中国量子科技，只看这一篇就够了
发表时间：2022-06-29
量子方舟 驶向未来
文 |《瞭望》新闻周刊
记者 徐海涛 魏雨虹 陈诺 周畅
中国成功研制“九章二号”“祖冲之二号”量子计算原型机，美国IBM公司宣布实现“全球最大”的量子计算处理器，日本宣布将拨款145亿日元加快研究量子保密通信……近期，量子科技发展突飞猛进，多个国家在这条关乎人类未来的科技赛道上奋勇争先。 121年前，当马克斯·普朗克提出“量子”概念时，恐怕再大胆的人也难以想象，这将给世界带来多大的改变——核能、激光、计算机、手机等都与此相关。 而今，“第二次量子革命”已经启幕，它将带给我们一个什么样的未来？在世界量子科技大潮中，中国处于什么方位？加快实现高水平科技自立自强的中国，将给全球量子科技发展作出哪些新的贡献？ 人们期待：当对量子微观世界的认知更加深邃，宏观世界也将更加美好。挺进第一阵营
“求解特定数学问题，比最快超算快亿亿亿倍！”今年10月，这条来自中国量子科技新突破的消息，在全球科技界引起重大反响。 “这是令人激动的实验杰作。”量子物理学家、加拿大卡尔加里大学教授巴里·桑德斯说。 国际权威学术期刊《物理评论快报》刊发相关论文，标志着中国研制的“九章二号”“祖冲之二号”量子计算原型机获得国际学术界认可。我国由此成为全球唯一在光量子和超导两条技术路线上实现“量子优越性”的国家。“量子优越性”像个门槛，是指当新生的量子计算原型机，在某个问题上的计算能力超过最强的传统计算机，就证明其未来有多方超越的可能。 多年来，国际学界高度关注、期待这个里程碑式转折点的到来。 2019年9月，美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算只需200秒，当时世界最快的超级计算机“顶峰”需2天，美国率先实现了“量子优越性”。 一年之后，中国成功研制76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，当时世界最快的超级计算机要用6亿年。这使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。 今年10月，“九章二号”求解高斯玻色取样比目前世界最快的超级计算机快10的24次方倍（亿亿亿倍）；“祖冲之二号”的计算复杂度，比谷歌推出的“悬铃木”提高100万倍。我国的“量子优越性”引人注目。 “以前中国的量子通信世界领先，现在可以说，我们的量子计算也进入世界第一方阵。”“九章二号”“祖冲之二号”由中国科学技术大学潘建伟院士团队牵头研制，团队成员、“九章二号”项目负责人陆朝阳说。 量子科技主要分为量子计算、量子通信、量子精密测量三大领域。 近年，随着“墨子号”量子卫星发射，中国实现量子通信研究的领跑。今年，中国建成全球首个星地量子通信网，创造500公里的现场光纤量子通信世界纪录，进一步巩固优势。 在量子精密测量领域，中国科研水平和技术应用与欧美国家旗鼓相当、各具优势。近年，我国实现海森堡极限精度的单光子克尔效应测量、200公里单光子三维成像、在室温水溶液环境中探测到单个DNA分子的磁共振谱等重大成果，并在金刚石NV色心技术路线上研发出量子钻石单自旋谱仪、量子钻石原子力显微镜等“人无我有”的创新产品。 中国信息通信研究院发布的《量子信息技术发展与应用研究报告（2020年）》统计显示，从2000年到2019年，全球量子信息三大领域科研论文发文量持续上升，美国科研机构和企业的论文数量超过12000篇，位列各国第一，中国紧随其后超过9000篇，德国、日本、英国分列第三到第五位。其中在量子通信、量子计算、量子精密测量三个领域，中国的论文发表量分列第一位、第二位、第二位。 “量子三大领域，我们现在全方位都在第一梯队。原来量子计算相对落后，现在逐渐赶上来了。”中国科学院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿说。 “当前，实现量子信息技术的规模化应用，成为多国竞逐的目标。”中国科学院院士潘建伟说，在党和国家高度重视下，我国量子科技实现了从跟跑、并跑到部分领跑的历史飞跃。
