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中科大袁岚峰：什么是量子科技？当前都有哪些应用？ | 袁岚峰
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导读
什么是量子科技？量子科技在当前有哪些应用？中国在量子科技领域有着怎样的国际地位？
编者按：10月16日，中共中央总书记习近平在中央政治局第二十四次集体学习时强调，深刻认识推进量子科技发展重大意义，加强量子科技发展战略谋划和系统布局。会后，量子科技一词迅速成为热词，掀起一波学习浪潮。然而，什么是量子科技？量子科技在当前有哪些应用？中国在量子科技领域有着怎样的国际地位？为了给广大读者答疑释惑，新京报邀请中国科学技术大学的副研究员、科普专家袁岚峰为大家逐一科普。
近年来，你肯定看到了越来越多与“量子”有关的科技新闻。2016年8月16日，我国发射世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”，更是全球轰动。但你如果想了解量子科学，在网络上看到的又大多是各种玄而又玄、莫名其妙的说法，什么“没有人懂得量子力学”，“超时空的瞬间作用”，“上帝不掷骰子”，越看越糊涂。你不禁会嘀咕：也许这么高深的东西，本来就超出了我的理解范围？
实际上，量子科技并非无法言传，它是完全可以理解的。
一、“量子”是什么？
量子科学之所以显得神秘，首先这个名字就是一大原因。
看到“量子”这个词，许多人在“不明觉厉”之余，第一反应就是把它理解成某种粒子。但是只要是上过中学的人，都知道我们日常见到的物质是由原子组成的，原子又是由原子核与电子组成的，原子核是由质子和中子组成的。那么量子究竟是个什么鬼？难道是比原子、电子更小的粒子吗？
其实不是。量子跟原子、电子根本不能比较大小，因为它的本意是一个数学概念。正如“5”是一个数字，“3个苹果”是一个实物，你问“5”和“3个苹果”哪个大，这让人怎么回答？正确的回答只能是：它们不是同一范畴的概念，无法比较。 量子这个数学概念的意思究竟是什么呢？就是“离散变化的最小单元”。
什么叫“离散变化”？我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半个人、1/3个人。我们上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶、1/3 个台阶。这些就是“离散变化”。对于统计人数来说，一个人就是一个量子。对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化，我们就说它是“量子化”的。
二、什么是“量子力学”？
量子力学和相对论是二十世纪的两大科学革命，对人类的世界观产生了强烈的震撼。但论公众中的知名度，量子力学似乎比相对论低得多。原因可能在于，相对论主要是由爱因斯坦一个人创立的，孤胆英雄的形象易于记忆和传播，而量子力学的主要贡献者有好几位，没有一个独一无二的代言人。爱因斯坦和相对论称得上妇孺皆知，而听说过量子力学中的“薛定谔的猫”、“海森堡测不准原理”这些词的人，已经算是科学发烧友了。
描述微观世界必须用量子力学，宏观物质的性质又是由其微观结构决定的。因此，不仅研究原子、分子、激光这些微观对象时必须用量子力学，而且研究宏观物质的导电性、导热性、硬度、晶体结构、相变等性质时也必须用量子力学。
许多最基本的问题，是量子力学出现后才能回答的。例如：
为什么原子能保持稳定，例如氢原子中的电子不落到原子核上？（因为氢原子中电子的能量是量子化的，最低只能取-13.6 eV，如果落到原子核上就变成负无穷，低于这个值了。）
现代社会硕果累累的技术成就，几乎全都与量子力学有关。你打开一个电器，导电性是由量子力学解释的，电源、芯片、存储器、显示器的工作原理是基于量子力学的。走进一个房间，钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶的性质是由量子力学决定的。登上飞机、轮船、汽车，燃料的燃烧过程是由量子力学决定的。研制新的化学工艺、新材料、新药，都离不开量子力学。
三、量子信息——量子力学与信息科学的交叉学科
