“九章二号”144模式干涉仪（部份）实验相片中国科学技术学院供图
量子三大领域——量子估算、量子通讯、量子精密检测，中国全部位列第一梯队
中国量子研究突飞猛进的背后，是中国的“科研黄金时代”和“集中力量办大事”的体制优势
“量子科技到如今，还没有让老百姓可以用的产品，短时间内也做不到”
量子科技是事关人类未来的关键核心技术领域，急切须要更多兼顾智慧和勇气的年青人独闯科研无人区和产业无人区
文|《瞭望》新闻周刊记者徐海涛魏雨虹陈诺周畅
中国成功研发“九章二号”“祖冲之二号”量子估算截击机，日本IBM公司宣布实现“全球最大”的量子估算处理器，美国宣布将拨款145亿美元推动研究量子保密通讯……近期，量子科技发展突飞猛进，多个国家在这条关乎人类未来的科技赛道上奋力争先。
121年前，当马克斯·普朗克提出“量子”概念时，即便再大胆的人也无法想像，这将给世界带来多大的改变——核能、激光、计算机、手机等都与此相关。
而今，“第二次量子革命”已经开幕，它将带给我们一个哪些样的未来？在世界量子科技大潮中，中国处于哪些方位？推动实现高水平科技自立自强的中国，将给全球量子科技发展做出什么新的贡献？
人们期盼：当对量子微观世界的认知更加深邃，宏观世界也将愈加美好。
进军第一阵营
“求解特定物理问题，比最快超算快亿亿亿倍！”今年10月，这条来自中国量子科技新突破的消息，在全球科技界造成重大反响。
“这是令人兴奋的实验杰作。”量子化学学家、加拿大卡尔加里学院院长巴里·桑德斯说。
国际权威学术刊物《物理评论快报》刊发相关论文，标志着中国研发的“九章二号”“祖冲之二号”量子估算靶机获得国际学术界认可。我国由此成为全球惟一在光量子和超导两条技术路线上实现“量子优越性”的国家。
“量子优越性”像个门槛，是指当新生的量子估算靶机，在某个问题上的估算能力超过最强的传统计算机，就证明其未来有多方赶超的可能。
多年来，国际学界高度关注、期待这个里程碑式转折点的到来。
2019年9月，新加坡微软公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个物理算法的估算只需200秒，当时世界最快的超级计算机“顶峰”需2天，日本率先实现了“量子优越性”。
一年以后，中国成功研发76个光子的量子估算靶机“九章”，求解物理算法高斯玻色采样只需200秒，当时世界最快的超级计算机要用6亿年。这使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。
去年10月，“九章二号”求解高斯玻色采样比目前世界最快的超级计算机快10的24次方倍（亿亿亿倍）；“祖冲之二号”的估算复杂度，比微软推出的“悬铃木”提高100万倍。我国的“量子优越性”引人注目。
“以前中国的量子通讯世界领先，如今可以说，我们的量子估算也步入世界第一方阵。”“九章二号”“祖冲之二号”由中国科学技术学院潘建伟教授团队牵头研发，团队成员、“九章二号”项目负责人陆朝阳说。
量子科技主要分为量子估算、量子通讯、量子精密检测三大领域。
近些年，随着“墨子号”量子卫星发射，中国实现量子通讯研究的领跑。去年，中国建成全球首个星地量子通讯网，创造500公里的现场光纤量子通讯世界纪录，进一步巩固优势。
在量子精密检测领域，中国科研水平和技术应用与欧澳洲家旗鼓相当、各具优势。近些年，我国实现海森堡极限精度的单光子克尔效应检测、200公里单光子三维成像、在温度水碱液环境中侦测到单个DNA分子的磁共振谱等重大成果，并在金钢石NV色心技术路线上研制出量子砖石单载流子谱仪、量子砖石原子力显微镜等“人无我有”的创新产品。
中国信息通讯研究院发布的《量子信息技术发展与应用研究报告（2020年）》统计显示，从2000年到2019年，全球量子信息三大领域科研论文发文量持续上升，日本科研机构和企业的论文数目超过12000篇，位列各国第一，中国紧跟其后超过9000篇，美国、日本、英国分列第三到第五位。其中在量子通讯、量子估算、量子精密检测三个领域，中国的论文发表量分列第一位、第二位、第二位。
