“九章二號”144模式干涉儀（部份）實驗相片中國科學技術學院供圖
量子三大領域——量子估算、量子通訊、量子精密檢測，中國全部位列第一梯隊
中國量子研究突飛猛進的背后，是中國的“科研黃金時代”和“集中力量辦大事”的體制優勢
“量子科技到如今，還沒有讓老百姓可以用的產品，短時間內也做不到”
量子科技是事關人類未來的關鍵核心技術領域，急切須要更多兼顧智慧和勇氣的年青人獨闖科研無人區和產業無人區
文|《瞭望》新聞周刊記者徐海濤魏雨虹陳諾周暢
中國成功研發“九章二號”“祖沖之二號”量子估算截擊機，日本IBM公司宣布實現“全球最大”的量子估算處理器，美國宣布將撥款145億美元推動研究量子保密通訊……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力爭先。
121年前，當馬克斯·普朗克提出“量子”概念時，即便再大膽的人也無法想像，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”已經開幕，它將帶給我們一個哪些樣的未來？在世界量子科技大潮中，中國處于哪些方位？推動實現高水平科技自立自強的中國，將給全球量子科技發展做出什么新的貢獻？
人們期盼：當對量子微觀世界的認知更加深邃，宏觀世界也將愈加美好。
進軍第一陣營
“求解特定物理問題，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，在全球科技界造成重大反響。
“這是令人興奮的實驗杰作。”量子化學學家、加拿大卡爾加里學院院長巴里·桑德斯說。
國際權威學術刊物《物理評論快報》刊發相關論文，標志著中國研發的“九章二號”“祖沖之二號”量子估算靶機獲得國際學術界認可。我國由此成為全球惟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，是指當新生的量子估算靶機，在某個問題上的估算能力超過最強的傳統計算機，就證明其未來有多方趕超的可能。
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，新加坡微軟公司推出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，對一個物理算法的估算只需200秒，當時世界最快的超級計算機“頂峰”需2天，日本率先實現了“量子優越性”。
一年以后，中國成功研發76個光子的量子估算靶機“九章”，求解物理算法高斯玻色采樣只需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。
去年10月，“九章二號”求解高斯玻色采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”的估算復雜度，比微軟推出的“懸鈴木”提高100萬倍。我國的“量子優越性”引人注目。
“以前中國的量子通訊世界領先，如今可以說，我們的量子估算也步入世界第一方陣。”“九章二號”“祖沖之二號”由中國科學技術學院潘建偉教授團隊牽頭研發，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估算、量子通訊、量子精密檢測三大領域。
近些年，隨著“墨子號”量子衛星發射，中國實現量子通訊研究的領跑。去年，中國建成全球首個星地量子通訊網，創造500公里的現場光纖量子通訊世界紀錄，進一步鞏固優勢。
在量子精密檢測領域，中國科研水平和技術應用與歐澳洲家旗鼓相當、各具優勢。近些年，我國實現海森堡極限精度的單光子克爾效應檢測、200公里單光子三維成像、在溫度水堿液環境中偵測到單個DNA分子的磁共振譜等重大成果，并在金鋼石NV色心技術路線上研制出量子磚石單載流子譜儀、量子磚石原子力顯微鏡等“人無我有”的創新產品。
中國信息通訊研究院發布的《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，日本科研機構和企業的論文數目超過12000篇，位列各國第一，中國緊跟其后超過9000篇，美國、日本、英國分列第三到第五位。其中在量子通訊、量子估算、量子精密檢測三個領域，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，我們如今全方位都在第一梯隊。原先量子估算相對落后，如今逐步趕上來了。”中國科大學教授、中科院量子信息重點實驗室處長郭光燦說。
“當前，實現量子信息技術的規模化應用，成為多國角逐的目標。”中國科大學教授潘建偉說，在黨和國家高度注重下，我國量子科技實現了從跟跑、并挪到部份領跑的歷史飛越。
2016年12月9日，“墨子號”量子科學實驗衛星與阿里量子隱型傳態實驗平臺構建天地鏈路（合成相片）金立旺攝/本刊
“科研黃金時代”
在量子理論濫觴的1900年，當時的中國積弱已久只能做個看客。百余年后的明天，中國量子科技何以崛起？
變革開放后國外最早開始量子信息研究的郭光燦，至今還記得1980年到英國倫敦學院留學時的發覺：美國對量子光學的研究源于20世紀60年代，國外相關研究近乎空白。面對落后20年的差別，他和一群在日本、美國留學的中國中學生相約，誰先歸國誰就組織隊伍，把量子光學這一攤挑上去。
