量子科技及其未来产业应用展望

　　近来，“量子科技”成为了热词。但是作为“量子科技”理论基础的量子论或者量子力学，却有了一百多年的历史。普朗克在1900年10月公布的黑体辐射（即热辐射）能量密度公式，被认为是量子论的开端。其后的物理学理论基本是以量子力学为核心的，各领域的实际应用可以说是量子力学的衍生品。

　　起源：物理学晴朗天空中的“两朵乌云”

　　就在1900年，一个新世纪的开始，物理学们心情愉悦，认为物理学的天空一片晴朗，许多重大的物理问题都有了答案，可著名物理学家开尔文勋爵则认为，物理学晴朗的天空中仍在远处飘着两朵乌云。其中的一朵乌云是，电磁波（光）的媒介还没有找不到。人们知道水波的媒介是水，找到了声波的媒介是空气或者其他可以传播声音的物质。电磁波的媒介虽然被称为以太，但却找不到它的媒介物。 另一朵乌云是，有关电磁波的能量均分定理，无法确定一定温度下各种电磁波的能量究竟是多少的问题。

　　几乎以光的速度，开尔文勋爵的“两朵乌云”被照亮了。

　　普朗克写出了热辐射中各种电磁波能量的公式，即普朗克定律。为此，普朗克假设，物质通过振动发出或吸收电磁波时，振动的能量必须是某个基本单元的整数倍。这个基本单元叫做量子（爱因斯坦叫做光量子），是频率乘以一个常数。这个常数就叫做普朗克常数。

　　5年之后的1905年，爱因斯坦在解释了光电效应的同时，还创立了相对论，并说明电磁波不需要媒介，由此第一朵乌云化作乌有。再过一年，爱因斯坦指出，光量子假说自然导致普朗克定律，第二朵乌云也随之化为乌有。

　　光电效应说明光信号可以转变为电信号。据此，发展出众多应用，如光电倍增管、光敏电阻、太阳能电池、数码相机、材料研究中的光电子能谱等。

　　直到2019年，诺贝尔物理学奖仍然与量子力学有关，宇宙大爆炸产生的热辐射，其能量完全符合普朗克定律。整个宇宙的演化都可以归结为电磁波的量子化。

　　回溯历史可以发现，早在1913年，玻尔就提出了能量量子化。1925年到1926年，海森堡、玻恩等物理学家发现原子中电子状态的改变会产生光子，并据以建立了矩阵力学；而薛定谔则提出了波动方程（又称薛定谔方程），准确描述了电子行为，清楚解释了玻尔模型，被称为波动力学。

　　随后，狄拉克定义说，矩阵力学和波动力学是等价的，只不过是量子力学的不同形式而已。狄拉克的说法，与其他物理学家进展一起，系统构建了量子力学理论。

　　特性：上帝掷的骰子？死活一体的猫？

　　量子力学最突出的或者实质性的特性，是对它描述的概率性。对此特性的最贴切比喻，就是“上帝掷骰子”。

　　由此特性，量子力学解释了化学。如元素周期表、化学反应、化学键、分子稳定性等，都可以解释为是电子和原子核在电磁力作用下的现象。

　　同样，量子力学也可以帮助人类更清晰地理解宇宙。不论是最微观的基本粒子，还是最宏观的广宇。从另一个方面说，量子力学的作用无处不在，从光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及由原子构成的具体物质。很明显，正因此量子力学就成为现代科技的理论基础。

　　其他未解之谜，比如暗物质和暗能量，目前看还要依赖量子力学给出答案。

　　与这一特性紧密相连的是极为特殊的、违反人类直觉的五个量子效应。

　　一是齐诺效应。可以形象解释量子奇诺效应的是“薛定谔的猫” 这一思想实验：当一只猫被困在放射性物质的密闭盒子中，如果物质衰变，产生的辐射就会触发探测器，释放出有毒的气体将猫杀死。那么，在打开盒子进行测量之前，猫同时处于两种状态：活与死。一种状态是衰变没有发生，猫仍活着；另一种状态是衰变已发生，猫已死亡。活与死竟是同体的，这在人类的意识中是难以言说的。但在打开盒子的一瞬间，猫的生死状态就会确定为一种——要么活、要么死。 还有一种操作，如果频繁地打开盒子，猫的生死状态会发生改变吗？以此来测量原子，就可以不断地重设原子的衰变时钟。而根据观测方式的不同，原子的衰变可以被延迟或加速，就像猫的寿命得到延长或缩短。也就是说，一个量子系统是可以通过频繁地重复测量而改变的。前者被称为量子齐诺效应，后者被称为量子反齐诺效应。奇诺效应已经得到实验证实，这就意味着不需要去测量，只需要轻晃盒子，就会出现同样的效果。

