系列報導之①
去年五一檔的大熱影片《流浪月球2》不僅承載了人們對于未來社會的向往與幻想，更為重要的是，它顯露了當下科學技術發展的現實進程。其中，貫串全片的智能量子計算機MOSS深受矚目。憑著強悍的算力和自我意識，它還能融合調度多種復雜的估算資源，讓數萬座行星底盤協同運作，以滿足“數字生命”計劃的須要。這樣的量子計算機，真的只存在于懸疑連續劇中嗎？
事實上，隨著量子技術的發展，量子估算正逐漸走出實驗室，逐漸應用到網路信息安全、大數據和人工智能、化學生物藥業、金融工程、智能制造等領域，將在國防建設和國民經濟發展中發揮巨大作用。在阿姆斯特丹學院攻讀量子信息學博士研究生的陳然在接受南都記者專訪時表示，“一旦我們對量子比特的制備和控制達到一定精度，它能夠形成遠小于現有計算機的估算能力。”
這是一門在大部份人看來非常具象、難以理解的學科。陳然直言，“量子技術研究有太多反直覺、反常識的東西。我在理解量子的過程中，也犯了好多錯誤。學習量子技術是一個不斷推翻自己的過程量子通訊設備，須要多思索。”未來，量子技術的快速發展，將會帶來更多的應用機遇，陳然希望，假以時日，自己參與的量子技術研究，才能真正地派上用場，在社會上發揮它的價值。
百度自研的乾始超導量子計算機內部視圖，受訪者提供。
量子熱學最難的是理解公式背后的數學含意
量子技術是量子化學與信息技術相結合發展上去的新學科，包括量子通訊和量子估算、量子傳感器等領域。量子通訊主要研究量子密碼、量子隱型傳態、遠距離量子通訊的技術等等；量子估算主要研究量子計算機和適宜于量子計算機的量子算法。
陳然與量子技術的初次接觸，來自他的專科專業密碼學。假如說，傳統的密碼系統是基于物理的數字的組合，量子密碼技術就是基于數學學的光子和量子熱學的研究原理產生的一種密碼技術，其不確定性和無規律性，讓量子密碼比傳統密碼更難被破譯。
研究者習慣用這樣一個反例來描述量子技術在密碼學中起到的作用：傳統意義上，兩個人共享一把秘鑰，為相互之間的通訊加密，但這永遠沒法防范有第三方中間人監聽信息的風險。而量子熱學的不可克隆性（未能在不破壞原有信息的基礎上復制信息）能保證通訊安全性——使通訊的雙方才能形成并分享一個隨機的、安全的秘鑰，拿來加密和揭秘消息。一旦有第三方中間人企圖對秘鑰做分發監聽，通訊的雙方便會察覺，導致高誤分辨率，進而使監聽被發覺。
“這也是我當時接觸量子密碼學時看到的第一個案例，當時我就感覺十分神奇。”這令陳然形成興趣：“量子技術可以提供更強的算力以及更安全的加密算法，實現原先無論怎樣做不到的事情。很想了解背后是哪些機理。”
對于這樣一門在大部份人看來非常具象、難以理解的學科，陳然在學習期間遇見過最大的挑戰，是怎樣去理解物理公式背后的數學模型和含意。“有關量子估算或則量子信息的這一套理論，描述量子熱學的規律，每一條都可以用物理公式十分優美地寫下來，但它的物理解釋，或則說公式背后的化學意義，在理解過程中容易犯好多錯。”于是，在校期間，他通過與朋友、老師交流研討，參與各類講堂、論壇，來糾正之前錯誤的認知，對量子科學的理解也得以進一步推進。
為了讓理論學習和實際項目就能更好結合，2020年，陳然加入百度量子估算研究所，在深入學習“量子糾纏”“量子疊加態”原理的同時，有機會參與到一些具體項目中，通過量槳、量易伏做一些小規模的實驗展示量子算法的優越性。
“實習和我在中學做研究一個最大的不同，就是可以用到真正的量子計算機。”陳然說，由于在中學更多時侯只能逗留在理論研究，不用考慮量子計算機具體是如何運行的，可以假定它就是一個完美的機器。但實際使用時，它會出現各類問題，須要校正、需要調試。“量子計算機十分脆弱，它的噪音十分大。有時侯給它一些很復雜的估算任務，它也會錯得十分離譜。所以我們就是要特別當心，在用的過程中須要不斷改善自己的算法。”
盡管陳然早已領到心儀的博士投檔通知書奔赴法國繼續攻讀量子信息的博士學位，但通過百度研制的量易伏手機端APP，陳然和廣大用戶不管身處何地，都還能通過手機遠程聯接上百度自研的“乾始”超導量子計算機和合作單位提供的其它類型量子計算機，實現隨時隨地調用量子算力，讓“人人皆可量子”這一目標成為一件觸手可及的事。
量子技術令手機驗證碼生成“真隨機數”
量子估算是一種遵守量子熱學規律調控量子信息單元進行估算的新型估算模式，這些原理促使量子信息單元的狀態可以處于多種可能性的疊加狀態。量子計算機最基本的信息單元是量子比特。隨著量子比特數量的降低，對于n個量子比特而言，量子信息可以處于2^n種可能狀態的疊加，配合量子熱學演變的并行性，可以凸顯比傳統計算機更快的處理速率。
我們每晚每時每刻都可能在和量子接觸。就拿大眾最熟悉的手機驗證、圖像處理等來說，每每我們注冊登入網站核對身分信息，輸入手機驗證碼（隨機數）都是繞不過的一步。隨機數已成為信息時代的一種重要基礎資源。通常來說，數字的隨機性保證了合同的安全性。但有多少人曉得，我們如今口中的“隨機數”，實際上并非真隨機？
