什么产品才是真正的量子科技

原标题：什么产品才是真正的量子科技

　　10月16日下午，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。对于什么是量子科技以及发展量子科技的意义，相关的媒体文章也多了起来。

　　量子科技毫无疑问是非常前沿的高科技领域，但我这里试图用最直白的语言告诉大家：到底什么是量子科技？

　　我们先从反面的角度认识一下什么“不是”量子科技。

　　所有卖给我们普通老百姓的，能直接在线上线下的商店中，看到的明码标价的所有前缀中有“量子”两个字的科技产品或者服务，都不是量子科技。注意：毫无例外。

　　量子科技到目前为止，还没有任何成熟的可以大规模商用的产品落地。世界上也确实存在量子科技的产品，但它们的销售对象是世界上极少数一些做科研的单位。假如你听说有个朋友的公司正在搞量子科技，嗯，那十有八九是挂羊头卖狗肉的。

　　那么，到底什么是量子科技呢？

　　先做一个基本的名词解释，在“量子科技”这个语境下所指的“量子”的意思是“能量的最小单位”，它通常是一类“基本粒子”的统称，最常指的是电子和光子。

　　就目前来说，世界上可以接近实用的量子科技有三个主要的应用方向，分别是：量子保密通信、量子计算机和量子传感器。

　　首先，我们来介绍一下量子保密通信。

　　量子保密通信是利用量子的某些特性来防止通信被窃听的技术。

　　传统的通信方式都存在被窃听的风险，这种风险在我们普通人的生活中可能并不那么可怕。但如果是在军事上，或者在某些国家级的重要部门中，是否被窃听就显得尤为重要。自古以来，为了防止通信被窃听，人类想出了无数种办法，其中最常见的办法就是通过给通信的内容加密来防范。加密的基本思想是敌人就算窃取了信息，他也看不懂。但往往“道高一尺，魔高一丈”，天下没有破不了的密码。随着量子力学的不断深入发展，科学家们找到了从理论上可以彻底杜绝通信内容被窃取的方法，这方法还不止一种。它的具体应用成果，就被称为“量子保密通信”，可以保证通信内容不会被第三方窃听。

　　在量子保密通信这个领域，我国处于世界领先地位。其中，最重要的代表就是以中国科学技术大学潘建伟教授为首的团队，他们研发的量子通信产品已经初步具备实用性了。2017年9月，潘建伟教授团队建成了世界上首条量子保密通信干线——京沪干线。他们采用的实现方法被称为“单光子秘钥分发技术”。

　　或许，我可以用一个比喻来帮助你初步理解这种技术的原理。

　　传统的电磁波通信，每一束电磁波中都包含万亿个光子，就好像你叫来一亿个快递员，让每一个快递员都从你这里拿一份同样的信息送出去。那么，窃听者在半路上拦截了几个快递员，偷看了信息，在这个过程中，发送方和接收方都是浑然不觉的，因为同样的快递员实在是太多了。而单光子秘钥分发技术就好像每次只叫一个快递员，每个快递员从我这里拿走的一份信息就是独一份，没有第二份。这样一来，如果有一个快递员中途被拦截了，那么接收方马上就会发现收到的信息是不完整的，这就等于发现了窃听者，可以立即采取行动，比如终止通信，换一种加密方式，甚至是换一条线路等等。

　　简单来说，就是我们把原来一发就是万万亿亿个光子的电磁波通信改为一次只发一个光子的单光子通信。这样一来，窃听者只要一窃听，马上就会被察觉。

　　最关键的是，窃听者不可能做到在不破坏原始信息的前提下，悄悄地复制一份信息出来。这是因为量子遵从一个基本的物理规律，叫做“量子不可克隆原理”，一个量子不可能在信息不被破坏的情况下复制出一个一模一样的自己来。

　　量子保密通信的实现方案不止我上面提到的这一种，还可以用其他技术方案来解决。比如，利用量子另外一种很神奇的特征——量子纠缠——来实现(至于到底什么是量子纠缠，要讲清楚所需篇幅太长，此处不展开)。你只需要知道，量子保密通信可以用到量子纠缠，也可以不用到量子纠缠。但不管用不用量子纠缠，量子通信都绝对没有可能做到超光速通信。超光速通信只存在于科幻小说中，不可能存在于今天的社会现实中。

　　虽然京沪干线早在3年多前就正式启用了，但目前与我们绝大多数普通人没有直接关系。它的使用，仅限于政府特定部门以及国有银行等大型企业之间的试点性质的使用。这方面能查到的公开信息目前还较少。

　　接下来，我们再讲量子科技的第二项主要应用：量子计算机。

　　量子计算机是运行原理与传统电子计算机完全不同的一种通用计算设备。

　　可能有人觉得，电子计算机和量子计算机，只相差一个字，应该是一个用电子做计算，另一个则是用量子做计算吧。其实，这个理解是错误的。电子计算机里的电子，指的并不是真正的电子，它指的是电子电路。虽然我们已经把计算机芯片的尺度缩小到了纳米级别，但这些电路依然与墙上的那些开关一样，是完全可控的。