　　二是量子叠加效应。与量子奇诺效应相关联的一个重要概念是量子叠加，也就是一个物体可以同时存在两个或两个以上的状态，就如那只既死且活“薛定谔的猫”。当然，在肉眼能看到的世界中这是看不到的，但在物理实验中却是已经被证实的，如拥有两种可能的自旋状态的电子。在此基础上，物理学家还证明了被称为幽灵粒子的中微子，可在行进中同时处于两种或两种以上的状态。

　　量子纠缠只不过是量子叠加的一种特殊状态。

　　三是洪-欧-曼德尔效应。洪-欧-曼德尔效应描述的是当两个相同的光子在同时抵达一个分束器时，两个光子总是成对地出现在分束器的同一侧，永远不会单独出现在分束器的两侧。

　　分束器是一种能将光一分为二的物理实验装置。入射的光束穿过分束器和被从分束器反射回来的概率各占一半，那么，对于一个单光子而言，它应该有50%的概率出现在分束器的任何一侧。但实验得到的现象，却不是这样，而是违反正常思维的两个光子同时到达分束器时，总是出现在同一侧。这一违反直觉的效应首次由洪、欧和曼德尔在1987年用激光实验证实，并因此命名。

　　四是真空双折射效应。光学中有两个相连的现象，即偏振和双折射。双折射是指光通过某些透明晶体时的 一种特殊性质。光束通过这些晶体时的速度，由光的偏振方向以及相对于晶体结构轴的运动方向决定。这些晶体可以将入射光分成两束，且它们以不同的速度向不同的方向传播。

　　一般情况下，光线在穿过真空时是不会发生变化的，但是当光线穿过像中子星周围的强磁场时，就会改变真空中的虚拟粒子的性质，从而改变光的偏振。

　　五是量子温度效应。 在经典物理世界，热量从高向低是平滑传递的，但是在量子物理学中，在只由一层单层的碳原子构成的石墨烯中，电子所携带的热量会以波的形式传播，并出现一些部分温度不变，而另一些部分则温度上升的特殊现象，更为奇特的是这些波的大小是可控的。科学家因此可以通过热显微镜，在量子尺度上观测温度变化。那么，量子温度效应在计算、医学和环境监测等方面就可以大显身手。

　　未来应用：乱花渐欲迷人眼

　　诸多奇异的量子效应，预示着眼花缭乱的应用。

　　量子计算及未来产业应用

　　人们引以为傲的量子计算就是巧妙操纵量子叠加效应，用量子力学原理作为计算逻辑，其计算速度极大超越了经典计算的速度。

　　目前在用的计算机之所以被称为经典计算机，是因为它虽然在硬件上用到了半导体，也用到了量子力学，但是其计算逻辑并不是量子力学的。与现有的思考相比，量子力学的逻辑只能用“疯狂”来形容。简单来说，“一切过往皆为序章”，量子能够同时存在于两个地方，且能够快速前进或后退，甚至能够进行所谓的瞬间移动。这也是量子计算速度超越想象的原因所在。谷歌制造的量子计算机，据称是现有计算速度的十万倍。

　　如果说，经典计算机的0或1只能分别运行的话，而在量子计算机那里，既能分别运算0或1，又能同时运算代表0和1，这也是一种叠加效应。

　　同理，传统计算机需要数十亿年才能解决的问题，量子计算机在极短时间内就能解决了。

　　具体来说，世界第一超算Summit需要大约1万年完成的计算，量子计算机只需要3分20秒。

　　因此，有人说，量子计算将颠覆一切！

　　但就目前来说，能够成熟应用的量子计算还未出现，各先进国家也正处于努力提高量子比特（量子信息的基本单位，目前并没有确切的表述，不同研究者有不同的表述）的阶段。在产业方面，量子云被认为是量子计算最先落地的应用领域，谷歌、亚马逊、IBM、微软等巨头都已在量子云领域进行了布局。硬件方面，谷歌正在实验54量子比特芯片，IBM开发了53量子比特的计算机。我国的进展是，腾讯、华为、百度、阿里巴巴均在积极参与量子计算的开发。潘建伟院士科研团队正努力攻关高量子比特计算技术，其团队在2018年成功实现了18个量子比特的纠缠。