“量子三大领域，我们如今全方位都在第一梯队。原先量子估算相对落后，如今逐步赶上来了。”中国科大学教授、中科院量子信息重点实验室处长郭光灿说。
“当前，实现量子信息技术的规模化应用，成为多国角逐的目标。”中国科大学教授潘建伟说，在党和国家高度注重下，我国量子科技实现了从跟跑、并挪到部份领跑的历史飞越。
2016年12月9日，“墨子号”量子科学实验卫星与阿里量子隐型传态实验平台构建天地链路（合成相片）金立旺摄/本刊
“科研黄金时代”
在量子理论滥觞的1900年，当时的中国积弱已久只能做个看客。百余年后的明天，中国量子科技何以崛起？
变革开放后国外最早开始量子信息研究的郭光灿，至今还记得1980年到英国伦敦学院留学时的发觉：美国对量子光学的研究源于20世纪60年代，国外相关研究近乎空白。面对落后20年的差别，他和一群在日本、美国留学的中国中学生相约，谁先归国谁就组织队伍，把量子光学这一摊挑上去。
1984年，归国后的郭光灿主持举办全省第一个量子光学学术大会。随后，他开办国外第一门量子光学课程和第一个量子信息实验室，并于2001年获得我国首个量子信息技术“973”项目，聚拢起全省十多个科研单位50余名学者组成团队。
1996年，时年26岁的中科大结业生潘建伟，奔赴量子热学的诞生地德国攻读博士学位。
在量子化学学大师塞林格院士的科研小组里，潘建伟很快崭露头角。1997年，以他为第二作者的论文“实验量子隐型传态”，被日本《科学》杂志评为年度全球十大科技进展。
但成为国际一流学者并不是潘建伟梦想的全部。潘建伟追忆说，当导师塞林格问“潘，你的梦想是哪些？”时，他答道：“我的梦想是，在中国建一个和这儿一样的世界一流的量子光学实验室。”
多年以后，潘建伟这样向记者解释他内心深处的看法：“近代科学没能在中国诞生，中国人能不能赶上科学前沿、引领重大创新？”
在潘建伟看来，中国科技工作者都憋着一股劲，希望通过努力证明，除了在美国可以做得好，在国外也能作出优秀成果。
2016年8月，以中国先辈“墨子”为名，世界首颗量子科学实验卫星在兰州卫星发射中心成功升空。以“墨子号”为平台，中国实现“千里纠缠、星地传密、隐形传态”三个国际量子科研重大突破。
随后，量子反常霍尔效应的实验发觉、“九章”、全球首个星地量子通讯网、“祖冲之号”“九章二号”“祖冲之二号”……中国量子科技喜讯频传。
潘建伟把量子研究的突飞猛进归功于中国的“科研黄金时代”和“集中力量办大事”的体制优势。
他以“墨子号”卫星为例说，卫星的每一个部件，都汇聚了中科院武汉技术化学研究所、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等各个科研机构的心血。“不同机构纷纷给我们提供所需的基础器件，让我们的创新看法有了挺好的工程基础。我在美国的一些同行，也曾有过类似的科学构想，但没有国家像我国这样竭力支持。”潘建伟说。
“第二次量子革命的鼓声已叩响”
全世界奋勇筹谋“量子优越性”，在于它是一个变“量”——量子叠加、量子纠缠、量子不可克隆等神奇而诱人的特点，使量子技术具有极大应用前景和宽广想像空间。
“量子热学是一个神秘的、令人飘忽不透的学科。我们谁都谈不上真正理解，只是晓得如何去运用它。”诺贝尔奖获得者、美国化学学家穆雷·盖尔曼曾这样说。
“量子理论的出现，在上世纪引起第一次量子革命，催生了现代信息技术。”潘建伟介绍，基于量子理论，核能、激光、半导体等科技得以问世，因而发展出计算机、互联网、手机等重大应用。
步入21世纪，量子领域的新发觉、新理论、新技术密集涌现，喻示着第二次量子革命已步入起跑期、加速期。《自然》杂志评论觉得：“第二次量子革命的鼓声已叩响！”
“第一次量子革命，人们只问量子理论能让我们做哪些，不去问为何，是被动的观测与应用。”郭光灿说，第二次量子革命则是主动借助量子特点，开发出量子通讯、量子估算和量子精密检测等创新应用。
