中國量子科技，只看這一篇就夠了
發表時間：2022-06-29
量子方舟?駛向未來
文?|《瞭望》新聞周刊
記者 徐海濤?魏雨虹?陳諾?周暢
中國成功研制“九章二號”“祖沖之二號”量子計算原型機，美國IBM公司宣布實現“全球最大”的量子計算處理器，日本宣布將撥款145億日元加快研究量子保密通信……近期，量子科技發展突飛猛進，多個國家在這條關乎人類未來的科技賽道上奮勇爭先。 121年前，當馬克斯·普朗克提出“量子”概念時，恐怕再大膽的人也難以想象，這將給世界帶來多大的改變——核能、激光、計算機、手機等都與此相關。 而今，“第二次量子革命”已經啟幕，它將帶給我們一個什么樣的未來？在世界量子科技大潮中，中國處于什么方位？加快實現高水平科技自立自強的中國，將給全球量子科技發展作出哪些新的貢獻？ 人們期待：當對量子微觀世界的認知更加深邃，宏觀世界也將更加美好。挺進第一陣營
“求解特定數學問題，比最快超算快億億億倍！”今年10月，這條來自中國量子科技新突破的消息，在全球科技界引起重大反響。 “這是令人激動的實驗杰作。”量子物理學家、加拿大卡爾加里大學教授巴里·桑德斯說。 國際權威學術期刊《物理評論快報》刊發相關論文，標志著中國研制的“九章二號”“祖沖之二號”量子計算原型機獲得國際學術界認可。我國由此成為全球唯一在光量子和超導兩條技術路線上實現“量子優越性”的國家。“量子優越性”像個門檻，是指當新生的量子計算原型機，在某個問題上的計算能力超過最強的傳統計算機，就證明其未來有多方超越的可能。 多年來，國際學界高度關注、期待這個里程碑式轉折點的到來。 2019年9月，美國谷歌公司推出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，對一個數學算法的計算只需200秒，當時世界最快的超級計算機“頂峰”需2天，美國率先實現了“量子優越性”。 一年之后，中國成功研制76個光子的量子計算原型機“九章”，求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒，當時世界最快的超級計算機要用6億年。這使中國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。 今年10月，“九章二號”求解高斯玻色取樣比目前世界最快的超級計算機快10的24次方倍（億億億倍）；“祖沖之二號”的計算復雜度，比谷歌推出的“懸鈴木”提高100萬倍。我國的“量子優越性”引人注目。 “以前中國的量子通信世界領先，現在可以說，我們的量子計算也進入世界第一方陣。”“九章二號”“祖沖之二號”由中國科學技術大學潘建偉院士團隊牽頭研制，團隊成員、“九章二號”項目負責人陸朝陽說。 量子科技主要分為量子計算、量子通信、量子精密測量三大領域。 近年，隨著“墨子號”量子衛星發射，中國實現量子通信研究的領跑。今年，中國建成全球首個星地量子通信網，創造500公里的現場光纖量子通信世界紀錄，進一步鞏固優勢。 在量子精密測量領域，中國科研水平和技術應用與歐美國家旗鼓相當、各具優勢。近年，我國實現海森堡極限精度的單光子克爾效應測量、200公里單光子三維成像、在室溫水溶液環境中探測到單個DNA分子的磁共振譜等重大成果，并在金剛石NV色心技術路線上研發出量子鉆石單自旋譜儀、量子鉆石原子力顯微鏡等“人無我有”的創新產品。 中國信息通信研究院發布的《量子信息技術發展與應用研究報告（2020年）》統計顯示，從2000年到2019年，全球量子信息三大領域科研論文發文量持續上升，美國科研機構和企業的論文數量超過12000篇，位列各國第一，中國緊隨其后超過9000篇，德國、日本、英國分列第三到第五位。其中在量子通信、量子計算、量子精密測量三個領域，中國的論文發表量分列第一位、第二位、第二位。 “量子三大領域，我們現在全方位都在第一梯隊。原來量子計算相對落后，現在逐漸趕上來了。”中國科學院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦說。 “當前，實現量子信息技術的規模化應用，成為多國競逐的目標。”中國科學院院士潘建偉說，在黨和國家高度重視下，我國量子科技實現了從跟跑、并跑到部分領跑的歷史飛躍。