“科研黄金时代”
在量子理论发轫的1900年，当时的中国积弱已久只能做个看客。百余年后的今天，中国量子科技何以崛起？ 改革开放后国内最早开始量子信息研究的郭光灿，至今还记得1980年到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，国内相关研究近乎空白。面对落后20年的差距，他和一群在加拿大、美国留学的中国学生相约，谁先回国谁就组织队伍，把量子光学这一摊挑起来。 1984年，回国后的郭光灿主持召开全国第一个量子光学学术会议。此后，他开设国内第一门量子光学课程和第一个量子信息实验室，并于2001年获得我国首个量子信息技术“973”项目，聚拢起全国十多个科研单位50余名学者组成团队。 1996年，时年26岁的中科大毕业生潘建伟，远赴量子力学的诞生地奥地利攻读博士学位。 在量子物理学大师塞林格教授的科研小组里，潘建伟很快崭露头角。1997年，以他为第二作者的论文“实验量子隐形传态”，被美国《科学》杂志评为年度全球十大科技进展。 但成为国际一流学者并不是潘建伟梦想的全部。潘建伟回忆说，当导师塞林格问“潘，你的梦想是什么？”时，他答道：“我的梦想是，在中国建一个和这里一样的世界一流的量子光学实验室。” 多年之后，潘建伟这样向记者解释他内心深处的想法：“近代科学没能在中国诞生，中国人能不能赶上科学前沿、引领重大创新？” 在潘建伟看来，中国科技工作者都憋着一股劲，希望通过努力证明，不仅在国外可以做得好，在国内也能做出优秀成果。 2016年8月，以中国先贤“墨子”为名，世界首颗量子科学实验卫星在酒泉卫星发射中心成功升空。以“墨子号”为平台，中国实现“千里纠缠、星地传密、隐形传态”三个国际量子科研重大突破。 此后，量子反常霍尔效应的实验发现、“九章”、全球首个星地量子通信网、“祖冲之号”“九章二号”“祖冲之二号”……中国量子科技捷报频传。 潘建伟把量子研究的突飞猛进归功于中国的“科研黄金时代”和“集中力量办大事”的体制优势。 他以“墨子号”卫星为例说，卫星的每一个部件，都凝聚了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、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等各个科研机构的心血。“不同机构纷纷给我们提供所需的基础元件，让我们的创新想法有了很好的工程基础。我在国外的一些同行，也曾有过类似的科学设想，但没有国家像我国这样全力支持。”潘建伟说。“第二次量子革命的战鼓已敲响”
全世界奋力谋求“量子优越性”，在于它是一个变“量”——量子叠加、量子纠缠、量子不可克隆等神奇而迷人的特性，使量子技术具有极大应用前景和广阔想象空间。 “量子力学是一个神秘的、令人捉摸不透的学科。我们谁都谈不上真正理解，只是知道怎样去运用它。”诺贝尔奖获得者、美国物理学家穆雷·盖尔曼曾这样说。 “量子理论的出现，在上世纪引发第一次量子革命，催生了现代信息技术。”潘建伟介绍，基于量子理论，核能、激光、半导体等科技得以问世，进而发展出计算机、互联网、手机等重大应用。 进入21世纪，量子领域的新发现、新理论、新技术密集涌现，预示着第二次量子革命已进入起跑期、加速期。《自然》杂志评论认为：“第二次量子革命的战鼓已敲响！” “第一次量子革命，人们只问量子理论能让我们做什么，不去问为什么，是被动的观测与应用。”郭光灿说，第二次量子革命则是主动利用量子特性，开发出量子通信、量子计算和量子精密测量等创新应用。 简单来说，这些应用的革命性在于——量子计算可以令人类的运算能力实现指数级增长，量子通信可以在理论上做到通信的绝对保密，量子精密测量可以将探测精度从微米级提升至“原子级”。 当然，量子科技转化为现实生产力的时间表各有不同。 