10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習。習近平總書記強調，量子科技發展具有重大科學意義和戰略價值，是一項對傳統技術體系產生衝擊、進行重構的重大顛覆性技術創新，將引領新一輪科技革命和產業變革方向。目前業界所指的量子科技範疇，主要包括量子通信、量子計算和量子測量三大領域。國家“十三五”規劃綱要在支持戰略性新興產業發展中，明確將量子通信作為重要發展方向。當前，我國正站在步入“十四五”規劃的門框外，人類也即將迎來一個全新的量子時代。面向未來，中國當以更大的改革勇氣激發更多的創新活力，堅定信心、埋頭苦幹，突破關鍵核心技術，不僅要讓量子科技在我國經濟社會發展大局中煥發生機，而且還要使其真正給全人類帶來福祉，以大國擔當推動人類命運共同體一同進步。
文 | 北京 李誠榮
量子計算實驗室科研人員進行激光穩頻試驗（圖：中新社）
10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習。習近平總書記強調，量子科技發展具有重大科學意義和戰略價值，是一項對傳統技術體系產生衝擊、進行重構的重大顛覆性技術創新，將引領新一輪科技革命和產業變革方向。
誠如習近平總書記所言，當今世界正經歷百年未有之大變局，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。作為物質不可再分的基本單元，量子將帶領人類探索和創造一個全新的未知世界。
百年量子理論加速人類現代文明進程
•根據量子力學理論，物質在微觀尺度上可以同時存在多種狀態和多個位置的“疊加”。
•更奇妙的是兩個量子還會產生“糾纏”的反應，就像雙胞胎擁有心靈感應一樣，無論相隔多遠，當一個量子的狀態發生變化，另一個量子也會超“瞬間”發生變化。
什麼是量子？量子（quantum）是現代物理的重要概念，代表著一個物理量最小的不可分割的基本單位。當把一個物理量一份份地往下分，分到無法再分的小塊就是量子。如光子是光的量子，其實分子、原子、電子等都是量子的不同表現形式。又比如我們點人數，最少只能點1個人；上台階，只能一個一個台階上，而不能上1/2個台階。當某個物理量如果不能連續變化，只能取一些分立的值時，那它就是量子化的。
1900年，德國物理學家馬克斯．普朗克提出了量子理論，於是開啟了人類探索微觀物質世界運動規律的“新物理革命”。此後，包括愛因斯坦、玻爾、海森堡、薛定諤等許多科學家皆為之著迷，量子理論遂與相對論一起發展成為現代物理學的兩大支柱。
在我們已認知的宏觀世界裡，任何物體在某一時刻都有確定的狀態和位置，都可以通過牛頓經典力學進行精確測算。但在微觀量子世界裡，卻有著截然不同的神奇的物理規律。
量子世界的“疊加態”。根據量子力學理論，物質在微觀尺度上可以同時存在多種狀態和多個位置的“疊加”，其中最經典的理論莫過於“薛定諤的貓”。
1935年，奧地利物理學家薛定諤提出了一個有關貓生死疊加的著名思想實驗，他把微觀領域的量子行為擴展到宏觀世界進行了推演——當把一隻貓關進裝有少量鐳和氰化物的箱子裡，如果鐳發生衰變，就會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；反之，貓就存活。在宏觀世界中，貓要麼是活的，要麼是死的。但在量子世界中，貓可能活著也可能死了，也可能既活著又死了；總之可以處於不同狀態，各種狀態還可以並存。
量子世界的“糾纏態”。一個量子可以“疊加”多種狀態已經非常奇妙了，更奇妙的是兩個量子還會產生“糾纏”的反應，就像雙胞胎擁有心靈感應一樣，無論相隔多遠，當一個量子的狀態發生變化，另一個量子也會超“瞬間”發生變化。對於這種詭異的糾纏現象，愛因斯坦在當時也難以作出解釋，把它形容成“鬼魅般的超距作用”。
美國物理學家、諾貝爾獎獲得者穆雷．蓋爾曼曾這樣點評道：“量子力學是一個神秘的、令人捉摸不透的學科，我們誰都談不上真正理解，只是知道怎樣去運用它。”
量子力學的建立，搭建起了整個微觀物理學的理論框架，並繼而幫助人類解釋化學、研究材料特性、為信息革命提供硬件基礎、探索天文現象、理解廣袤而深邃的宇宙。在此基礎上，經過全球幾代科學家百年來的孜孜以求、開疆拓土，使得第一次量子革命在上世紀爆發，並催生了豐富的技術和應用。
核能、激光、半導體等科技得以問世，並衍生研製出了原子彈、計算機、磁盤、全球衛星定位系統、電子顯微鏡、互聯網、智能手機等重大應用。自此，世界的面貌因之變幻，人類的現代文明進程隨之加速向前。
從三大領域搶佔量子科技戰略高地