　　而量子计算机里负责计算的原件可不是开关，那些都是真正的微观粒子。它们就像量子物理中描述的一样，没有确定的状态，我们只能用概率来解释它们的行为。

　　幼儿园小朋友算算术时，用的是掰手指头的方法来计算。掰手指头算算数，虽然又原始又缓慢，但它与太湖之光超级计算机的本质一样，都属于经典计算的范畴。虽然芯片中的每一个晶体管已经做得比病毒还要小，但这些晶体管依然是完全受控的。它们与手指头一样，都是受经典物理学定律指挥的。

　　与经典计算相对的，就是量子计算了。你可能听说过量子力学中的叠加态、测不准原理和量子纠缠这些奇怪的特性吧？量子计算机真的就是利用了量子力学的这些奇怪特性而设计出来的。

　　为了方便读者理解量子计算机与电子计算机相比，有些什么样的优势，我来打一个非常简单的比方。

　　现在有一个黑盒子，左边伸出1024根电线头，右边也伸出1024根电线头。现在我告诉你，其实只有一根电线是连通的，请问，你该如何找到这根连通的电线呢？如果使用经典计算机，我们只能一个一个地尝试。左边的1号线头和右边的1号线头试试，如果不行，就用左边的1号线头和右边的2号线头再试，直到找到答案为止。这种方法，最不幸的结果，就是可能要尝试1024×1024次，也就是大约100万次才能找到答案。

　　如果用量子计算机解决这个问题，就简单多了。只需要一次计算，量子计算机就能同时把所有的可能都考虑进去了。它可以一次性地找到那根连通的电线。你看，这次计算，量子计算机就通过量子的一些很神奇的特性，实现了100万倍的效率提升。

　　我们对量子计算机充满了期待。但是到目前为止，量子计算机离走入寻常百姓家，甚至走入一般的科研单位，都还有非常遥远的距离。

　　全世界目前最先进的量子计算机之一是谷歌公司在2020年8月28日登上顶级期刊《科学》杂志的那台量子计算机，他们成功地用12个量子比特，模拟了二氮稀这种物质的异构化反应。这是一个非常重大的成就，让量子计算机向实用型计算设备又迈进了一步。这台量子计算机最多可以操控53个量子比特。

　　在量子计算机的研发上，我国也处在世界第一梯队中。据《安徽日报》报道，潘建伟教授在 2020年9月5日西湖大学的一个公开演讲中透露：他带领的团队研发的光量子计算机仅从理论计算速度上来说，已经超过了谷歌的量子计算机，在年内可以实现操控60个量子比特。当然，评价量子计算机的优劣，不仅仅是理论上的计算速度和量子比特的数量，还有很多其他维度。但从潘教授透露出来的这一点点信息来看，至少可以证明，我国在这方面的研究进展并不输给美国。我个人非常期待早日读到潘教授团队的正式论文，能让我们了解更详细的信息。

　　但是，量子计算机总体来说还处在婴儿期，还只能解决一些纯粹为了验证计算能力而人为设计出来的问题。如果用电子计算机的发展历程来比喻的话，现在量子计算机所处的阶段，大概就相当于发明了手摇加法器的年代，连电子管计算机都还没发明出来呢。

　　最后，我们来说说量子科技的第三项主要应用：量子传感器。

　　量子传感器就是利用量子效应设计的传感装置。

　　传感器就是可以感知目标系统状态变化的设备，比如感知温度变化、感知压力变化、感知电磁场变化、感知重力变化，等等。我们的手机里有很多传感器，比如苹果第一代手机刚出来的时候，很多人对于它会自动旋转屏幕这件事情都感到非常惊叹，这就是重力传感器的功劳。今年疫情期间我乘坐飞机，有一个明显的感受。年初的时候，给旅客测温主要还是靠那种手持的测温枪，一个一个人排队测量，效率很低。但到了现在，几乎所有机场都实现了自动测温，除了戴帽子的旅客可能还能感受到测温程序的存在外，普通旅客已经感觉不到还有测温这道作业程序了。而这种效率的提升，关键就是传感器技术的提升。当然，测量体温还用不到量子传感器，因为我们对体温变化的测量精度没有那么高的要求，误差在 0.5摄氏度之内都不是大问题。但假如我们要测量几万甚至几十万分之一的温度变化，那现在传统的温度传感器就力不从心了。

　　量子态对环境变化异常敏感，这对于量子计算机来说是个很糟糕的特征，但对于传感器来说，就是一个极佳的特征了。科学家们正是利用了量子的这种超高敏感性，可以对电磁场、温度、压力、惯性等物理量进行超高精度的测量。

　　我们前面讲到的量子保密通信、量子计算机，听上去都特别的高端大气上档次，而量子传感器似乎不太起眼。但我想说，让我们普通老百姓首先能用上的量子科技，很可能就是量子传感器。据《科技日报》2020年3月份的一篇报道，美国陆军研制出了一款量子传感器，可以帮助士兵探测整个无线电频谱的通信信号。不过，到目前为止，我还没有查到任何正式投入民用的量子传感器产品，但它很有可能是第一种能真正带来商业回报的量子科技产品。假如你想在量子科技产业中投资或者创业，不妨更多地关注一下量子传感器领域。相比之下，量子计算和量子通信可能只有大玩家能参与。

　　好了，有关量子科技的基本知识，我们浅尝辄止。但愿我这篇文章，能够激发读者对量子科技的探究热情，帮助读者识破即将如潮水般涌来的量子大忽悠们。

（文章来源：澎湃新闻）