中科大教授、“祖冲之二号”项目具体负责人朱晓波说：“国际量子学界主流观点认为，研制出有实用价值的容错型通用量子计算机，大约还需要10年到15年。” 据了解，量子计算包括超导、光量子、离子阱、半导体、拓扑等多条技术路线，目前谷歌、IBM、英特尔、微软、亚马逊、霍尼韦尔等国际科技企业纷纷抢滩，国内的中国科学技术大学、浙江大学、清华大学、南方科技大学等高校以及腾讯、华为、阿里巴巴等企业也已布局研发。 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，研制50个到100个量子比特的专用量子计算机，实现“量子优越性”里程碑式突破。 第二阶段，研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机，解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题。比如量子化学、新材料设计、优化算法等。 第三阶段，大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力，研制可编程的通用量子计算机。 “包括‘九章二号’和‘祖冲之二号’，世界上目前所有的量子计算机研究都还在第一阶段。”朱晓波说，学界乐观的观点认为，5年左右会有局部应用落地。 对于第三阶段的可编程的通用量子计算机，学者们预测，其可用于密码破译、气象预报、金融分析、药物研发、矿产勘探等多个方面。影响更为深远的是，量子计算机的强大算力将有助于人类认识物理、化学等领域重大基础科学问题，并与人工智能等科技产生“乘法效应”，加速产生“裂变反应”。 腾讯量子实验室负责人张胜誉告诉记者，他们近期在量子比特的初始化、量子编译和体系结构、大图算法设计等方面取得进展，并在药物研发、材料仿真等产业应用方面积极探索。 在量子通信领域，全球正处在网络建设和应用探索齐头并进的阶段。 高约1米、重不足百公斤，深邃的镜头仰望天空……这是近期由科大国盾量子技术股份有限公司推出的全球首款小型化可移动量子卫星地面站。 “这种地面站重量轻、可移动，12小时内能安装好，边疆、海岛等偏远地区用它与‘墨子号’卫星对接，可以便捷地使用量子保密通信。”科大国盾公司量子项目总监周雷介绍，他们的另一款新应用是商用量子密钥分发器，每秒可产生上千个密钥，目标是让“光纤可达”的地方都能用上量子通信。 据悉，目前国际量子通信的研发方向聚焦于通信距离、核心部件、小型化、新协议等方面，在政务、能源、金融等领域的新应用不断出现，行业标准、测评规范等逐步完善。中国处于全球科研、应用前列，在国际电信联盟和国际标准化组织牵头编制量子通信标准。 与量子计算、量子通信相比，量子精密测量显得更为神秘，但业界普遍认为，量子精密测量将是量子科技中最早实现应用和产业化的领域。 “量子测量的精度可以达到原子量级。”国仪量子（合肥）技术有限公司（下称国仪量子）是国内最早成立的以量子精密测量技术为核心的创新企业，该公司副总裁张伟介绍，传统测量技术最小只能探测到微米量级，量子技术可以精细千倍、万倍到纳米、亚纳米量级，为精密仪器行业带来革命性的技术进步。比如将量子精密测量用于生命科学领域，可精确分析血液中极微量物质含量。 “量子精密测量现在开始走向各行各业、万家灯火。”国仪量子董事长贺羽说，量子精密测量在石油勘探、生命科学、先进材料及能源电力等领域已实现示范应用。 未来，量子精密测量将可能应用于超导材料表面特性及结构表征、医疗领域的心脑磁测量、临床前研究的微量物质组分分析、生命科学的肿瘤细胞成像以及导航的地磁场测量等多个领域，为仪器行业带来变革式机遇。技术、产业和人才三大挑战
