国盾量子公众号发布量子科技科普与行业回顾文章

很高兴有机会和大家分享量子科技领域的进展。
去年是联合国教科文组织设立的国际量子科学技术年，也是量子力学诞生百年纪念。回望百年前，全球局势动荡，一战二战间隔期间战火纷飞，但欧洲科学家却在这样的背景下创立了量子力学。彼时正值现代科学关键发展阶段，中国只能作为旁观者。百年后的量子力学百年纪念活动上，我国潘建伟院士受邀作报告，标志着
中国科学家终于在量子力学国际舞台上拥有了自己的声音与地位。
回溯量子力学百年历程，百年前一众顶尖物理学家汇聚，凝练出量子力学理论，诠释微观物理规律。此后，普朗克等科学家持续深耕，依托量子力学诞生了晶体管、激光、原子弹、核磁共振、高温超导等重大成果，彻底改变了世界。百年间量子力学领域多次斩获诺贝尔物理学奖，如今再度迎来全新发展高峰，成为极具潜力的前沿学科。
第五届索尔维会议合影
量子力学对世界的底层规律总结为两大核心要点。
第一，
世界是量子化的
。量子意为一份一份、不可再分的最小单元。手机屏幕看似画面连续，放大后实则由无数像素点构成；如同游戏《Minecraft》由基础方块组成，现实世界的物质、能量也存在最小单元，原子、分子、光子都是世界
的基础 “方块”。
世间万物并非无限连续，而是由离散的最小单元构成。
第二，
微观世界存在叠加态
。经典世界中事物状态确定，人物位置可精准界定。量子微观单元完全不同，可同时处于多种状态叠加。一个量子粒子能同时处在两个位置，无确定形态。可理解为：组成人体的每一个原子都处于自由叠加、位置不定的状态，但海量原子聚集后，相互牵制抵消了叠加特性，最终呈现出经典世界确定的状态。个体微观是叠加态，宏观经典世界只是量子叠加特性的子集，确定性只是特殊情况。
依托量子化与叠加态两大特性，量子力学为信息社会开辟三大核心发展方向：
量子通信、量子计算与模拟、量子精密测量
。本次报告将围绕量子叠加与量子纠缠，介绍量子通信、量子计算等领域的发展情况。
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量子叠加与量子通信
量子叠加指量子态无确定状态，同时处于多种状态之中。
量子通信是以量子态为信息载体的通信方式，其核心优
势是
可实现“信息论可证”的安全通信
。
日常通信追求信号越强越好，量子通信反其道而行，利用最微弱的量子能量传输信息，如同课堂上小声讲悄悄话，避免被窃听。
信息安全是人类与生俱来的需求，自古希腊、斯巴达时期就有加密通信技术，二战期间密码攻防更是影响战局走向。但传统加密技术始终存在被破解的风险，人类一直渴望实现无法破译的安全通信，而量子力学给出了可行答案。
量子通信的安全根基源于量子叠加两大核心原理。一是
量子测量扰动原理
：量子叠加态本身无确定状态，只有进行观测测量时，状态才会固定，测量行为本身会改变量子态。一旦有人窃听量子通信，测量行为会破坏量子态，通信双方能立刻察觉窃听行为。二是
量
子不可克隆定理
：
任何量子态都无法被完美复制克隆，不存在复制量子信号进行隐秘窃听的可能，从底层杜绝了伪造窃听的途径。
量子通信理论最早由科学家 Wiesner 提出，他设想利用量子不可克隆特性打造量子钞票，杜绝假币，但受限于技术和大众认知，想法长期无人认可。后来其好友 Bennett 完善理论，发现量子态难以长时间存储固定，但光量子天生高速传播、不易受环境干扰，完美适配通信需求。光以每秒三十万公里的速度匀速传播，能远距离稳定传输量子信号，由此奠定了量子密钥分发（QKD）的理论基础。
1984 年 BB84 QKD理论正式提出，1989 年全球首个QKD实验落地，仅实现 30 厘米短距离传输。除安全通信外，利用量子纠缠还可实现量子隐形传态等前沿应用。
回望我国量子通信发展之路，上世纪七八十年代，我国在量子前沿领域完全缺席。九十年代起，国家发展逐步向好，一批优秀学子走出国门深造，潘建伟院士等领军学者远赴海外顶尖课题组深耕量子信息领域，成为我国量子科技发展的星星之火。
25 年前，学成归国的科研人员立志搭建国内顶尖量子实验室，秉持踏实钻研的初心，对标国际一流水准深耕量子通信。当时领域内的终极目标，是突破距离限制，实现全球覆盖的量子通信。
依托我国跨学科科研体制优势，中科院牵头联合航天、卫星载荷等科研单位，启动星地量子通信研发，计划将量子光源、探测设备搭载卫星，构建全球量子通信网络。科研团队扎根青海湖开展野外实验，在寒冬的湖心山顶、热气球平台完成百公里级量子态传输验证，
成为全球仅有的两支掌握百公里量子通信技术的团队之一
，与潘建伟院士留学导师领衔的国际顶尖团队并肩领跑。
随后，我国科研团队并未止步，向着全球唯一、国际领先的目标攻坚。2003 年至 2016 年，历经十余年潜心研发，我国成功发射墨子号量子科学实验卫星。