“科研黃金時代”
在量子理論發軔的1900年，當時的中國積弱已久只能做個看客。百余年后的今天，中國量子科技何以崛起？ 改革開放后國內最早開始量子信息研究的郭光燦，至今還記得1980年到加拿大多倫多大學留學時的發現：國外對量子光學的研究始于20世紀60年代，國內相關研究近乎空白。面對落后20年的差距，他和一群在加拿大、美國留學的中國學生相約，誰先回國誰就組織隊伍，把量子光學這一攤挑起來。 1984年，回國后的郭光燦主持召開全國第一個量子光學學術會議。此后，他開設國內第一門量子光學課程和第一個量子信息實驗室，并于2001年獲得我國首個量子信息技術“973”項目，聚攏起全國十多個科研單位50余名學者組成團隊。 1996年，時年26歲的中科大畢業生潘建偉，遠赴量子力學的誕生地奧地利攻讀博士學位。 在量子物理學大師塞林格教授的科研小組里，潘建偉很快嶄露頭角。1997年，以他為第二作者的論文“實驗量子隱形傳態”，被美國《科學》雜志評為年度全球十大科技進展。 但成為國際一流學者并不是潘建偉夢想的全部。潘建偉回憶說，當導師塞林格問“潘，你的夢想是什么？”時，他答道：“我的夢想是，在中國建一個和這里一樣的世界一流的量子光學實驗室。” 多年之后，潘建偉這樣向記者解釋他內心深處的想法：“近代科學沒能在中國誕生，中國人能不能趕上科學前沿、引領重大創新？” 在潘建偉看來，中國科技工作者都憋著一股勁，希望通過努力證明，不僅在國外可以做得好，在國內也能做出優秀成果。 2016年8月，以中國先賢“墨子”為名，世界首顆量子科學實驗衛星在酒泉衛星發射中心成功升空。以“墨子號”為平臺，中國實現“千里糾纏、星地傳密、隱形傳態”三個國際量子科研重大突破。 此后，量子反常霍爾效應的實驗發現、“九章”、全球首個星地量子通信網、“祖沖之號”“九章二號”“祖沖之二號”……中國量子科技捷報頻傳。 潘建偉把量子研究的突飛猛進歸功于中國的“科研黃金時代”和“集中力量辦大事”的體制優勢。 他以“墨子號”衛星為例說，衛星的每一個部件，都凝聚了中科院上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文臺、紫金山天文臺、國家空間科學中心等各個科研機構的心血。“不同機構紛紛給我們提供所需的基礎元件，讓我們的創新想法有了很好的工程基礎。我在國外的一些同行，也曾有過類似的科學設想，但沒有國家像我國這樣全力支持。”潘建偉說。“第二次量子革命的戰鼓已敲響”
全世界奮力謀求“量子優越性”，在于它是一個變“量”——量子疊加、量子糾纏、量子不可克隆等神奇而迷人的特性，使量子技術具有極大應用前景和廣闊想象空間。 “量子力學是一個神秘的、令人捉摸不透的學科。我們誰都談不上真正理解，只是知道怎樣去運用它。”諾貝爾獎獲得者、美國物理學家穆雷·蓋爾曼曾這樣說。 “量子理論的出現，在上世紀引發第一次量子革命，催生了現代信息技術。”潘建偉介紹，基于量子理論，核能、激光、半導體等科技得以問世，進而發展出計算機、互聯網、手機等重大應用。 進入21世紀，量子領域的新發現、新理論、新技術密集涌現，預示著第二次量子革命已進入起跑期、加速期。《自然》雜志評論認為：“第二次量子革命的戰鼓已敲響！” “第一次量子革命，人們只問量子理論能讓我們做什么，不去問為什么，是被動的觀測與應用。”郭光燦說，第二次量子革命則是主動利用量子特性，開發出量子通信、量子計算和量子精密測量等創新應用。 簡單來說，這些應用的革命性在于——量子計算可以令人類的運算能力實現指數級增長，量子通信可以在理論上做到通信的絕對保密，量子精密測量可以將探測精度從微米級提升至“原子級”。 