“第二次量子革命”为世界各国开辟出一条新的科技赛道。 今年1月，法国宣布启动量子技术国家战略，计划5年投资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，使德国在量子竞赛中“跟上步伐”。 11月中旬，澳大利亚宣布投资1亿澳元推动量子研究商业化。 同月底，日本宣布拨款145亿日元，将强化量子保密通信研究，助力经济和军事安全。 在全球你追我赶的量子发展态势下，业内人士认为，我国当前至少面临技术、产业和人才三大挑战。 先看技术挑战。作为探究微观世界的科学，量子科技研究难度极大。中科院院士王建宇比喻说，实现量子卫星“天地实验”，“相当于人在万米高空，把硬币扔进地面的一个储钱罐”。 在中科院量子信息重点实验室副主任郭国平看来，研制量子计算机，就像“用原子垒起一座金字塔”。 “量子计算对环境的要求特别高。不仅要超低温，还要‘超洁净’。极其微弱的噪声、光线、磁场和微小颗粒都会扰乱信号，整个系统非常复杂、困难。”合肥本源量子计算科技有限责任公司轮值董事长孔伟成说。 朱晓波说，当前研制量子计算机的一大技术挑战是提高操纵量子比特的精度，提高运算正确率。“例如即便单次门运算精度达到99%，70次运算下来，正确率就下降到50%以下。” 再看产业挑战。多位专家表示，当前量子科技的发展正处于从科研到应用的过渡阶段，要加快推进到产业化阶段，需要形成“科研机构+企业+用户”的产业生态。 科大国盾量子技术股份有限公司总裁应勇说，在量子通信领域，行业最大的困难是使用规模不大，相对于研发，在产品推广上会有滞后期。同时，量子通信需要用户使用习惯的切换，且改造信息系统的成本代价和工作量非常大，影响了量子通信技术的应用。 “科研机构研发的量子科技产品，需要更多的企业和用户试用。只有在应用中发现问题、创造应用场景并及时反馈给研发端，产业才能迭代发展。”郭光灿说。 最后，人才供应不足被认为是制约量子科技发展的重要因素。 IBM负责量子战略和生态的副总裁罗伯特·苏托尔曾表示，目前全球量子人才普遍短缺，企业需要与高校更紧密合作，从高等教育阶段开始培养相关人才。比如量子计算方面，急需物理方面人才进行相关硬件研发，同时也需要数学和计算机领域人才。 “我们目前最大的困难是缺人才！”贺羽说，不仅量子理论人才，还需要仪器工程师、光学工程师、微波工程师、算法工程师等。“蹭概念”“过度拔高”和“学术质疑”
挑战之余，量子科技日益扩大的影响力，也引来一些“蹭概念”型产品，以及不专业的“学术质疑”与博眼球的夸大解读。 “量子能量波与人体生物电和谐共振，深层滋养细嫩肌肤”“利用量子纠缠原理让庄稼多吸肥，害虫不能产卵”“量子的波粒二象性就是阴和阳，科学地解释了风水”……记者发现，近一年来，国内冒出2000多家各类“量子企业”，将量子力学原理与化妆品、农业、食品、服装、汽车等传统产业“嫁接”。 专家认为，这些企业并非量子科技的产业化，而是蹭热点的“伪创新”。“量子科技到现在，还没有让老百姓可以用的产品，短时间内也做不到，不可能很快就达到能进入千家万户的水平。”郭光灿说。 专家表示，辨识一件商品到底有没有用到量子科技，要看它有没有用到量子的相干性、叠加性等特性，如果没有用到就是在“蹭概念”。更直白来说，现阶段量子科技还没有应用到大众生活。 与此同时，量子科技在舆论场上也呈现“冰火两重天”的两极评价，既有“量子计算机即将淘汰电子计算机”“量子通信超光速，爱因斯坦都惊讶”这样的过度拔高，也有“量子计算欺世盗名”“量子通信是没用的骗局”这样的彻底否定，给公众带来困惑和思想上的混乱。 “为了避免被过度解读，我们发布信息时已采取更中性表述。比如用‘量子优越性’替代‘量子霸权’，用‘量子计算原型机’的称呼强调还处于实验研究阶段，离实用有很大距离。”潘建伟院士团队一位学者告诉记者，但在信息传播中，依然被一些媒体和个人公众号“添油加醋”。 “量子计算机一定是未来的重要方向，但它是用来解决电子计算机难以解决的特定问题，并不是在所有问题上都能起到加速作用，它和电子计算机是互补而不是替代关系。”清华大学姚期智讲座教授段路明等多位专家表示，量子科技需要客观理性的认知。 “量子科技就像是一个婴儿，未来有无限可能，但现在还不够强壮，更不能‘包治百病’。”贺羽说。 “甄别对量子科技的质疑，最基本的判据，就是看它有没有在同行审稿的科学期刊上发表论文。”中科院科学传播研究中心副主任袁岚峰说，我国量子科技专家有许多论文发表在国际顶级期刊上，而反对量子科技的文章全都是网络文章，没有一篇在学术期刊发表，原因就是这些文章在科学上存在错误，审稿通不过。 多位学者分析，近年国内质疑量子的声音越来越多，原因之一是量子理论深奥难懂，量子纠缠、量子叠加等特性又相悖于日常体验，容易让人怀疑。从更深层次来讲，量子科技暂时还未发展到大众应用阶段，出现质疑可以理解为一种关心、急切和担忧情绪。未来不可限“量”