墨子号升空后，我国量子通信实现断崖式国际领先，独掌星地量子通信核心技术，引发全社会广泛关注。
此后我国学者受邀前往 NASA 作学术报告，团队斩获克里夫兰国际奖项，彰显了中国量子科技的国际地位。
如今我国已建成全球规模最大的光纤与卫星融合量子通信网络，实现量子地面站小型化部署，可安装于楼顶、舰艇、外交使领馆等场景，真正落地全球量子通信应用。
墨子号的成功也推动了国际量子领域发展，为潘建伟院士导师斩获诺贝尔物理学奖提供了重要支撑。提出量子密码理论的两位先驱，也先后获得沃尔夫奖、计算机领域最高奖图灵奖，标志着量子密码从物理小众研究，升级为全球信息社会认可的核心技术。
小型化量子卫星与地面站实现上万公里星地量子通信
量子通信的崛起离不开时代机遇
。近十年来，
量子计算技术快速发展，未来有望破解传统经典密码，对现有信息安全体系形成巨大冲击
。
而我国提前布局量子通信，在量子计算大规模落地前筑牢信息安全 “盾牌”，为未来信息社会构建核心安全基础设施，
抢占了科技发展先机。在我国科学家的全力攻坚下，量子通信已稳居全球领跑地位，成为国家科技竞争力的重要名片。
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量子纠缠与量子计算
量子计算拥有颠覆信息社会的超强算力，其核心底层是
量子纠缠。
如果说量子叠加是单个粒子的多态共存，量子纠缠便是两个及多个粒子的关联叠加，粒子间形成无形关联，状态相互绑定、互为影响。
自然界万物普遍存在量子纠缠，微观粒子相互作用、人类社会人际关联，本质都可类比纠缠特性。经典计算机仅依靠 0 和 1 两种固定状态，无叠加与纠缠能力，算力存在天然上限。面对海量大数据、复杂密码破解、微观世界模拟等超高难度计算，经典计算机力不从心。
量子计算的算力优势源于量子比特的叠加特性。1 个量子比特可同时呈现 2 种状态，2
个量子比特可呈现 4 种叠加状态，200 个量子比特便能表征
2 的 200 次方
种状态。
量子计算可同时对海量叠加状态并行处理，搭配专属量子算法，就能快速解决经典计算机万年都无法完成的运算任务。其中 Shor 算法可直接破解现有经典公钥密码体系。
量子计算对经典密码的影响
量子计算具备巨大的经济与社会价值。以比特币为例，其交易账本约 100G，蕴含 20% 存量比特币，价值数千亿美金。一旦通用量子计算机问世，借助超强算力就能破解加密账本，掌控海量数字资产。更重要的是，量子计算将重构整个信息社会、金融体系，在新药研发、材料模拟、天文探测等领域带来革命性突破。
业界将通用量子计算机正式落地、可破解现有密码体系的时间节点称为
Q-Day
，全球都在为这一时刻提前做好信息安全防护准备。
目前距离 Q-Day 仍有较远距离，核心难题是量子计算机的技术路线尚未定型。全球主流研发路线包括超导量子比特、光量子比特、原子量子比特、离子阱量子比特等，多条路线并行研发，尚无明确胜出方向。行业普遍将量子计算发展划分为三个阶段：
第一阶段是
实现量子优越性
，让量子计算机完成某一项经典计算机无法企及的任务，是量子计算成长的首个里程碑。谷歌率先以企业力量实现突破，完成量子优越性实验，将量子计算推向公众视野。随后我国陆朝阳教授团队研发 “九章” 光量子原型机，以远低于谷歌的经费，实现 76 个光子量子优越性，秉持多快好省的研发理念，在光量子路线上比肩国际顶尖水平。
“九章”光量子计算原型机
第二阶段是
量子纠错技术突破
。量子态极易受环境干扰，量子计算机运算过程会频繁出错，错误率极高，连续运算后结果完全失效。
研发具备自我纠错、修复能力的量子计算机，是从实验原型走向实用化的关键一步。目前中美在量子纠错领域并跑竞争，谷歌稍占先机，我国紧随其后，竞争态势十分焦灼。
第三阶段是
大规模量子比特集成
，
将数千、数万甚至十万级量子比特集成，打造通用量子计算机。届时 Q-Day 正式到来，可全面落地密码破解、科研模拟等各类应用。
量子计算领域呈现万马奔腾的竞争格局。
中美作为第一梯队率先迈过量子优越性门槛，在纠错阶段激烈角逐；
离子阱、中性原子等新兴技术路线作为黑马快速追赶。
科技无国界，但科学家有国界，量子计算已成为国与国科技竞争的战略高地。国际形势变化后，我国量子领域科研交流受限，面临设备技术封锁。美国企业投入巨额资金布局量子计算，规划 2030 至 2035 年冲击 Q-Day。作为科技大国，我国在量子计算领域绝不能落后，必须持续加大研发投入，多路线同步布局、全面攻坚，守住前沿科技竞争阵地。
量子科技的发展之路，既是行业技术迭代之路，也是科研团队与青年一代的成长之路。个人的成长始终与行业进步、国家发展同频共振，唯有将自身理想融入国家科技发展大局，才能实现个人与时代的共同成长。愿每一位年轻人都能把握时代机遇，深耕所学、逐梦前行。