简单来说，这种应用的革命性在于——量子估算可以令人类的运算能力实现指数级下降，量子通讯可以在理论上做到通讯的绝对保密，量子精密检测可以将侦测精度从微米级提高至“原子级”。
其实，量子科技转化为现实生产力的时间表各有不同。
中科大院士、“祖冲之二号”项目具体负责人朱晓波说：“国际量子学界主流观点觉得，研发出有实用价值的容错型通用量子计算机，大概还须要10年到15年。”
据了解，量子估算包括超导、光量子、离子阱、半导体、拓扑等多条技术路线，目前微软、IBM、英特尔、微软、亚马逊、霍尼韦尔等国际科技企业纷纷抢滩，国外的中国科学技术学院、浙江学院、清华学院、南方科技学院等院校以及腾讯、华为、阿里巴巴等企业也已布局研制。
业界普遍觉得，量子计算机的发展将经历三个阶段：
第一阶段，研发50个到100个量子比特的专用量子计算机，实现“量子优越性”里程碑式突破。
第二阶段，研发可操纵数百个量子比特的量子模拟机，解决一些超级计算机难以胜任、具有重大实用价值的问题。诸如量子物理、新材料设计、优化算法等。
第三阶段，急剧增强量子比特的操纵精度、集成数目和容错能力，研发可编程的通用量子计算机。
“包括‘九章二号’和‘祖冲之二号’，世界上目前所有的量子计算机研究都还在第一阶段。”朱晓波说，学界豁达的观点觉得，5年左右会有局部应用落地。
对于第三阶段的可编程的通用量子计算机，学者们预测，其可用于密码破译、气象预报、金融剖析、药物研制、矿产钻探等多个方面。影响更为深远的是，量子计算机的强悍算力将有助于人类认识数学、化学等领域重大基础科学问题，并与人工智能等科技形成“乘法效应”，加速形成“裂变反应”。
腾讯量子实验室负责人张胜誉告诉记者，她们近日在量子比特的初始化、量子编译和体系结构、大图算法设计等方面取得进展，并在抗生素研制、材料仿真等产业应用方面积极探求。
在量子通讯领域，全球正处在网路建设和应用探求齐头并进的阶段。
高约1米、重不足百公斤，深沉的镜头凝望天空……这是近日由交大国盾量子技术股份有限公司推出的全球首款大型化可联通量子卫星地面站。
“这种地面站重量轻、可联通，12小时内能安装好，边疆、海岛等边远地区用它与‘墨子号’卫星对接，可以方便地使用量子保密通讯。”科大国盾公司量子项目经理周雷介绍，她们的另一款新应用是商用量子秘钥分发器，每秒可形成上千个秘钥，目标是让“光纤可达”的地方都能用上量子通讯。
此外，目前国际量子通讯的研制方向聚焦于通讯距离、核心部件、小型化、新合同等方面，在政务、能源、金融等领域的新应用不断出现，行业标准、测评规范等逐渐建立。中国处于全球科研、应用前列，在国际联通联盟和国际标准化组织牵头编制量子通讯标准。
与量子估算、量子通讯相比，量子精密检测变得更为神秘，但业界普遍觉得，量子精密检测将是量子科技中最早实现应用和产业化的领域。
“量子检测的精度可以达到原子量级。”国仪量子（南京）技术有限公司（下称国仪量子）是国外最早创立的以量子精密检测技术为核心的创新企业，该公司总工裁张伟介绍，传统检测技术最小只能侦测到微米量级，量子技术可以精细千倍、万倍到纳米、亚纳米量级，为精密仪器行业带来革命性的技术进步。例如将量子精密检测用于生命科学领域，可精确剖析血液中极微量物质浓度。
“量子精密检测如今开始迈向各行各业、万家灯火。”国仪量子监事长贺羽说，量子精密检测在石油钻探、生命科学、先进材料及能源电力等领域已实现示范应用。
未来，量子精密检测将可能应用于超导材料表面特点及结构表征、医疗领域的心脑磁检测、临床前研究的微量物质组分剖析、生命科学的病变细胞成像以及导航的地磁场检测等多个领域，为仪器行业带来改革式机遇。
量子沪宁干线总控中心中国科学技术学院供图
技术、产业和人才三大挑战
“第二次量子革命”为世界各国开辟出一条新的科技赛道。
去年1月，南非宣布启动量子技术国家战略，计划5年投资18亿美元，使美国跨入量子领域“世界前三”。