　　日前，中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、意大利特伦托大学的合作者开发出一种专用的量子计算机——71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器，对量子电动力学方程施温格模型进行了成功模拟，通过操控束缚在其中的超冷原子，从实验上观测到了局域规范不变量，首次使用微观量子调控手段在量子多体系统中验证了描述电荷与电场关系的高斯定理，取得了利用规模化量子计算和量子模拟方法求解复杂物理问题的重要突破。

　　科学家们在今年的达沃斯论坛上展望了量子计算的应用前景，认为量子计算将极大推进大分子开发、加密算法破译、人工智能等。

　　具体来说，一是加速新药开发。这是因为量子计算天然具备擅长模拟分子特性，计算机数字形式可以直接帮助人类获得大分子性状，极大缩短理论验证时间，加快开发COVID-19疫苗、抗癌药物等的速度。

　　二是加速破解加密算法。这是量子叠加效应最突出的特性。

　　三是加速人工智能。要实现更深层次的人工智能离不开量子计算硬件设备的成熟与完善以及量子人工智能算法的长足进步。

　　四是加速金融发展。量子计算可释放的巨大算力，将为开发新的金融服务和产品带来无限可能性。

　　量子通信及未来产业应用

　　量子通信分为量子密钥分发（QKD）和量子隐形传态两大技术。目前来看，量子隐形传态技术仍处于实验室阶段，正在进行实际应用的是量子密钥分发技术。

　　量子密钥分发是一个通信双方协商产生共享密钥的过程。发送和接收装置间通过量子信道和经过认证的经典信道相连。

　　在难度上，量子通信技术比量子计算稍低。我国在这一领域目前处于世界领先水平，“京沪干线”已建成，“墨子号”量子通信卫星已发射，并实现了全球首次洲际量子通信。

　　因为量子通信所具有的高安全性，可广泛应用于对信息安全要求很高的领域或行业，如军事国防、政务、金融、互联网云服务、电力等。从长期的趋势来看，更为安全、高效、稳定的量子互联网势必会取代传统互联网。

　　军事国防。因为军事国防对信息安全要求最高，大概率会较快实现量子通信的大规模应用，如作战区域内机动的安全军事通信网络、信息对抗能力等。

　　国家政务。政府机关单位（如公安、工商、地税、财政）可以搭建量子通信节点，保证实时语音通信、实时文本通信，及文件传输等的安全性。

　　金融。目前，金融交易的网络化、系统化、快速化和货币数字化快速推进，亟需提升金融交易的机密性、完整性、可控性、可用性、抗抵赖性和可靠性。

　　云服务。随着5G技术的推广与深入应用，大量数据和业务向云端转移，云计算数据中心对信息安全的要求显著增高。 电力。和平时期，电力系统的发、变、输、配、用等，对安全、稳定、可靠都有着很高要求。为应对战争风险，更需要提高安全级别。量子通信有望帮助电力系统实现安全稳定可靠运行。

　　量子精密测量及未来产业应用

　　据报道，2020年5月复旦大学研究团队实现了迄今含原子数（千亿个）最多的原子自旋压缩以及突破标 准量子极限的高灵敏度原子磁力计。实际上，这样的成就仅仅是量子精密测量的众多应用方向之一。

　　往前回溯到1927年。在这一年，海森堡提出了量子不确定性原理：粒子的位置与动量不可同时被确定，位置测定得越准确，动量的测定就越不准确，反之亦然。

　　虽然在量子计算、量子通信等领域，量子的不确定性被视作缺点，但在量子测量方面却成为可被利用的特点。量子的奇正相依体现得极为明显。量子体系与待测物理量相互作用，从而引发量子态的改变，得以实现对物理量进行测量。

　　与经典物理中的测量明显不同，量子测量不是独立于所观测的物理系统而单独存在的，而测量本身即是物理系统的一部分，所作的测量也会对系统的状态产生干扰，这并不妨碍量子测量的精度远超经典测量。

　　随着量子技术的进步，量子相干、量子纠缠、量子统计等特性已经实现标准量子极限的突破，使更高精度的测量变为现实。当然，量子力学测不准原理仍然在发生着限制作用，从而导致测量精度不可能无限制地提高，这个不可突破的最终极限被称为海森堡极限。

　　那么，设计一种可实际应用的并且达到海森堡极限的量子精密测量技术就成为学术界的努力方向。

　　一般来说，按照对量子特性的应用，量子测量分为三个层次，第一个层次是基于微观粒子能级测量；第二个层次是基于量子相干性测量；第三个层次是基于量子纠缠进行测量，均突破了经典理论的极限。

