量子三大领域——量子打算、量子通信、量子精密丈量，中国全部位列第一梯队

中国量子研究突飞年夜进的背后，是中国的“科研黄金时期”和“集中力量办大事”的系统编制上风

“量子科技到现在，还没有让老百姓可以用的产品，短韶光内也做不到”

量子科技是事关人类未来的关键核心技能领域，急迫须要更多兼具聪慧和勇气的年轻人勇闯科研无人区和家当无人区

文 |《瞭望》***周刊 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”量子打算原型机，美国IBM公司宣告实现“环球最大”的量子打算处理器，日本宣告将拨款145亿日元加快研究量子保密通信……近期，量子科技发展突飞年夜进，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”观点时，恐怕再大胆的人也弗成思议，这将给天下带来多大的改变——核能、激光、打算机、手机等都与此干系。

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主自强的中国，将给环球量子科技发展作出哪些新的贡献？

人们期待：当对量子微不雅观天下的认知更加深邃，宏不雅观天下也将更加美好。

挺进第一阵营

“求解特天命学问题，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打破的，在环球科技界引起重大反响。

“这是令人激动的实验精品。
”量子物理学家、加拿大卡尔加里大学教授巴里·桑德斯说。

国际威信学术期刊《物理评论快报》刊发干系论文，标志着中国研制的“九章二号”“祖冲之二号”量子打算原型机得到国际学术界认可。
我国由此成为环球唯一在光量子和超导两条技能路线上实现“量子优胜性”的国家。

“量子优胜性”像个门槛，是指当新生的量子打算原型机，在某个问题上的打算能力超过最强的传统打算机，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、期待这个里程碑式迁移转变点的到来。

2019年9月，美国谷歌公司推出53个量子比特的打算机“悬铃木”，对一个数学算法的打算只需200秒，当时天下最快的超级打算机“顶峰”需2天，美国率先实现了“量子优胜性”。

一年之后，中国成功研制76个光子的量子打算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，当时天下最快的超级打算机要用6亿年。
这使中国成为环球第二个实现“量子优胜性”的国家。

今年10月，“九章二号”求解高斯玻色取样比目前天下最快的超级打算机快10的24次方倍（亿亿亿倍）；“祖冲之二号”的打算繁芜度，比谷歌推出的“悬铃木”提高100万倍。
我国的“量子优胜性”引人瞩目。

“以前中国的量子通信天下领先，现在可以说，我们的量子打算也进入天下第一方阵。
”“九章二号”“祖冲之二号”由中国科学技能大学潘建伟院士团队牵头研制，团队成员、“九章二号”项目卖力人陆朝阳说。

量子科技紧张分为量子打算、量子通信、量子精密丈量三大领域。

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，中国建玉成球首个星地量子通信网，创造500公里的现场光纤量子通信天下记录，进一步巩固上风。

在量子精密丈量领域，中国科研水平和技能运用与欧美国家旗鼓相当、各具上风。
近年，我国实现海森堡极限精度的单光子克尔效应丈量、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色心技能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《量子信息技能发展与运用研究报告（2020年）》统计显示，从2000年到2019年，环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。
个中在量子通信、量子打算、量子精密丈量三个领域，中国的论文揭橥量分列第一位、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。
原来量子打算相对掉队，现在逐渐遇上来了。
”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，实现量子信息技能的规模化运用，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。

2016年12月9日，“墨子号”量子科学实验卫星与阿里量子隐形传态实验平台建立天地链路（合成照片） 金立旺摄/本刊

“科研黄金时期”

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。
百余年后的本日，中国量子科技何以崛起？

改革开放后海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创造：国外对量子光学的研究始于20世纪60年代，海内干系研究近乎空缺。
面对掉队20年的差距，他和一群在加拿大、美国留学的中国学生相约，谁先返国谁就组织军队，把量子光学这一摊挑起来。

1984年，返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，他开设海内第一门量子光学课程和第一个量子信息实验室，并于2001年得到我国首个量子信息技能“973”项目，聚拢起全国十多个科研单位50余逻辑学者组成团队。