既然量子力学出现已经超过了一个世纪，为什么最近在媒体上变得如此火热？回答是：量子力学与信息科学的交叉学科——量子信息。
而量子信息跟经典信息相比有很大的优势。
首先是一个显而易见的优势。前面比喻过：经典比特是“开关”，只有开和关两个状态，而量子比特是“旋钮”，有无穷多个状态。旋钮的信息量显然比开关大得多。
还有一个稍微复杂一点的优势。一个包含n个经典比特的体系，总共有2ⁿ个状态。想知道一个函数在这个n比特体系上的效果，需要对这2ⁿ个状态都计算一遍，总共要2ⁿ次操作。当n很大的时候，2ⁿ是一个巨大的数字。指数增长是一种极快的增长，比n的任何多项式都快。比如说，2ⁿ比n的10000次方增长得还要快。
指数增长的威力。如图所示，指数函数虽然在最初落后，但很快势不可挡地超越了线性函数和三次方函数，而且越到后面把它们甩得越远。
但在欢呼之前，我们需要认清，这个巨大的优势并不容易利用。因为所有2ⁿ个结果是叠加在一起的，读取出来需要做测量，而一做测量就只剩下一个结果，其余的结果都被破坏了。所以我们只能把这个优势称为潜在的巨大优势，真要利用它，需要非常巧妙的算法。
这样的算法只对少数的问题能够设计出来，后面会举一些例子，如“因数分解”。有些科普文章把量子计算机描写成无所不能，快成神了，这是重大的误解。量子计算机的强大，是与问题相关的，只针对特定的问题。
四、量子信息的应用
量子信息的研究内容包括量子通信和量子计算。从这两个名字我们立刻就可以发现，量子信息还没有进入生活，因为大家都还在用经典的电脑和手机呢。具体地说，量子通信已经有了一些实际应用，量子卫星就是做相关实验的。而量子计算的发展程度要低得多，还处于演示阶段，尚未造出有实用价值的量子计算机。
量子信息究竟能用来干什么呢？下面我们来介绍量子信息的四项应用。在量子计算方面，有量子因数分解（破解最常用的密码体系）和量子搜索（用途最广泛的量子算法）。在量子通信方面，有量子隐形传态（“传送术”，最富有科幻色彩的应用）和量子密码术。在所有这些应用中，量子密码术是目前唯一接近实用的，但这一个就非常重要，足以表现量子信息的价值了。
顺便提一下，有些人迷惑光量子计算机跟量子计算机是什么关系，甚至还有人说光量子计算机不是量子计算机。实际上，量子计算机总需要用某种物理体系来实现，好比电子计算机可以用电子管实现，也可以用晶体管实现，甚至可以像《三体》中设想的那样用几千万人来实现。光量子计算机就是用光子作为量子比特的量子计算机。除了光子之外，量子计算机常用的物理体系还包括光学共振腔、离子阱、核磁共振等等。
五、中国在量子科技领域的国际地位
量子信息领域的国际竞争，大图景如下。在量子通信方面，中国领先，欧洲和美国也投入了很多努力，在跟随中国发展。在量子计算方面，欧美领先，中国也不断做出重要的成果，最近接近了并驾齐驱。如果这两个领域相比较，整体而言量子计算的重要性高于量子通信，但离实用也更远。
对于中国来说，量子密码术简直是上天送来的礼物，应该以最高的优先级发展。如《孙子兵法》所言：“先为不可胜，以待敌之可胜。不可胜在己，可胜在敌。”好比在冷战时期，美苏追求的是全球霸权，而中国追求的首先是保住自己，所以美苏的上万件核武器都不能达到目标，而中国的有限核威慑就足以达到目标。
墨子号量子卫星的发射和量子通信京沪干线的建设，标志着中国的量子通信接近了产业化。自从人类进入近代社会以来，这是第一次由中国创造一个新的产业。我们在许多产业做到了世界第一，例如高铁、电信、超算，固然都很了不起，但这些产业都是别人开创的，我们是在别人的框架里后来居上。只有量子通信，在国际上是没有先例的。这个中国首创的产业是一座里程碑，历史意义十分重大。
同时，我们要认识到，创新不只是科技人员的事，全社会民众都应该参与进来，建立推崇创新、奋发有为的文化。
整理/新京报编辑 陈莉校对 王心
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背景简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。文章2020年10月19日发表于新京报（https://m.bjnews.com.cn/detail/160307162915526.html）。 责任编辑：孙远