當然，量子科技轉化為現實生產力的時間表各有不同。 中科大教授、“祖沖之二號”項目具體負責人朱曉波說：“國際量子學界主流觀點認為，研制出有實用價值的容錯型通用量子計算機，大約還需要10年到15年。” 據了解，量子計算包括超導、光量子、離子阱、半導體、拓撲等多條技術路線，目前谷歌、IBM、英特爾、微軟、亞馬遜、霍尼韋爾等國際科技企業紛紛搶灘，國內的中國科學技術大學、浙江大學、清華大學、南方科技大學等高校以及騰訊、華為、阿里巴巴等企業也已布局研發。 業界普遍認為，量子計算機的發展將經歷三個階段： 第一階段，研制50個到100個量子比特的專用量子計算機，實現“量子優越性”里程碑式突破。 第二階段，研制可操縱數百個量子比特的量子模擬機，解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題。比如量子化學、新材料設計、優化算法等。 第三階段，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數量和容錯能力，研制可編程的通用量子計算機。 “包括‘九章二號’和‘祖沖之二號’，世界上目前所有的量子計算機研究都還在第一階段。”朱曉波說，學界樂觀的觀點認為，5年左右會有局部應用落地。 對于第三階段的可編程的通用量子計算機，學者們預測，其可用于密碼破譯、氣象預報、金融分析、藥物研發、礦產勘探等多個方面。影響更為深遠的是，量子計算機的強大算力將有助于人類認識物理、化學等領域重大基礎科學問題，并與人工智能等科技產生“乘法效應”，加速產生“裂變反應”。 騰訊量子實驗室負責人張勝譽告訴記者，他們近期在量子比特的初始化、量子編譯和體系結構、大圖算法設計等方面取得進展，并在藥物研發、材料仿真等產業應用方面積極探索。 在量子通信領域，全球正處在網絡建設和應用探索齊頭并進的階段。 高約1米、重不足百公斤，深邃的鏡頭仰望天空……這是近期由科大國盾量子技術股份有限公司推出的全球首款小型化可移動量子衛星地面站。 “這種地面站重量輕、可移動，12小時內能安裝好，邊疆、海島等偏遠地區用它與‘墨子號’衛星對接，可以便捷地使用量子保密通信。”科大國盾公司量子項目總監周雷介紹，他們的另一款新應用是商用量子密鑰分發器，每秒可產生上千個密鑰，目標是讓“光纖可達”的地方都能用上量子通信。 據悉，目前國際量子通信的研發方向聚焦于通信距離、核心部件、小型化、新協議等方面，在政務、能源、金融等領域的新應用不斷出現，行業標準、測評規范等逐步完善。中國處于全球科研、應用前列，在國際電信聯盟和國際標準化組織牽頭編制量子通信標準。 與量子計算、量子通信相比，量子精密測量顯得更為神秘，但業界普遍認為，量子精密測量將是量子科技中最早實現應用和產業化的領域。 “量子測量的精度可以達到原子量級。”國儀量子（合肥）技術有限公司（下稱國儀量子）是國內最早成立的以量子精密測量技術為核心的創新企業，該公司副總裁張偉介紹，傳統測量技術最小只能探測到微米量級，量子技術可以精細千倍、萬倍到納米、亞納米量級，為精密儀器行業帶來革命性的技術進步。比如將量子精密測量用于生命科學領域，可精確分析血液中極微量物質含量。 “量子精密測量現在開始走向各行各業、萬家燈火。”國儀量子董事長賀羽說，量子精密測量在石油勘探、生命科學、先進材料及能源電力等領域已實現示范應用。 未來，量子精密測量將可能應用于超導材料表面特性及結構表征、醫療領域的心腦磁測量、臨床前研究的微量物質組分分析、生命科學的腫瘤細胞成像以及導航的地磁場測量等多個領域，為儀器行業帶來變革式機遇。技術、產業和人才三大挑戰