1996年，时年26岁的中科大毕业生潘建伟，远赴量子力学的出身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，潘建伟很快崭露锋芒。
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》杂志评为年度环球十大科技进展。

但成为国际一流学者并不是潘建伟梦想的全部。
潘建伟回顾说，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天下一流的量子光学实验室。
”

多年之后，潘建伟这样向阐明二心坎深处的想法：“近代科学没能在中国出身，中国人能不能遇上科学前沿、引领重大创新？”

在潘建伟看来，中国科技事情者都憋着一股劲，希望通过努力证明，不仅在国外可以做得好，在海内也能做出精良成果。

2016年8月，以中国先贤“墨子”为名，天下首颗量子科学实验卫星在酒泉卫星发命中间成功升空。
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打破。

此后，量子反常霍尔效应的实验创造、“九章”、环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年夜进归功于中国的“科研黄金时期”和“集中力量办大事”的系统编制上风。

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能物理研究所、眇小卫星创新研究院、光电技能研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中央等各个科研机构的心血。
“不同机构纷纭给我们供应所需的根本元件，让我们的创新想法有了很好的工程根本。
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”

全天下奋力钻营“量子优胜性”，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，使量子技能具有极大运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，只是知道若何去利用它。
”诺贝尔奖得到者、美国物理学家穆雷·盖尔曼曾这样说。

“量子理论的涌现，在上世纪引发第一次量子革命，催生了当代信息技能。
”潘建伟先容，基于量子理论，核能、激光、半导体等科技得以问世，进而发展出打算机、互联网、手机等重大运用。

进入21世纪，量子领域的新创造、新理论、新技能密集呈现，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，是被动的不雅观测与运用。
”郭光灿说，第二次量子革命则是主动利用量子特性，开拓出量子通信、量子打算和量子精密丈量等创新运用。

大略来说，这些运用的革命性在于——量子打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，量子精密丈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韶光表各有不同。

中科大教授、“祖冲之二号”项目详细卖力人朱晓波说：“国际量子学界主流不雅观点认为，研制出有实用代价的容错型通用量子打算机，大约还须要10年到15年。
”

据理解，量子打算包括超导、光量子、离子阱、半导体、拓扑等多条技能路线，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纭抢滩，海内的中国科学技能大学、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，量子打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打算机，实现“量子优胜性”里程碑式打破。

第二阶段，研制可操纵数百个量子比特的量子仿照机，办理一些超级打算机无法胜任、具有重大实用代价的问题。
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打算机。

“包括‘九章二号’和‘祖冲之二号’，天下上目前所有的量子打算机研究都还在第一阶段。
”朱晓波说，学界乐不雅观的不雅观点认为，5年旁边会有局部运用落地。

对付第三阶段的可编程的通用量子打算机，学者们预测，其可用于密码破译、气候预报、金融剖析、药物研发、矿产勘探等多个方面。
影响更为深远的是，量子打算机的强大算力将有助于人类认识物理、化学等领域重大根本科学问题，并与人工智能等科技产生“乘法效应”，加速产生“裂变反应”。

腾讯量子实验室卖力人张胜誉见告，他们近期在量子比特的初始化、量子编译和体系构造、大图算法设计等方面取得进展，并在药物研发、材料仿真等家当运用方面积极探索。

在量子通信领域，环球正处在网络培植和运用探索齐头并进的阶段。

高约1米、重不敷百公斤，深邃的镜头仰望天空……这是近期由科大国盾量子技能株式会社推出的环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，边陲、海岛等偏远地区用它与‘墨子号’卫星对接，可以便捷地利用量子保密通信。
”科大国盾公司量子项目总监周雷先容，他们的另一款新运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间隔、核心部件、小型化、新协议等方面，在政务、能源、金融等领域的新运用不断涌现，行业标准、测评规范等逐步完善。
中国处于环球科研、运用前列，在国际电信同盟和国际标准化组织牵头体例量子通信标准。