1984年，歸國后的郭光燦主持舉辦全省第一個量子光學學術大會。隨后，他開辦國外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，聚攏起全省十多個科研單位50余名學者組成團隊。
1996年，時年26歲的中科大結業生潘建偉，奔赴量子熱學的誕生地德國攻讀博士學位。
在量子化學學大師塞林格院士的科研小組里，潘建偉很快嶄露頭角。1997年，以他為第二作者的論文“實驗量子隱型傳態”，被日本《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。潘建偉追憶說，當導師塞林格問“潘，你的夢想是哪些？”時，他答道：“我的夢想是，在中國建一個和這兒一樣的世界一流的量子光學實驗室。”
多年以后，潘建偉這樣向記者解釋他內心深處的看法：“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，除了在美國可以做得好，在國外也能作出優秀成果。
2016年8月，以中國先輩“墨子”為名，世界首顆量子科學實驗衛星在蘭州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。
隨后，量子反常霍爾效應的實驗發覺、“九章”、全球首個星地量子通訊網、“祖沖之號”“九章二號”“祖沖之二號”……中國量子科技喜訊頻傳。
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，都匯聚了中科院武漢技術化學研究所、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器件，讓我們的創新看法有了挺好的工程基礎。我在美國的一些同行，也曾有過類似的科學構想，但沒有國家像我國這樣竭力支持。”潘建偉說。
“第二次量子革命的鼓聲已叩響”
全世界奮勇籌謀“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誘人的特點，使量子技術具有極大應用前景和寬廣想像空間。
“量子熱學是一個神秘的、令人飄忽不透的學科。我們誰都談不上真正理解，只是曉得如何去運用它。”諾貝爾獎獲得者、美國化學學家穆雷·蓋爾曼曾這樣說。
“量子理論的出現，在上世紀引起第一次量子革命，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，因而發展出計算機、互聯網、手機等重大應用。
步入21世紀，量子領域的新發覺、新理論、新技術密集涌現，喻示著第二次量子革命已步入起跑期、加速期。《自然》雜志評論覺得：“第二次量子革命的鼓聲已叩響！”
“第一次量子革命，人們只問量子理論能讓我們做哪些，不去問為何，是被動的觀測與應用。”郭光燦說，第二次量子革命則是主動借助量子特點，開發出量子通訊、量子估算和量子精密檢測等創新應用。
簡單來說，這種應用的革命性在于——量子估算可以令人類的運算能力實現指數級下降，量子通訊可以在理論上做到通訊的絕對保密，量子精密檢測可以將偵測精度從微米級提高至“原子級”。
其實，量子科技轉化為現實生產力的時間表各有不同。
中科大院士、“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覺得，研發出有實用價值的容錯型通用量子計算機，大概還須要10年到15年。”
據了解，量子估算包括超導、光量子、離子阱、半導體、拓撲等多條技術路線，目前微軟、IBM、英特爾、微軟、亞馬遜、霍尼韋爾等國際科技企業紛紛搶灘，國外的中國科學技術學院、浙江學院、清華學院、南方科技學院等院校以及騰訊、華為、阿里巴巴等企業也已布局研制。
業界普遍覺得，量子計算機的發展將經歷三個階段：
第一階段，研發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，研發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難以勝任、具有重大實用價值的問題。諸如量子物理、新材料設計、優化算法等。
第三階段，急劇增強量子比特的操縱精度、集成數目和容錯能力，研發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，學界豁達的觀點覺得，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、金融剖析、藥物研制、礦產鉆探等多個方面。影響更為深遠的是，量子計算機的強悍算力將有助于人類認識數學、化學等領域重大基礎科學問題，并與人工智能等科技形成“乘法效應”，加速形成“裂變反應”。
騰訊量子實驗室負責人張勝譽告訴記者，她們近日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，并在抗生素研制、材料仿真等產業應用方面積極探求。
在量子通訊領域，全球正處在網路建設和應用探求齊頭并進的階段。
高約1米、重不足百公斤，深沉的鏡頭凝望天空……這是近日由交大國盾量子技術股份有限公司推出的全球首款大型化可聯通量子衛星地面站。
