国内市场。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、阿里巴巴等企业也在进行研发。
业界普遍认为，量子计算机的发展将经历三个阶段。
第一阶段将研发50至100个量子比特的专用量子计算机，实现“量子霸权”的里程碑式突破。
第二阶段将开发能够操纵数百个量子比特的量子模拟器，以解决一些超级计算机无法解决的实用价值较高的问题。量子化学、新材料设计、优化算法等
第三阶段，量子比特的运算精度、集成能力和容错能力将显着提高，开发可编程通用量子计算机。
“世界上所有的量子计算机研究，包括‘九丈二号’和‘祖冲二号’都还处于早期阶段，学术界的乐观情绪会是片面的。”朱晓波表示。申请将在大约5年后提交。
至于第三阶段，可编程通用量子计算机，学者预测其可用于密码破译、天气预报、金融分析、医药研发、矿产勘探等多个方面。更深远的是，量子计算机强大的计算能力将帮助人类理解物理、化学等领域的关键基础科学问题，并将与人工智能等技术提供“协同作用”，加速“核裂变反应”。 ”
腾讯量子实验室主任张胜宇告诉记者，最近在量子比特初始化、量子编译和架构、大规模图算法设计等方面取得了进展，可能会带来医药研发、材料模拟等工业应用。他正在积极调查此事。
在量子通信领域，全球正处于网络建设与应用探索并行的阶段。
高约1米，重量不到100公斤，用深邃的镜头仰望天空……这是科大讯飞国盾量子科技有限公司近期发射的全球首个小型移动量子卫星地面站。
“这种地面站重量轻、可移动，12小时内即可安装完毕，可用于边境、海岛等偏远地区与墨子卫星对接，可方便地使用量子安全通信。周雷，科大讯飞国盾公司董事表示，该公司的另一个新应用是商业量子密钥分配器，每秒可以生成数千个密钥，目标是“让光纤可以到达任何地方”。
据悉，目前国际量子通信研发方向集中在通信距离、核心部件、小型化、新协议等方面。政府、能源、金融等领域新应用层出不穷，行业标准化和评估不断推进。规格将逐步完善。中国处于全球科研和应用前沿，主导国际电信联盟、国际标准化组织量子通信标准制定。
相比量子计算和量子通信，量子精密测量显得更加神秘，但业界普遍认为，量子精密测量将是量子技术最早应用和产业化的领域。
“量子测量的精度可以达到原子级别。”该公司副总裁魏先生介绍，传统测量技术只能检测最小的微米级，而量子技术可以实现纳米和亚纳米精度1000到10000倍，使其带来革命性的技术进步。精密装备行业。例如，生命科学中使用量子精密测量来精确分析血液中微量物质的含量。
国仪量子董事长何宇表示，“量子精密测量现已开始应用于各个领域的千家万户。”量子精密测量已经在石油勘探、生命科学、先进技术等领域得到了示范。表示该应用已经实现。物质、能量、电力。
未来，量子精密测量将用于超导材料的表面和结构表征、医学领域的心脑磁力测量、临床前研究中的微量物质成分分析、生命科学中的肿瘤细胞成像以及导航等。用于地磁测量等。等领域，给装备行业带来转型机遇。
量子京沪干线主控中心中国科学技术大学供图
三大挑战：技术、产业、人才
“第二次量子革命”为世界各国开辟了新的技术途径。
今年1月，法国宣布启动量子技术国家战略，计划五年内投资18亿欧元，使法国跻身量子领域“世界前三”。
5 月，德国宣布拨款近20 亿欧元，以“跟上”量子竞赛。
11月中旬，澳大利亚宣布投资1亿澳元，加速量子研究的商业化。
同月底，日本宣布将拨款145亿日元，用于加强量子安全通信研究以及经济和军事安全。
在大家竞相追逐的全球量子发展形势下，业内人士认为，我国目前至少面临技术、产业、人力资源三大挑战。
让我们首先看看技术挑战。量子技术是一门探索微观世界的科学，研究起来极其困难。中国科学院院士王建宇形象地说，开展量子卫星“天地实验”“相当于一个人在万米高空往存钱罐里扔一枚硬币”。
中国科学院量子信息重点实验室副主任郭国平表示，研制量子计算机就像“用原子建造金字塔”。
“量子计算对环境的要求特别高：不仅需要超低温，还需要‘超洁净’。非常微弱的噪声、光、磁场和小颗粒都会干扰信号，使整个系统变得非常复杂。合肥本源量子计算技术有限公司轮值董事长孔维成表示：
朱晓波表示，当前量子计算机研发的技术挑战之一是提高量子比特的运算精度，提高计算的精度。 “例如，单次门操作的准确度可能达到99%，但经过70 次门操作后，准确度就会下降到50% 以下。”