与量子打算、量子通信比较，量子精密丈量显得更为神秘，但业界普遍认为，量子精密丈量将是量子科技中最早实现运用和家当化的领域。

“量子丈量的精度可以达到原子量级。
”国仪量子（合肥）技能有限公司（下称国仪量子）是海内最早成立的以量子精密丈量技能为核心的创新企业，该公司副总裁张伟先容，传统丈量技能最小只能探测到微米量级，量子技能可以风雅千倍、万倍到纳米、亚纳米量级，为精密仪器行业带来革命性的技能进步。
比如将量子精密丈量用于生命科学领域，可精确剖析血液中极微量物质含量。

“量子精密丈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，量子精密丈量在石油勘探、生命科学、前辈材料及能源电力等领域已实现示范运用。

未来，量子精密丈量将可能运用于超导材料表面特性及构造表征、医疗领域的心脑磁丈量、临床前研究的微量物质组分剖析、生命科学的肿瘤细胞成像以及导航的地磁场丈量等多个领域，为仪器行业带来变革式机遇。

量子京沪干线总控中央 中国科学技能大学供图

技能、家当和人才三大寻衅

“第二次量子革命”为天下各国开辟出一条新的科技赛道。

今年1月，法国宣告启动量子技能国家计策，操持5年投资18亿欧元，使法国跻身量子领域“天下前三”。

5月，德国宣告拨款近20亿欧元，使德国在量子竞赛中“跟上步伐”。

11月中旬，澳大利亚宣告投资1亿澳元推动量子研究商业化。

同月尾，日本宣告拨款145亿日元，将强化量子保密通信研究，助力经济和军事安全。

在环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能、家当和人才三大寻衅。

先看技能寻衅。
作为探究微不雅观天下的科学，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”，“相称于人在万米高空，把***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，研制量子打算机，就像“用原子垒起一座金字塔”。

“量子打算对环境的哀求特殊高。
不仅要超低温，还要‘超清洁’。
极其微弱的噪声、光芒、磁场和眇小颗粒都会扰乱旗子暗记，全体系统非常繁芜、困难。
”合肥本源量子打算科技有限任务公司轮值董事长孔伟成说。

朱晓波说，当前研制量子打算机的一大技能寻衅是提高操纵量子比特的精度，提高运算精确率。
“例如即便单次门运算精度达到99%，70次运算下来，精确率就低落到50%以下。
”

再看家当寻衅。
多位专家表示，当前量子科技的发展正处于从科研到运用的过渡阶段，要加快推进抵家当化阶段，须要形成“科研机构+企业+用户”的家当生态。

科大国盾量子技能株式会社总裁应勇说，在量子通信领域，行业最大的困难是利用规模不大，相对付研发，在产品推广上会有滞后期。
同时，量子通信须要用户利用习气的切换，且改造信息系统的本钱代价和事情量非常大，影响了量子通信技能的运用。

“科研机构研发的量子科技产品，须要更多的企业和用户试用。
只有在运用中创造问题、创造运用处景并及时反馈给研发轫，家当才能迭代发展。
”郭光灿说。

末了，人才供应不敷被认为是制约量子科技发展的主要成分。

IBM卖力量子计策和生态的副总裁罗伯特·苏托尔曾表示，目前环球量子人才普遍短缺，企业须要与高校更紧密互助，从高档教诲阶段开始培养干系人才。
比如量子打算方面，急需物理方面人才进行干系硬件研发，同时也须要数学和打算机领域人才。

“我们目前最大的困难是缺人才！
”贺羽说，不仅量子理论人才，还须要仪器工程师、光学工程师、微波工程师、算法工程师等。

“蹭观点”“过度拔高”和“学术质疑”

寻衅之余，量子科技日益扩大的影响力，也引来一些“蹭观点”型产品，以及不专业的“学术质疑”与博眼球的浮夸解读。

“量子能量波与人体生物电和谐共振，深层滋养细嫩肌肤”“利用量子纠缠事理让庄稼多吸肥，害虫不能产卵”“量子的波粒二象性便是阴和阳，科学地阐明了风水”……创造，近一年来，海内冒出2000多家各种“量子企业”，将量子力学事理与扮装品、农业、食品、服装、汽车等传统家当“嫁接”。