“這種地面站重量輕、可聯通，12小時內能安裝好，邊疆、海島等邊遠地區用它與‘墨子號’衛星對接，可以方便地使用量子保密通訊。”科大國盾公司量子項目經理周雷介紹，她們的另一款新應用是商用量子秘鑰分發器，每秒可形成上千個秘鑰，目標是讓“光纖可達”的地方都能用上量子通訊。
此外，目前國際量子通訊的研制方向聚焦于通訊距離、核心部件、小型化、新合同等方面，在政務、能源、金融等領域的新應用不斷出現，行業標準、測評規范等逐漸建立。中國處于全球科研、應用前列，在國際聯通聯盟和國際標準化組織牽頭編制量子通訊標準。
與量子估算、量子通訊相比，量子精密檢測變得更為神秘，但業界普遍覺得，量子精密檢測將是量子科技中最早實現應用和產業化的領域。
“量子檢測的精度可以達到原子量級。”國儀量子（南京）技術有限公司（下稱國儀量子）是國外最早創立的以量子精密檢測技術為核心的創新企業，該公司總工裁張偉介紹，傳統檢測技術最小只能偵測到微米量級，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。例如將量子精密檢測用于生命科學領域，可精確剖析血液中極微量物質濃度。
“量子精密檢測如今開始邁向各行各業、萬家燈火。”國儀量子監事長賀羽說，量子精密檢測在石油鉆探、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，量子精密檢測將可能應用于超導材料表面特點及結構表征、醫療領域的心腦磁檢測、臨床前研究的微量物質組分剖析、生命科學的病變細胞成像以及導航的地磁場檢測等多個領域，為儀器行業帶來改革式機遇。
量子滬寧干線總控中心中國科學技術學院供圖
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。
去年1月，南非宣布啟動量子技術國家戰略，計劃5年投資18億美元，使美國跨入量子領域“世界前三”。
5月，美國宣布撥款近20億美元，使英國在量子大賽中“跟上步伐”。
11月下旬，英國宣布投資1億美元帶動量子研究商業化。
同年底，美國宣布撥款145億美元，將加強量子保密通訊研究，推動經濟和軍事安全。
在全球你追我趕的量子發展態勢下，業內人士覺得，我國當前起碼面臨技術、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。中科院教授王建宇比喻說，實現量子衛星“天地實驗”，“相當于人在萬米高空，把硬幣掉入地面的一個儲錢罐”。
在中科院量子信息重點實驗室副組長郭國平看來，研發量子計算機，如同“用原子壘起一座金字塔”。
“量子估算對環境的要求非常高。除了要超高溫，還要‘超潔凈’。非常微弱的噪音、光線、磁場和微小顆粒就會攪亂訊號，整個系統十分復雜、困難。”合肥本源量子估算科技有限責任公司輪值監事長孔偉成說。
朱曉波說，當前研發量子計算機的一大技術挑戰是提升操縱量子比特的精度，提升運算正確率。“例如雖然單次門運算精度達到99%，70次運算出來，正確率就升高到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，要推動加快到產業化階段，須要產生“科研機構+企業+用戶”的產業生態。
交大國盾量子技術股份有限公司總裁應勇說，在量子通訊領域，行業最大的困難是使用規模不大，相對于研制，在產品推廣上會有滯后期。同時，量子通訊須要用戶使用習慣的切換中國國盾量子通訊，且整修信息系統的成本代價和工作量十分大，影響了量子通訊技術的應用。
“科研機構研制的量子科技產品，須要更多的企業和用戶試用。只有在應用中發覺問題、創造應用場景并及時反饋給研制端，產業能夠迭代發展。”郭光燦說。
最后，人才供應不足被覺得是阻礙量子科技發展的重要誘因。
IBM負責量子戰略和生態的總工裁羅伯特·蘇托爾曾表示，目前全球量子人才普遍匱乏，企業須要與院校更緊密合作，從高等教育階段開始培養相關人才。諸如量子估算方面，急需數學方面人才進行相關硬件研制，同時也須要物理和計算機領域人才。
“我們目前最大的困難是缺人才！”賀羽說，除了量子理論人才，還須要儀器工程師、光學工程師、微波工程師、算法工程師等。
“蹭概念”“過度拔高”和“學術指責”
挑戰之余，量子科技日漸擴大的影響力，也招來一些“蹭概念”型產品，以及不專業的“學術指責”與博眼珠的夸大評析。
“量子能量波與人體生物電和諧共振，深層滋潤細膩膚質”“利用量子糾纏原理讓莊稼多吸肥，蚜蟲不能孵卵”“量子的波粒二象性就是陰和陽，科學地解釋了風水”……記者發覺，近一年來，國外冒出2000多家各種“量子企業”中國國盾量子通訊，將量子熱學原理與化裝品、農業、食品、服裝、汽車等傳統產業“嫁接”。
專家覺得，這種企業并非量子科技的產業化，而是蹭熱點的“偽創新”。“量子科技到現今，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步入千家萬戶的水平。”郭光燦說。
專家表示，識別一件商品究竟有沒有用到量子科技，要看它有沒有用到量子的相干性、疊加性等特點，假如沒有用到就是在“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“量子計算機正式淘汰電子計算機”“量子通訊超光速，愛因斯坦都震驚”這樣的過度拔高，也有“量子估算欺世盜名”“量子通訊是沒用的騙子”這樣的徹底否定，給公眾帶來困擾和思想上的混亂。
