在量子信息技術(shù)中，具有代表性的是量子通訊和量子估算。這也是各主要科技大國(guó)重點(diǎn)占據(jù)的戰(zhàn)略技術(shù)高地。這么，哪些是量子科技？在現(xiàn)實(shí)生活中有何應(yīng)用前景？各國(guó)及科技企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)怎樣？
量子信息技術(shù)則是量子熱學(xué)的最新發(fā)展，代表了正盛行的“第二次量子革命”。這么哪些是量子科技？在現(xiàn)實(shí)生活中有何應(yīng)用前景？各國(guó)及科技企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)怎樣？
量子科技始于量子熱學(xué)。量子熱學(xué)發(fā)始于20世紀(jì)初，是研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)學(xué)分支，假如一個(gè)數(shù)學(xué)量存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)數(shù)學(xué)量是量子化的。
量子熱學(xué)中有一些“違背常理”的特征，如知名的難知死活的“薛定諤的貓”等。但相關(guān)理論不斷獲得實(shí)驗(yàn)支持，在一百多年里催生了許多重大發(fā)明——原子彈、激光、晶體管、核磁共振、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等，改變了世界面貌。
從頂樓設(shè)計(jì)、戰(zhàn)略投資再到人才培養(yǎng)等，全球多國(guó)近些年來(lái)在量子科技領(lǐng)域持續(xù)投入。
早在2016年，歐共體就宣布將量子技術(shù)作為新的旗艦科研項(xiàng)目，迎接“第二次量子革命”。日本也始終支持量子科技發(fā)展，最新動(dòng)向是在10月7日，白宮科學(xué)和技術(shù)新政辦公室啟用了國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室的官方網(wǎng)站，同時(shí)發(fā)布了《量子前沿報(bào)告》。
在量子信息技術(shù)中量子物理的應(yīng)用舉例，具有代表性的是量子通訊和量子估算。這也是各主要科技大國(guó)重點(diǎn)占據(jù)的戰(zhàn)略技術(shù)高地。
量子通訊：信息安全傳輸?shù)摹氨Ｗo(hù)盾”
量子通訊是借助量子力學(xué)相關(guān)原理解決信息安全問(wèn)題的通訊技術(shù)。其中一個(gè)知名原理就是量子糾纏，兩個(gè)處于糾纏狀態(tài)的量子如同有“心靈感應(yīng)”，無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，一個(gè)量子狀態(tài)變化，另一個(gè)也會(huì)急劇改變，愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”。傳統(tǒng)的通訊方法有被監(jiān)聽的風(fēng)險(xiǎn)，而在量子通訊中，監(jiān)聽者必然被察覺并被通訊雙方規(guī)避。量子通訊因而常被叫做信息安全傳輸?shù)摹氨Ｗo(hù)盾”，在保密領(lǐng)域有很大應(yīng)用前景。
近些年來(lái)，中國(guó)量子通訊技術(shù)取得多項(xiàng)突破性進(jìn)展。例如2016年8月，中國(guó)發(fā)射了自主研發(fā)的世界上首顆空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”；隨后，中國(guó)科研人員借助量子衛(wèi)星在國(guó)際上率先成功實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地單向量子糾纏分發(fā)等成果。2017年，全球首列量子保密通訊骨干網(wǎng)“京滬干線”項(xiàng)目通過(guò)總技術(shù)初驗(yàn)。
去年以來(lái)，在量子通訊領(lǐng)域中國(guó)學(xué)者“捷報(bào)頻傳”。有關(guān)方面3月宣布，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉團(tuán)隊(duì)等研究人員實(shí)現(xiàn)了500公里級(jí)真實(shí)環(huán)境光纖的雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)和相位匹配量子秘鑰分發(fā)，傳輸距離達(dá)到509公里，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。有關(guān)方面9月宣布，郭光燦教授團(tuán)隊(duì)與奧地利同行合作，首次實(shí)現(xiàn)了高保真度的32維量子糾纏態(tài)，明顯增強(qiáng)了量子通訊的信道容量。
量子估算：未來(lái)估算技術(shù)的“心臟”
量子估算是各國(guó)優(yōu)先發(fā)展的另一重點(diǎn)科技領(lǐng)域。百度研究院量子估算研究所主任段潤(rùn)堯告訴新華社記者：“量子估算是這一場(chǎng)新量子革命最具有代表性的技術(shù)，是未來(lái)估算技術(shù)的腎臟。”
與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)有奇特優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中1個(gè)比特在某個(gè)時(shí)間只能是0或1中的一個(gè)狀態(tài)，而在量子計(jì)算機(jī)里，因?yàn)榱孔盈B加態(tài)的存在，1個(gè)量子比特可同時(shí)記錄0和1兩個(gè)狀態(tài)。因而量子物理的應(yīng)用舉例，量子計(jì)算機(jī)擁有估算能力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的潛力。但目前人類能同時(shí)操縱的量子比特還不多，量子計(jì)算機(jī)仍未邁向大規(guī)模實(shí)用。
在量子估算賽道，微軟、微軟、英特爾等西方科技企業(yè)擁有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)不同技術(shù)路徑不斷實(shí)現(xiàn)對(duì)更多量子比特的操縱。今年10月，微軟研究人員在法國(guó)《自然》雜志發(fā)表論文稱，基于一個(gè)包含54個(gè)量子比特的量子芯片開發(fā)了量子估算系統(tǒng)，它耗費(fèi)約200秒完成的任務(wù)，傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)要1萬(wàn)年才會(huì)完成。這在當(dāng)時(shí)被叫做實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，即讓量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)特定問(wèn)題上的估算能力超過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，但也有一些業(yè)界人士對(duì)相關(guān)細(xì)節(jié)提出疑惑。
中國(guó)研究人員也在量子估算方面奮起直追。中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院、清華學(xué)院等院校近些年來(lái)都在量子估算領(lǐng)域取得一些階段性成果。百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業(yè)也陸續(xù)頒布了量子估算研究計(jì)劃。去年9月，百度、本源量子等企業(yè)先后發(fā)布了自己的最新量子估算云平臺(tái)，使普通用戶也能通過(guò)云技術(shù)使用量子估算。
盡管量子計(jì)算機(jī)距離大規(guī)模普及還有很長(zhǎng)的路要走，但相關(guān)前景遼闊。段潤(rùn)堯說(shuō)：“量子估算將極大推動(dòng)當(dāng)前人工智能及其應(yīng)用的發(fā)展，深刻地改變包括基礎(chǔ)教育在內(nèi)的諸多領(lǐng)域。非常是，利用于量子估算技術(shù)，人類對(duì)于微觀世界的認(rèn)識(shí)以及宏觀世界的探求將得到極大擴(kuò)充，因而引起人類思維能力的根本性提高。”