　　第一个层次从20世纪50年代就逐步在原子钟等领域开始应用。其应用原理是，当原子从一个“能量态”跃迁至低一级“能量态”时，便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，被定义为共振频率。在上世纪30年代，哥伦比亚大学的拉比就发明了一种被称为磁共振的技术，用于测量原子的自然共振频率。但在很长一段时间里，原子钟的实用性并不强，直到20世纪50年代才由扎卡来亚斯与美国Malden公司一起建造了商用原子钟，也就是今天用于GPS的铯原子钟的前辈。1967年，国际计量大会依据铯原子的振动，重新定义了秒。这就是量子理论在测量问题上的第一个重大贡献。 近些年随着量子态操控技术研究的不断深入，基于微观粒子能级测量的自旋量子位测量系统，利用磁场变化导致自旋量子位的能级结构变化，出现辐射改变或频谱吸收，就可以完成磁场的精确测量。利用类似原理，同样又可以实现对温度与应力的精密测量。

　　金刚石氮空位色心作为一种自旋量子位，因其可实现对多种物理量的超高灵敏度检测，得以广泛应用于磁场、加速度、角速度、温度、压力的精密测量，已显现出巨大的应用潜力。

　　目前，金刚石色心测量系统已实现芯片化，并应用于陀螺仪、磁力计、磁成像装置。如2019年麻省理工学院首次在硅芯片上制造了基于金刚石色心的量子传感器，实现了对磁场的精密测量。同年，2019年中科大首次实现基于金刚石色心的50纳米空间分辨力高精度多功能量子传感，并可用于微纳电磁场及光电子芯片检测。

　　量子测量的第二个层次是基于量子相干性的测量技术，利用量子的物质波特性，通过干涉法进行外部物理量的测量。技术相对成熟，精度较高，广泛应用于陀螺仪、重力仪、重力梯度仪等领域。遵循同一原理的超导量子干涉仪， 可用于军事、医学、地学、地球物理、空间物理等领域。

　　虽然热原子和冷原子在量子干涉仪中均可实现原子干涉，但是因为冷原子的动量更小，相干长度更长，其测量灵敏度比热原子会高很多。因此，冷原子干涉技术成为主流应用，如量子陀螺仪、量子重力仪、量子加速度计等，已得到各国重视，被用于高灵敏导航系统等。

　　早在2003年，美国国防高级研究计划局（DARPA）就制定了高精度惯性导航系统（PINS）计划，同年欧洲空间局也制定了空间中的高精度冷原子干涉测量技术（HYPER）计划。这其中的关键仪器就是量子陀螺仪。

　　量子测量的第三个层次是基于量子纠缠进行量子测量， 其技术条件最为严苛，同时也最接近量子的本质，其在理论上可以突破标准量子极限，无限接近海森堡极限，实现超高精度的测量。

　　基于此原理，可将量子卫星定位系统用于高精度量子定位导航。只是基于量子纠缠的定位系统目前仍停留在理论阶段，主要应用仍是超冷原子技术。此外，量子纠缠特性还可应用于量子目标识别领域，如雷达系统的距离分辨能力和角分辨能力有望突破经典极限。这一层次的技术目前仅停留在实验室阶段，产业化和实用化还要有待时日。

　　好消息是实验室已经实现了海森堡极限精度，实际应用已现曙光。

　　波士顿咨询（BCG）预测，到2028年，工程师们将研发出可用于低复杂程度的量子模拟问题的非通用量子计算机， 主要应用领域是制药、化学、材料科学等。而2030年之后， 量子计算机将在各类商业应用中优于经典计算机，推动量子计算加速发展。

　　除了量子计算外，量子科技的主要应用方向还包括量子通信和量子测量。同样是基于量子力学的特性，量子通信和量子测量，在信息安全和防窃听、测量精度和灵敏度方面突破经典技术的瓶颈。与尚在实验室进行研发的量子计算相比，量子通信已经进入到应用阶段，并且国内已经形成完整的量子通信产业链。

　　据前瞻产业研究院提供的数据， 我国量子通信整体市场规模在2019年为325亿元，同比增长19%。但长期来看，量子通信有望引领量子互联网的革命，出现量子物联网、量子云计算等前沿形态。

　　由于量子科技在信息安全上的重要作用和产业变革上的巨大潜力，欧美近年来都在这个领域大幅增加研发投入，并启动国家级的量子科技战略行动计划。8月26日，美国宣布将在未来5年，向人工智能和量子信息科学等领域投入10亿美元以上，扶持12个相关研究中心的发展。

　　这意味着，量子科技已然成为中美在继5G、人工智能之后的新赛道。