让我们来看看行业面临的挑战。多位专家认为，当前量子技术发展正处于从科研到应用的过渡阶段，加快其向产业化阶段迈进，需要形成“科研机构+企业+用户”的产业生态系统。说有必要这样做。
科大讯飞国盾量子科技有限公司总裁应勇表示，业界在量子通信领域最大的困难是与研发相比应用规模较小。产品推广。同时，量子通信需要用户转换使用习惯，转换信息系统的成本和工作量非常大，这会影响量子通信技术的应用。
“科研机构研发的量子技术产品需要被更多的企业和用户尝试，发现应用问题，打造应用场景，并及时反馈给研发部门，这样产业才能迭代发展。”郭光灿说。
最后，人力资源供应不足被认为是限制量子技术发展的关键因素。
IBM量子战略与生态副总裁罗伯特·苏特表示，目前全球范围内量子人才普遍短缺，企业正在与大学更加密切地合作，从高等教育水平获取合适的人才。有必要培养例如，谈到量子计算，不仅迫切需要物理人员研发相关硬件，还迫切需要数学和计算机领域的人员。
“目前最大的挑战是人才短缺！”何宇说，不仅需要量子理论人才，还需要仪器工程师、光学工程师、微波工程师、算法工程师等。
“概念挪用”、“过度宣扬”、“学术疑虑”。
除了挑战之外，量子技术日益增长的影响力也引来了一些“概念”产品，以及非专业的“学术质疑”和引人注目的夸张解读。
“量子能量波与人体生物电和谐共振，深层滋养娇嫩肌肤。”“利用量子纠缠原理，帮助农作物吸收更多肥料，防止害虫产卵。”“量子波的二重性。”他们发现，已经有2000多种“量子公司”涌现，将量子力学原理“嫁接到”化妆品、农业、食品等传统行业。服装、汽车。
专家表示，这些公司更多地谈论的是“伪创新”，而不是量子技术的产业化。 “到目前为止，量子技术还没有生产出可以被普罗大众使用的产品，这不是短时间内能够实现的事情，不可能达到可以分发给大众的程度。”立即千家万户。”郭光赞说。
专家表示，一款产品是否使用量子技术取决于它是否使用量子相干性或叠加性等特性。更坦白地说，现阶段量子技术还没有应用到人们的生活中。
另一方面，在舆论领域，量子技术却受到了“量子计算机即将毁灭电子计算机”、“量子通信超越光速，连爱因斯坦都感到惊讶”等两极分化的观点。 “量子计算欺骗世界、窃取名誉”、“量子通信是无用的骗局”等全盘否认，给群众带来了困惑和思想混乱。
为了避免被过度解读，我们在发布信息时采用了更加中立的表述，例如我们使用“量子霸权”而不是“量子霸权”，标题使用“量子计算原型”的标题来强调它还不是。一个现实。 “目前还处于实验研究阶段，距离实际应用还很远。”班建伟院士团队的一位学者告诉记者，但在信息传播中，一些媒体和个人公众号仍然没有“加新闻”。 已经完成。
“量子计算机应该是未来的一个重要方向，但它们将用于解决电子计算机难以解决的特定问题。并不是所有问题都可以加速，”清华大学的段如明说，“它是对电子计算机的补充。”计算机”，大学教授姚启智等多位专家表示，量子技术需要客观理性的认知。
“量子技术就像一个婴儿，未来有无限的可能性，但目前还不够强大，更谈不上包治百病。”何宇说道。
中国科学院科学传播研究中心副主任袁兰峰表示：“审查有关量子技术的指控最基本的标准是检查该论文是否发表在经过同行评审的科学期刊上。” 。尽管技术专家发表了许多论文，但所有反对量子技术的论文都是网络论文，并未发表在学术期刊上。原因是这些论文存在科学错误，无法通过审查。
不少学者分析，近年来国内质疑量子科学的声音有所增加。原因之一是量子理论晦涩难懂，而且量子纠缠和量子叠加等性质与日常经验背道而驰。很容易对此产生怀疑。从更深层次来说，量子技术还没有达到大规模应用的阶段，质疑可以理解为担忧、紧迫和担忧的情绪。
未来无限
量子时代已经到来。迫切需要联合力量和协作研究来加速量子技术的发展。
“要引领‘第二次量子革命’，我们不能当‘游击队’，而要组织‘集体军’。量子计算机产业有硬件、软件，”郭光侃说，标准、工程涉及技术和用户习惯。这些方面都需要政府、科研机构的支持、企业的配合，甚至社会公众的关注。
朱晓波表示，量子技术是关系人类未来的重要核心技术领域，希望更多有智慧、有勇气的年轻人进入这一领域。 “如果我们勇敢地踏入科研和产业的无人区，努力工作10到15年，我们相信会出现更重要的成果。”