“第二次量子革命”為世界各國開辟出一條新的科技賽道。 今年1月，法國宣布啟動量子技術國家戰略，計劃5年投資18億歐元，使法國躋身量子領域“世界前三”。 5月，德國宣布撥款近20億歐元，使德國在量子競賽中“跟上步伐”。 11月中旬，澳大利亞宣布投資1億澳元推動量子研究商業化。 同月底，日本宣布撥款145億日元，將強化量子保密通信研究，助力經濟和軍事安全。 在全球你追我趕的量子發展態勢下，業內人士認為，我國當前至少面臨技術、產業和人才三大挑戰。 先看技術挑戰。作為探究微觀世界的科學，量子科技研究難度極大。中科院院士王建宇比喻說，實現量子衛星“天地實驗”，“相當于人在萬米高空，把硬幣扔進地面的一個儲錢罐”。 在中科院量子信息重點實驗室副主任郭國平看來，研制量子計算機，就像“用原子壘起一座金字塔”。 “量子計算對環境的要求特別高。不僅要超低溫，還要‘超潔凈’。極其微弱的噪聲、光線、磁場和微小顆粒都會擾亂信號，整個系統非常復雜、困難。”合肥本源量子計算科技有限責任公司輪值董事長孔偉成說。 朱曉波說，當前研制量子計算機的一大技術挑戰是提高操縱量子比特的精度，提高運算正確率。“例如即便單次門運算精度達到99%，70次運算下來，正確率就下降到50%以下。” 再看產業挑戰。多位專家表示，當前量子科技的發展正處于從科研到應用的過渡階段，要加快推進到產業化階段，需要形成“科研機構+企業+用戶”的產業生態。 科大國盾量子技術股份有限公司總裁應勇說，在量子通信領域，行業最大的困難是使用規模不大，相對于研發，在產品推廣上會有滯后期。同時，量子通信需要用戶使用習慣的切換，且改造信息系統的成本代價和工作量非常大，影響了量子通信技術的應用。 “科研機構研發的量子科技產品，需要更多的企業和用戶試用。只有在應用中發現問題、創造應用場景并及時反饋給研發端，產業才能迭代發展。”郭光燦說。 最后，人才供應不足被認為是制約量子科技發展的重要因素。 IBM負責量子戰略和生態的副總裁羅伯特·蘇托爾曾表示，目前全球量子人才普遍短缺，企業需要與高校更緊密合作，從高等教育階段開始培養相關人才。比如量子計算方面，急需物理方面人才進行相關硬件研發，同時也需要數學和計算機領域人才。 “我們目前最大的困難是缺人才！”賀羽說，不僅量子理論人才，還需要儀器工程師、光學工程師、微波工程師、算法工程師等。“蹭概念”“過度拔高”和“學術質疑”
挑戰之余，量子科技日益擴大的影響力，也引來一些“蹭概念”型產品，以及不專業的“學術質疑”與博眼球的夸大解讀。 “量子能量波與人體生物電和諧共振，深層滋養細嫩肌膚”“利用量子糾纏原理讓莊稼多吸肥，害蟲不能產卵”“量子的波粒二象性就是陰和陽，科學地解釋了風水”……記者發現，近一年來，國內冒出2000多家各類“量子企業”，將量子力學原理與化妝品、農業、食品、服裝、汽車等傳統產業“嫁接”。 專家認為，這些企業并非量子科技的產業化，而是蹭熱點的“偽創新”。“量子科技到現在，還沒有讓老百姓可以用的產品，短時間內也做不到，不可能很快就達到能進入千家萬戶的水平。”郭光燦說。 專家表示，辨識一件商品到底有沒有用到量子科技，要看它有沒有用到量子的相干性、疊加性等特性，如果沒有用到就是在“蹭概念”。更直白來說，現階段量子科技還沒有應用到大眾生活。 與此同時，量子科技在輿論場上也呈現“冰火兩重天”的兩極評價，既有“量子計算機即將淘汰電子計算機”“量子通信超光速，愛因斯坦都驚訝”這樣的過度拔高，也有“量子計算欺世盜名”“量子通信是沒用的騙局”這樣的徹底否定，給公眾帶來困惑和思想上的混亂。 “為了避免被過度解讀，我們發布信息時已采取更中性表述。比如用‘量子優越性’替代‘量子霸權’，用‘量子計算原型機’的稱呼強調還處于實驗研究階段，離實用有很大距離。”潘建偉院士團隊一位學者告訴記者，但在信息傳播中，依然被一些媒體和個人公眾號“添油加醋”。 “量子計算機一定是未來的重要方向，但它是用來解決電子計算機難以解決的特定問題，并不是在所有問題上都能起到加速作用，它和電子計算機是互補而不是替代關系。”清華大學姚期智講座教授段路明等多位專家表示，量子科技需要客觀理性的認知。 “量子科技就像是一個嬰兒，未來有無限可能，但現在還不夠強壯，更不能‘包治百病’。”賀羽說。 “甄別對量子科技的質疑，最基本的判據，就是看它有沒有在同行審稿的科學期刊上發表論文。”中科院科學傳播研究中心副主任袁嵐峰說，我國量子科技專家有許多論文發表在國際頂級期刊上，而反對量子科技的文章全都是網絡文章，沒有一篇在學術期刊發表，原因就是這些文章在科學上存在錯誤，審稿通不過。 多位學者分析，近年國內質疑量子的聲音越來越多，原因之一是量子理論深奧難懂，量子糾纏、量子疊加等特性又相悖于日常體驗，容易讓人懷疑。從更深層次來講，量子科技暫時還未發展到大眾應用階段，出現質疑可以理解為一種關心、急切和擔憂情緒。未來不可限“量”