•目前業界所指的量子科技範疇，主要包括量子通信、量子計算和量子測量三大領域。這三大領域也是未來搶佔量子科技戰略高地的切入口，可以在提升信息安全保障能力、運算處理速度、測量精度和靈敏度等方面帶來重大顛覆性的技術突破。
•在量子通信領域，中國已處於國際領先地位並在近年來取得了多項突破性進展。
•在量子計算領域，中國整體上與發達國家處於同一水平線。
•相比發達國家，中國當前在量子精密測量領域整體上還有一定的差距，需要進一步集思廣益、奮力追趕。
近年來，量子科技發展突飛猛進，已經成為新一輪科技革命和產業變革的前沿領域。習近平總書記指出，要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局，把握大趨勢，下好先手棋。
何為“大趨勢”？怎麼下好“先手棋”？
在量子理論誕生120周年之際，人類已然見證過第一次量子革命強大的變革力。而如今，第二次量子革命正在以更加洶湧的姿態席捲數字信息社會，是為“大趨勢”也。
有別於第一次量子革命時期，人類只是被動地借助量子理論去進行觀測和應用，新一輪潮湧之下，人類需要更加主動地去利用量子特性開發創新科技應用。尤其對中國而言，我們要從上世紀的“看客”變成當下和未來推動量子科技進步的參與者、創新者乃至領導者。“於變局中開新局”，這就需要中國積極作為、實力擔當，方能“下好先手棋”。
目前業界所指的量子科技範疇，主要包括量子通信、量子計算和量子測量三大領域。這三大領域也是未來搶佔量子科技戰略高地的切入口，可以在提升信息安全保障能力、運算處理速度、測量精度和靈敏度等方面帶來重大顛覆性的技術突破。
量子通信，是基於量子力學的“疊加”和“糾纏”原理來進行信息或密鑰傳輸，從而在理論上可以做到通信的絕對保密安全。在量子通信領域，中國已處於國際領先地位並在近年來取得了多項突破性進展。
在西藏阿里觀測站，“墨子號”量子科學實驗衛星過境，科研人員在做實驗。這是2016 年12 月10 日拍攝的合成照片（圖：新華社）
2016年8月，中國發射了自主研製的世界上首顆空間量子科學實驗衛星“墨子號”，為通過太空“量子傳密”提供了可能。2017年，世界首個遠距離量子保密通信骨幹網“京滬幹線”正式建成開通。這兩項成果構建了首個天地一體化的量子通信網絡雛形，標誌著中國量子通信接近產業化。目前，國家廣域量子保密通信骨幹網正在建設，各地城域網也在規劃建設之中。
今年以來，中國量子通信的基礎研究更是捷報頻傳。3月，中國實現了500公里級真實環境光纖的雙場量子密鑰分發和相位匹配量子密鑰分發，傳輸距離達到509公里，創造了新的世界紀錄。6月，中國在國際上首次實現了千公里級基於糾纏的量子密鑰分發，為量子通信走向現實應用奠定了重要基礎。9月，中國科學家聯合奧地利團隊首次實現了高保真度的32維量子糾纏態，顯著提高了量子通信的信道容量，創造了當前世界最高水平。
量子計算，可以令人類的運算能力實現指數級增長。因為傳統計算機的運算單位比特只有0和1兩種狀態，而量子計算機由於量子“疊加態”的存在，1個量子比特可同時記錄0和1兩個狀態。所以當計算機操縱的量子數目增多時，就會以指數級增長提升運算速度，解決傳統計算機在合理時間範圍內無法解決的複雜難題。比如去年10月，谷歌發表論文稱，已成功演示讓量子系統花費約200秒完成傳統超級計算機要1萬年才能完成的任務。
2017 年5 月，世界首台超越早期經典計算機的光量子計算機在中國誕生。圖為研究人員在討論光量子計算機的運行情況（圖：金立旺 攝）
在量子計算領域，中國整體上與發達國家處於同一水平線。通過科學家的不懈追求，中國在量子計算方面也取得了一些階段性成果。
2017年5月，世界首台超越早期經典計算機的光量子計算機在我國誕生。2019年底，中國與德國、荷蘭科學家合作，在國際上首次實現了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，在四大關鍵指標上均大幅刷新國際紀錄，逼近實現量子計算研究的重要目標“量子霸權”。今年9月，中國企業自主研發的6比特超導量子計算雲平台正式上線，全球用戶可以在線體驗來自中國的量子計算服務。此外，百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業也相繼出台了量子計算研究計劃。
雖然量子計算距離大規模普及還有很長的路要走，但它的誕生已經為我們勾勒出了廣闊的應用藍圖。量子計算可為當前大規模計算提供全新方案，從而進一步延伸至指導科學的城市交通規劃、實現高精度的天氣預報、提高農作物產量、促進新藥研發等等。