量子时代已经扑面而来。加快发展量子科技亟需形成合力、协同攻关。 “在‘第二次量子革命’中引领风潮，不能做‘游击队’，一定要组织‘集团军’。”郭光灿说，量子计算机产业涉及硬件、软件、标准、工程技术、用户习惯等方方面面，需要政府支持、科研机构、企业合作乃至社会大众的关注。 据了解，当前的新动向是，一些国家正在组建跨国技术联盟，合力推进量子科技发展。今年6月召开的G7峰会上，美国、英国、日本、加拿大、意大利等7国宣布联合开发一个基于卫星的量子加密网络——“联邦量子系统”（FQS），将统筹资源和资金促进共同研究，计划于2023年发射第一颗FQS卫星。 同时国际上也已形成多个量子科技产业联盟，比如IBM的“QNetwork”已有来自高校、实验室及航空、汽车、银行和金融等多个行业的100多个成员，共同推进量子计算的发展和应用。 “量子科技从实验室到市场应用场景，需要大量企业配合。目前国内的本源量子等企业也组建了产业联盟，我们希望能进一步发展壮大。”郭国平说。 应勇认为，国内应加快形成“量子+”产业生态。“比如在量子通信行业，网越密、价值越大，带动更多的应用开发和用户群体”。 据了解，近年国内合肥、济南、武汉等城市初步建成量子通信网，近期由合肥市政府、中国电信公司和国盾量子等合作的新一代“合肥量子城域网”已启动建设，包含8个核心网站点和159个接入网站点，网络光纤全长1067公里，将接入政务、金融、医疗等多个行业。 作为重大颠覆性创新，量子科技发展的关键是人才。 美国相关政府机构倡议将量子信息科学课程加入从幼儿园到高中的教育体系，哈佛大学新增量子科学与工程学位。在中国，今年中科大获批新设立量子信息科学本科专业和量子科学与技术博士学位点。 多位学者建议支持鼓励更多高校开设量子科技专业，培养更多的物理、数学、信息、仪器、材料等学科交叉的量子人才。段路明介绍，目前清华大学设立了量子信息本科生班，用交叉学科培养方式，让学生形成从基础到应用的知识架构。“中国量子科技的发展非常快，应该进一步扩大培养规模，为科研和企业提供足够多的人才”。 中国信息通信研究院预测，未来5年左右，量子计算将可能出现基于含噪声中等规模量子处理器，结合云平台探索具备实用化价值的应用算例；量子通信将聚焦量子信息网络关键技术和使能组件进行攻关，开展组网原型实验并逐步推动构建标准体系，持续探索量子保密通信商用化场景；量子精密测量将有望在新一代定位、导航和授时系统，微弱磁场和重力场测量系统、高灵敏度成像系统等领域率先突破应用。 在量子科技高速演进的同时也要看到，其发展与应用前景仍存在长期性和不确定性。中国信息通信研究院技术与标准研究所赖俊森博士介绍，以量子计算为例，可纠错逻辑量子比特的门槛尚未跨越，大规模通用量子计算仍是远期目标，量子计算系统架构和软件体系仍处于初步探索阶段，对工作环境的要求仍十分严苛，超导、光量子、离子阱、半导体、拓扑等多种技术路线并行发展，将来哪条路线将“胜出”仍未可知。 “量子科技前程远大但绝非坦途，必须具备研制‘两弹一星’一样的科学家精神。”郭光灿等多位专家强调，不畏艰难险阻才能登上新的“量子高峰”，抢占制高点、构筑新优势。 朱晓波说，量子科技是事关人类未来的关键核心技术领域，希望能有更多兼具智慧和勇气的年轻人进来。“勇闯科研无人区和产业无人区，扎扎实实做上10到15年，一定会有更重要的成果不断涌现。”他说。本文刊于：《瞭望》2021年第51期