“現在所有的隨機數都是算法生成的。”陳然說，“實際上，隨機數都是由算法來生成的，數字之間并非完全無關。從理論上來說，當你找到了隨機數生成的規律，你就可以預測之后出現的隨機數。”換句話說，隨機數也存在被破解的可能。但借助量子化學原理，卻可以形成具有內稟隨機性的真隨機數，幾次出現隨機數的結果，相互之間完全獨立，沒有任何關系，也找不到方式預測或破解。
這就意味著，借助量子力學特點的生成隨機數，合同的安全性會得到進一步的提升。這也為科學仿真、密碼學等領域提供了極大的推動。基于這一原理所發明的量子隨機數發生器因具有不可預測性、不可重復性和無偏性等特點，成為量子通訊系統中的關鍵核心元件。
圖象辨識也是量子技術最緊貼實際生活的應用前景，具體場景包括人臉辨識、自動駕駛辨識路障、醫學圖象處理（CT判定癥狀）、AI作圖等。再者還有量子模擬，也就是用量子計算機去模擬一個分子、原子，因而得悉分子、原子的一些例如能量、化學勢等性質。“將量子技術應用于這種場景，早已被理論驗證是可行的。”陳然說。
“在應對海量的數據處理與剖析需求時量子通訊設備，傳統的圖象辨識技術經常會遇見性能方面的問題，假如要辨識內容好多、圖片很大，要專業芯片處理，都會消耗掉好多估算資源。”陳然解釋，“因為量子比特跟精典比特不同，可以處于0和1的疊加態，包含更多的信息，也具有更強悍、更高效的信息處理能力。如今實現高精度的圖象辨識須要大量的估算資源，并且用極少的量子比特就可以達到同樣的精度。”
量子技術快速發展，將會帶來更多的應用機遇
在陳然看來，雖然量子技術是一門產生已久的學科，但早年間仍然處于“坐冷板凳”的階段，“大家不理解這個概念，也不曉得它有哪些用，直至2011年前后量子通訊技術取得了突破，量子的概念才火上去。2016年8月16日，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在西昌衛星發射中心發射，第一次真正把量子科學帶到了大眾的面前。”
2022年，有關量子糾纏理論的研究榮獲了諾貝爾化學學獎，令這門前沿技術得到前所未有的話題討論熱度。在博士求學期間主要研究量子糾纏的陳然，這樣理解他眼中的“量子糾纏”：“其實就是很強烈的一種關聯，可以理解為趕超了時間和空間，不管兩個人分隔多么遠，都可以讓兩束光發生量子糾纏，而且保持這些狀態——如果我對我手上的光子作出一個操作改變，這么不管兩個人距離多遠，我都可以立即曉得對方手上的光子將會發生何種變化。”
當前，受限于硬件水平，學界對于量子的研究更多逗留在實驗室階段。陳然直言，“現在量子比特的制造工藝還很不成熟，十幾個量子比特的造價也遠低于千萬個精典比特。所以我們的工作更像是展示了量子估算的潛力：一旦我們對量子比特的制備和控制達到一定精度，他還能形成遠小于現有計算機的估算能力。”
量子技術被視為三大最重要的前沿數字技術之一，已成為各國爭相投入布局的重要領域和競爭焦點。在我國，量子通訊、量子計算機等多次被納入頂樓綱要規劃中。諸如《“十四五”數字經濟發展規劃》明確：重點布局下一代聯通通訊技術、量子信息等新型技術，促進信息、生物、材料、能源等領域技術融合和群體性突破。2022年12月的中央經濟工作大會強調，推動新能源、人工智能、生物制造、綠色低碳、量子估算等前沿技術研制和應用推廣。
百度量子技術創新發展背后是高質量專利的多年積累和強力支撐。目前，百度量子相關國外專利申請的公開量早已超過170件，囊括量子算法與應用、量子通訊與網路、量子加密與安全、量子構架與軟件、量子芯片與硬件、量子測控與糾錯等多個方向核心專利。
依托于百度人工智能（AI）生態和高質量量子專利布局，百度已組建上海人工智能產業知識產權營運中心量子估算中心，聚焦量子產業，以自主知識產權服務量子產業創新，促使量子領域專利技術產業化落地，推動量子產業上下游協調發展和融合創新，加速實現“量子產業化、產業量子化”。
百度自研的乾始超導量子計算機內部視圖，受訪者提供。
有業內人士強調，就量子技術從理論到現實的進展而言，近些年來實用量子元件和技術的發展取得了重大進展。量子技術借助量子的奇特現象來創造新的技術和設備，在許多領域具有廣泛的應用前景，在估算、通信、傳感、模擬等領域都有望形成重大影響。雖然要充分實現量子技術的潛力還有好多工作要做，好多工程或則技術上的困難須要克服，但已有一些量子設備和技術可以商業化或接近商業化，成為應用的關鍵曙光。
陳然覺得，“未來1~2年，量子技術快速發展，將會帶來更多的應用機遇，也會催生更多這一領域新興的創業公司。可能等我結業的時侯，如今看來還難以落地的場景早已才能落地了。”他希望，假以時日，自己參與的量子技術研究，才能真正地派上用場，在社會上發揮它的價值，“我也很期待見證量子技術在指導、解決具體實際問題時，能有多好用。”
采寫：南都記者傅曉羚