量子時代已經撲面而來。加快發展量子科技亟需形成合力、協同攻關。 “在‘第二次量子革命’中引領風潮，不能做‘游擊隊’，一定要組織‘集團軍’。”郭光燦說，量子計算機產業涉及硬件、軟件、標準、工程技術、用戶習慣等方方面面，需要政府支持、科研機構、企業合作乃至社會大眾的關注。 據了解，當前的新動向是，一些國家正在組建跨國技術聯盟，合力推進量子科技發展。今年6月召開的G7峰會上，美國、英國、日本、加拿大、意大利等7國宣布聯合開發一個基于衛星的量子加密網絡——“聯邦量子系統”（FQS），將統籌資源和資金促進共同研究，計劃于2023年發射第一顆FQS衛星。 同時國際上也已形成多個量子科技產業聯盟，比如IBM的“QNetwork”已有來自高校、實驗室及航空、汽車、銀行和金融等多個行業的100多個成員，共同推進量子計算的發展和應用。 “量子科技從實驗室到市場應用場景，需要大量企業配合。目前國內的本源量子等企業也組建了產業聯盟，我們希望能進一步發展壯大。”郭國平說。 應勇認為，國內應加快形成“量子+”產業生態。“比如在量子通信行業，網越密、價值越大，帶動更多的應用開發和用戶群體”。 據了解，近年國內合肥、濟南、武漢等城市初步建成量子通信網，近期由合肥市政府、中國電信公司和國盾量子等合作的新一代“合肥量子城域網”已啟動建設，包含8個核心網站點和159個接入網站點，網絡光纖全長1067公里，將接入政務、金融、醫療等多個行業。 作為重大顛覆性創新，量子科技發展的關鍵是人才。 美國相關政府機構倡議將量子信息科學課程加入從幼兒園到高中的教育體系，哈佛大學新增量子科學與工程學位。在中國，今年中科大獲批新設立量子信息科學本科專業和量子科學與技術博士學位點。 多位學者建議支持鼓勵更多高校開設量子科技專業，培養更多的物理、數學、信息、儀器、材料等學科交叉的量子人才。段路明介紹，目前清華大學設立了量子信息本科生班，用交叉學科培養方式，讓學生形成從基礎到應用的知識架構。“中國量子科技的發展非常快，應該進一步擴大培養規模，為科研和企業提供足夠多的人才”。 中國信息通信研究院預測，未來5年左右，量子計算將可能出現基于含噪聲中等規模量子處理器，結合云平臺探索具備實用化價值的應用算例；量子通信將聚焦量子信息網絡關鍵技術和使能組件進行攻關，開展組網原型實驗并逐步推動構建標準體系，持續探索量子保密通信商用化場景；量子精密測量將有望在新一代定位、導航和授時系統，微弱磁場和重力場測量系統、高靈敏度成像系統等領域率先突破應用。 在量子科技高速演進的同時也要看到，其發展與應用前景仍存在長期性和不確定性。中國信息通信研究院技術與標準研究所賴俊森博士介紹，以量子計算為例，可糾錯邏輯量子比特的門檻尚未跨越，大規模通用量子計算仍是遠期目標，量子計算系統架構和軟件體系仍處于初步探索階段，對工作環境的要求仍十分嚴苛，超導、光量子、離子阱、半導體、拓撲等多種技術路線并行發展，將來哪條路線將“勝出”仍未可知。 “量子科技前程遠大但絕非坦途，必須具備研制‘兩彈一星’一樣的科學家精神。”郭光燦等多位專家強調，不畏艱難險阻才能登上新的“量子高峰”，搶占制高點、構筑新優勢。 朱曉波說，量子科技是事關人類未來的關鍵核心技術領域，希望能有更多兼具智慧和勇氣的年輕人進來。“勇闖科研無人區和產業無人區，扎扎實實做上10到15年，一定會有更重要的成果不斷涌現。”他說。本文刊于：《瞭望》2021年第51期
