世界讀書日，廣州科普大講壇帶你品讀神奇的“量子世界”

發布時間：2021-04-23 14:14:37 來源：壹點網責任編輯：caobo

4月14日被選為 “世界量子日”。廣州科普大講壇作為“書香羊城”全民閱讀重點活動之一，為落實“新時代文明實踐·全民閱讀月”工作，推動全民科普閱讀，提升市民科學文化素質，于4月23日“世界讀書日”推出第182期線上節目《展望十四五量子科技加速走向實用化》，并登陸各大媒體平臺播出。本期節目邀請了科大國盾量子技術股份有限公司總裁、總工程師趙勇作為主講嘉賓，對量子科技進行通俗易懂的科普講解。網友可通過觸電新聞、粵聽、廣州日報、新花城、新快報等新媒體平臺觀看這一場內容豐富的量子科技公開課。節目由廣州市科學技術協會、廣州日報社主辦，廣州市科學技術普及中心承辦。

【落實戰略規劃，量子科技成為科技競爭的主賽道】

近年來，量子科技發展突飛猛進，成為新一輪科技革命和產業變革的前沿領域。加快發展量子科技，對促進高質量發展、保障國家安全具有非常重要的作用。在2020年10月16日，中共中央政治局就圍繞量子科技研究和應用前景舉行了第二十四次集體學習，目的是了解世界量子科技發展態勢，分析我國量子科技發展形勢，更好推進我國量子科技發展。據趙總介紹，“十二五”、“十三五”期間，我國在量子科技方面就給予了很大的支持和投入，特別在“十三五”期間，國家布局了一系列量子通信和量子計算的科研項目，并推進項目的工程轉化。

趙總還提到，不僅在中國，量子科技在全球來說都是一個重點的發展領域，包括英美日韓在內的科技發展國家先后都啟動了國家量子技術計劃，積極地進行布局，量子科技已然成為各國間科技競爭的主賽道。

【量子信息技術的簡介】

其實量子科技并不是新近出現的學科領域，實際上它已經服務人類100多年。X射線透視成像、半導體產業發展、信息存儲，這些技術都是人類基于對量子科學的認識和發展而產生的。隨著科學技術的發展，人類逐步進入到量子科技的新領域。根據摩爾定律，單位面積集成電路上的晶體管數量每18個月會翻番，人類科技必將進入更精細的系統，到比納米更小的尺寸，組成物質最基本的單元。在這種微觀系統下，物理規律已經與人類在宏觀世界掌握的有所不同。“那么什么是量子？”趙總介紹到，“我們一方面可以把量子理解成一個形容詞，比如說量子物理、量子力學或者量子世界，那么這個‘量子’可以等效地認為就是微觀的系統，量子力學就是微觀世界的運動規律；另一方面，量子不對應特定的某一種粒子，它是所有微觀粒子整體的統稱。”

趙總又舉例簡單介紹了量子世界中量子態的不可分割，量子態的疊加、不可復制以及量子態的糾纏等三個有趣的特征，這些特征使得人類在進入微觀世界后可以獲取到不同的技術能力。值得注意的是，近年來社會上出現了許多諸如量子速讀、量子水杯、量子襪的所謂量子產品，實際上這些產品并沒有涉及微觀層面技術的應用，屬于“偽量子”。

目前隨著技術能力的發展，人類已經實現對微觀系統的直接利用，例如對單個量子的狀態進行人工制備，對多個量子間的相互作用進行主動調控。這些技術與信息技術相結合，誕生了量子信息科學這一新的研究方向。

【量子信息科學的應用與發展】

通過操縱微觀系統，人類可以突破信息和物質科學技術的經典極限，從而實現無條件安全的通訊、計算能力的飛躍以及超越經典極限的精密測量，這也分別對應了目前量子信息領域發展的三個不同方向的學科，量子通信、量子計算、量子探測。

在量子計算方面，谷歌于2019年底發布了谷歌“懸鈴木”53比特超導量子計算系統，求解隨機線路采樣問題耗時約200秒，而超級計算機No. 1 Summit即使優化后也需兩天時間，而中國的中科大團隊則于2020年利用光學的方式實現了光子量子計算系統——九章號量子計算機，求解波色采樣問題耗時約200秒，而超級計算機No. 1 富岳估計約6億年。

計算能力的飛躍也對信息安全帶來了挑戰，“量子安全”成為新一代密碼技術的關鍵特征之一。人類亟需發展新的信息技術以抵御量子計算的威脅，其中一種是后量子密碼學，其特點是可以通過軟件實現，但缺點是只能夠抵御已知量子算法；另一種是基于量子通信技術實現的量子密鑰分發，是一種硬件實現。由于其利用的是物理規律而非數學難題，廣義的量子計算無法破解，因此具備長期的安全性。量子密鑰分發技術與現代密碼技術的結合可以實現量子安全技術，隨著量子通信網絡基礎設施的完善，量子技術為用戶帶來的安全價值也將得以充分實現。

【展望十四五，量子安全技術產業加速走向實用化】

構建全球化的量子通信網絡是大勢所趨。人類通過光纖實現的城域量子通信網絡，通過中繼器連接的城際量子通信網絡，通過衛星中轉實現的遠距離量子通信，搭建起廣域量子通信網絡，而在這方面，中國已經走過了從科研到產業化的道路。2006年中國實現了世界首例安全通信距離超過100km；2008年中國在合肥建成首個量子電話網；2009年中通信安全距離提高到超過200km，同時在合肥建成全通型城域量子通信；2013年中國建成達到56個節點的濟南城域量子通信網絡；2016年中國建成連接北京、上海，貫穿濟南、合肥等地的量子保密通信骨干線路——京滬干線。從早期點對點通信的增強，再到規模化組網的使用，量子通信網絡在很多重要的場合里已經進行了實踐和驗證。

趙總介紹到，2018年就啟動了新一代信息基礎設施中的國家廣域量子保密通信骨干網絡建設一期工程，以量子保密通信“京滬干線”和“墨子號”量子科學實驗衛星為基礎，在京津冀、長江經濟帶等重點區域建設量子保密通信骨干網及城域網，形成量子保密通信骨干環網，其中主要包括了北京－雄安－武漢－廣州的干線，以及合肥-上海的復線建設。

在國際上，中國也在積極謀求合作，2017年9月，利用“墨子號”量子科學實驗衛星，在中國和奧地利之間首次實現距離達7600公里的洲際量子密鑰分發，并利用共享密鑰實現加密數據傳輸和視頻通信。該成果標志著“墨子號”已具備實現洲際量子保密通信的能力，為未來構建全球化量子通信網絡奠定了堅實基礎。