专家认为，这些企业并非量子科技的家当化，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，短韶光内也做不到，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关性、叠加性等特性，如果没有用到便是在“蹭观点”。
更直白来说，现阶段量子科技还没有运用到大众生活。

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“量子打算机即将淘汰电子打算机”“量子通信超光速，爱因斯坦都惊异”这样的过度拔高，也有“量子打算欺世盗名”“量子通信是没用的骗局”这样的彻底否定，给公众年夜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纳更中性表述。
比如用‘量子优胜性’替代‘量子霸权’，用‘量子打算原型机’的称呼强调还处于实验研究阶段，离实用有很大间隔。
”潘建伟院士团队一位学者见告，但在信息传播中，依然被一些媒体和个人"大众年夜众号“添油加醋”。

“量子打算机一定是未来的主要方向，但它是用来办理电子打算机难以办理的特定问题，并不是在所有问题上都能起到加速浸染，它和电子打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，量子科技须要客不雅观理性的认知。

“量子科技就像是一个婴儿，未来有无限可能，但现在还不足强壮，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，便是看它有没有在同行审稿的科学期刊上揭橥论文。
”中科院科学传播研究中央副主任袁岚峰说，我国量子科技专家有许多论文揭橥在国际顶级期刊上，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揭橥，缘故原由便是这些文章在科学上存在缺点，审稿通不过。

多位学者剖析，近年海内质疑量子的声音越来越多，缘故原由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，随意马虎让人疑惑。
从更深层次来讲，量子科技暂时还未发展到大众运用阶段，涌现质疑可以理解为一种关心、迫切和担忧感情。

未来不可限“量”

量子时期已经迎面而来。
加快发展量子科技亟需形成协力、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，量子打算机家当涉及硬件、软件、标准、工程技能、用户习气等方方面面，须要政府支持、科研机构、企业互助乃至社会大众的关注。

据理解，当前的新动向是，一些国家正在组建跨国技能同盟，协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国宣告联合开拓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，操持于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家当同盟，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，共同推进量子打算的发展和运用。

“量子科技从实验室到市场运用处景，须要大量企业合营。
目前海内的本源量子等企业也组建了家当同盟，我们希望能进一步发展壮大。
”郭国平说。

应勇认为，海内应加快形成“量子+”家当生态。
“比如在量子通信行业，网越密、代价越大，带动更多的运用开拓和用户群体”。

据理解，近年海内合肥、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互助的新一代“合肥量子城域网”已启动培植，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。

美国干系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诲体系，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能博士学位点。

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。
段路明先容，目前清华大学设立了量子信息本科生班，用交叉学科培养办法，让学生形成从根本到运用的知识架构。
“中国量子科技的发展非常快，该当进一步扩大培养规模，为科研和企业供应足够多的人才”。

中国信息通信研究院预测，未来5年旁边，量子打算将可能涌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代价的运用算例；量子通信将聚焦量子信息网络关键技能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；量子精密丈量将有望在新一代定位、导航和授时系统，微弱磁场和重力场丈量系统、高灵敏度成像系统等领域率先打破运用。

在量子科技高速演进的同时也要看到，其发展与运用前景仍存在长期性和不愿定性。
中国信息通信研究院技能与标准研究所赖俊森博士先容，以量子打算为例，可纠错逻辑量子比特的门槛尚未超过，大规模通用量子打算仍是远期目标，量子打算系统架构和软件体系仍处于初步探索阶段，对事情环境的哀求仍十分严苛，超导、光量子、离子阱、半导体、拓扑等多种技能路线并行发展，将来哪条路线将“胜出”仍未可知。

“量子科技出路远大但绝非坦途，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，不畏困难险阻才能登上新的“量子高峰”，抢占制高点、构筑新上风。

朱晓波说，量子科技是事关人类未来的关键核心技能领域，希望能有更多兼具聪慧和勇气的年轻人进来。
“勇闯科研无人区和家当无人区，扎踏实实做上10到15年，一定会有更主要的成果不断呈现。
”他说。