“為了防止被過度剖析，我們發布信息時已采取更中性敘述。諸如用‘量子優越性’替代‘量子霸權’，用‘量子估算靶機’的尊稱指出還處于實驗研究階段，離實用有很大距離。”潘建偉教授團隊一位學者告訴記者，但在信息傳播中，仍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，但它是拿來解決電子計算機無法解決的特定問題，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取代關系。”清華學院姚期智講堂院長段路明等多位專家表示，量子科技須要客觀理智的認知。
“量子科技如同是一個小孩，未來有無限可能，但如今還不夠健壯，更不能‘包治百病’。”賀羽說。
“甄別對量子科技的指責，最基本的判據，就是看它有沒有在同行審稿的科學刊物上發表論文。”中科院科學傳播研究中心副院長袁嵐峰說，我國量子科技專家有許多論文發表在國際頂尖刊物上，而反對量子科技的文章全都是網路文章，沒有一篇在學術刊物發表，緣由就是這種文章在科學上存在錯誤，審稿通不過。
多位學者剖析，近些年國外指責量子的聲音越來越多，緣由之一是量子理論晦澀難懂，量子糾纏、量子疊加等特點又偏頗于日常體驗，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，出現指責可以理解為一種關心、急切和擔心情緒。
未來不可限“量”
量午時代早已撲面而至。推動發展量子科技亟待產生合力、協同攻關。
“在‘第二次量子革命’中推動熱潮，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，須要政府支持、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，一些國家正在成立跨國技術聯盟，合力推動量子科技發展。去年6月舉行的G7大會上，法國、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路——“聯邦量子系統”（FQS），將統籌資源和資金推動共同研究，計劃于2023年發射第一顆FQS衛星。
同時國際上也已產生多個量子科技產業聯盟，例如IBM的“”已有來自院校、實驗室及民航、汽車、銀行和金融等多個行業的100多個成員，共同推動量子估算的發展和應用。
“量子科技從實驗室到市場應用場景，須要大量企業配合。目前國外的本源量子等企業也成立了產業聯盟，我們希望能進一步發展壯大。”郭國平說。
應勇覺得，國外應推動產生“量子+”產業生態。“比如在量子通訊行業，網越密、價值越大，推動更多的應用開發和用戶群體”。
據了解，近些年國外南京、濟南、武漢等城市初步建成量子通訊網，近日由南京市政府、中國聯通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，網路光纖全長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。
日本相關政府機構呼吁將量子信息科學課程加入從幼兒園到小學的教育體系，耶魯學院新增量子科學與工程學位。在中國，去年中科大獲準新籌建量子信息科學專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院校開辦量子科技專業，培養更多的化學、數學、信息、儀器、材料等學科交叉的量子人才。段路明介紹，目前復旦學院籌建了量子信息大專生班，用交叉學科培養方法，讓中學生產生從基礎到應用的知識構架。“中國量子科技的發展特別快，應當進一步擴大培養規模，為科研和企業提供足夠多的人才”。
中國信息通訊研究院預測，未來5年左右，量子估算將可能出現基于含噪音中等規模量子處理器，結合云平臺探求具備實用化價值的應用算例；量子通訊將聚焦量子信息網路關鍵技術和使能組件進行攻關，舉辦組網原型實驗并逐漸加快建立標準體系，持續探求量子保密通訊商用化場景；量子精密檢測將有望在新一代定位、導航和授時系統，微弱磁場和重力場檢測系統、高靈敏度成像系統等領域率先突破應用。
在量子科技高速演化的同時也要看見，其發展與應用前景仍存在常年性和不確定性。中國信息通訊研究院技術與標準研究所賴俊森博士介紹，以量子估算為例，可糾錯邏輯量子比特的門檻仍未跨越，大規模通用量子估算仍是遠期目標，量子估算系統構架和軟件體系仍處于初步探求階段，對工作環境的要求仍非常苛刻，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，必須具備研發‘兩彈一星’一樣的科學家精神。”郭光燦等多位專家指出，不畏艱辛磨難能夠登上新的“量子高峰”，占據制高點、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，希望能有更多兼顧智慧和勇氣的年青人進來。“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。■