2019 年12 月23 日，中國國家博物館舉行捐贈儀式，接受清華大學副校長薛其坤院士捐贈的8 件量子反常霍爾效應關鍵科學儀器。圖為分子束外延蒸發源爐（圖：中新社）
圖為量子反常霍爾效應測量用的低溫樣品架和樣品（圖：新華社）。2012 年底，薛其坤團隊在世界範圍內從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。這項成果獲得了2018年度“國家科學技術獎”
量子測量，能夠使信息精度越來越精確。傳統測量技術最小只能探測到微米量級，而量子測量可以進一步精細千倍、萬倍達到原子量級。這將使得量子精密測量和傳感技術在未來數字時代和萬物互聯時代能夠開展更廣泛的應用，有望在科研、醫療、能源、災害預防等領域大顯身手。相比發達國家，中國當前在量子精密測量領域整體上還有一定的差距，需要進一步集思廣益、奮力追趕。
全球聚力量子競爭之激烈不容小覷
•縱觀世界大勢，歐美等發達國家的政府、科研機構和產業資本也對攻克量子技術形成了廣泛共識與合力，正在對中國取得的局部領先優勢發起強烈衝擊，競爭之激烈不容小覷。
•總體上我國在量子科技領域已經具備了一定的領先科技實力和創新能力，但仍然存在不少短板，面臨多重挑戰，對此，習近平總書記多層次、全方位地深刻指出，要加強頂層設計和前瞻布局、要健全政策支持體系、要加快基礎研究突破和關鍵核心技術攻關、要培養造就高水平人才隊伍、要促進產學研協同創新。
“安排這次集體學習，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。”習近平總書記在會上指出。這充分說明了黨中央對量子科技的高度重視以及在該領域上的宏大視野和戰略眼光。
所謂知己知彼、百戰不殆。經過20多年的發展，儘管我國在量子科技領域的國際陣列中率先拿下了多地，但是縱觀世界大勢，歐美等發達國家的政府、科研機構和產業資本也對攻克量子技術形成了廣泛共識與合力，正在對中國取得的局部領先優勢發起強烈衝擊，競爭之激烈不容小覷。
一方面，世界主要科技強國均出台了國家層面的量子信息技術戰略計劃。
美國近10年來，已通過“量子信息科學和技術發展規劃”等項目，以每年約2億美元的投入力度，持續支持量子信息各領域研究。2018年底，美國頒布了《國家量子倡議法案》，宣稱絕不能容忍在量子科技領域落後。今年7月，美國能源部發布量子互聯網發展戰略藍圖，提出要確保美國處於全球量子競賽的前列，引領通信新時代。10月，美國白宮量子協調辦公室發布《國家量子信息科學戰略投入的量子前沿報告》，表示美國將在量子信息科學領域保持領導地位，作為確保美國長期經濟繁榮和國家安全的關鍵優先事項。
2016年，歐盟推出“量子宣言”旗艦計劃，在未來10年投資10億歐元，支持量子計算、通信、模擬和傳感四大領域的研究和應用推廣，並在2018年正式啟動首批20個研究項目。
亞洲國家日本同樣不甘落後，在2013年成立量子信息和通信研究促進會以及量子科學技術研究開發機構，計劃未來十年內投資400億日元，支持量子通信和量子信息領域的研發。
另一方面，谷歌、微軟、IBM、英特爾等一些全球科技巨頭企業也在大舉進軍量子科技領域。除了自主研發外，他們還與耶魯大學、麻省理工學院等科研機構聯合攻關共性技術，且已取得了多項創新成果。
再觀國內，雖然總體上我國在量子科技領域已經形成了具有相當體量和布局較為全面的研究隊伍，且具備了一定的領先科技實力和創新能力，但是也要看到，我國量子科技發展仍然存在不少短板，面臨多重挑戰，具體包括核心元器件自主研製不足、人才培養匱乏、合作機制不夠完善、社會資本投入“雷聲大、雨點小”等問題。
對此，習近平總書記多層次、全方位地深刻指出，要加強頂層設計和前瞻布局、要健全政策支持體系、要加快基礎研究突破和關鍵核心技術攻關、要培養造就高水平人才隊伍、要促進產學研協同創新。
習近平總書記的講話，不僅指出了當前中國量子科技發展的“痛點”，更開出了“藥方”。
國家“十三五”規劃綱要在支持戰略性新興產業發展中，明確將量子通信作為重要發展方向。當前，我國正站在步入“十四五”規劃的門框外，人類也即將迎來一個全新的量子時代。面向未來，中國當以更大的改革勇氣激發更多的創新活力，堅定信心、埋頭苦幹，突破關鍵核心技術，不僅要讓量子科技在我國經濟社會發展大局中煥發生機，而且還要使其真正給全人類帶來福祉，以大國擔當推動人類命運共同體一同進步。
（作者係中國科學院副研究員）
本文發表於《紫荊》雜誌2020年11月號
編輯：哈元源、莫潔瑩