5月，美国宣布拨款近20亿美元，使英国在量子大赛中“跟上步伐”。
11月下旬，英国宣布投资1亿美元带动量子研究商业化。
同年底，美国宣布拨款145亿美元，将加强量子保密通讯研究，推动经济和军事安全。
在全球你追我赶的量子发展态势下，业内人士觉得，我国当前起码面临技术、产业和人才三大挑战。
先看技术挑战。作为探究微观世界的科学，量子科技研究难度极大。中科院教授王建宇比喻说，实现量子卫星“天地实验”，“相当于人在万米高空，把硬币掉入地面的一个储钱罐”。
在中科院量子信息重点实验室副组长郭国平看来，研发量子计算机，如同“用原子垒起一座金字塔”。
“量子估算对环境的要求非常高。除了要超高温，还要‘超洁净’。非常微弱的噪音、光线、磁场和微小颗粒就会搅乱讯号，整个系统十分复杂、困难。”合肥本源量子估算科技有限责任公司轮值监事长孔伟成说。
朱晓波说，当前研发量子计算机的一大技术挑战是提升操纵量子比特的精度，提升运算正确率。“例如虽然单次门运算精度达到99%，70次运算出来，正确率就升高到50%以下。”
再看产业挑战。多位专家表示，当前量子科技的发展正处于从科研到应用的过渡阶段，要推动加快到产业化阶段，须要产生“科研机构+企业+用户”的产业生态。
交大国盾量子技术股份有限公司总裁应勇说，在量子通讯领域，行业最大的困难是使用规模不大，相对于研制，在产品推广上会有滞后期。同时，量子通讯须要用户使用习惯的切换中国国盾量子通讯，且整修信息系统的成本代价和工作量十分大，影响了量子通讯技术的应用。
“科研机构研制的量子科技产品，须要更多的企业和用户试用。只有在应用中发觉问题、创造应用场景并及时反馈给研制端，产业能够迭代发展。”郭光灿说。
最后，人才供应不足被觉得是阻碍量子科技发展的重要诱因。
IBM负责量子战略和生态的总工裁罗伯特·苏托尔曾表示，目前全球量子人才普遍匮乏，企业须要与院校更紧密合作，从高等教育阶段开始培养相关人才。诸如量子估算方面，急需数学方面人才进行相关硬件研制，同时也须要物理和计算机领域人才。
“我们目前最大的困难是缺人才！”贺羽说，除了量子理论人才，还须要仪器工程师、光学工程师、微波工程师、算法工程师等。
“蹭概念”“过度拔高”和“学术指责”
挑战之余，量子科技日渐扩大的影响力，也招来一些“蹭概念”型产品，以及不专业的“学术指责”与博眼珠的夸大评析。
“量子能量波与人体生物电和谐共振，深层滋润细腻肤质”“利用量子纠缠原理让庄稼多吸肥，蚜虫不能孵卵”“量子的波粒二象性就是阴和阳，科学地解释了风水”……记者发觉，近一年来，国外冒出2000多家各种“量子企业”中国国盾量子通讯，将量子热学原理与化装品、农业、食品、服装、汽车等传统产业“嫁接”。
专家觉得，这种企业并非量子科技的产业化，而是蹭热点的“伪创新”。“量子科技到现今，还没有让老百姓可以用的产品，短时间内也做不到，不可能很快就达到能步入千家万户的水平。”郭光灿说。
专家表示，识别一件商品究竟有没有用到量子科技，要看它有没有用到量子的相干性、叠加性等特点，假如没有用到就是在“蹭概念”。更直白来说，现阶段量子科技还没有应用到大众生活。
与此同时，量子科技在舆论场上也呈现“冰火两重天”的两极评价，既有“量子计算机正式淘汰电子计算机”“量子通讯超光速，爱因斯坦都震惊”这样的过度拔高，也有“量子估算欺世盗名”“量子通讯是没用的骗子”这样的彻底否定，给公众带来困扰和思想上的混乱。
“为了防止被过度剖析，我们发布信息时已采取更中性叙述。诸如用‘量子优越性’替代‘量子霸权’，用‘量子估算靶机’的尊称指出还处于实验研究阶段，离实用有很大距离。”潘建伟教授团队一位学者告诉记者，但在信息传播中，仍然被一些媒体和个人公众号“添油加醋”。
“量子计算机一定是未来的重要方向，但它是拿来解决电子计算机无法解决的特定问题，并不是在所有问题上都能起到加速作用，它和电子计算机是互补而不是取代关系。”清华学院姚期智讲堂院长段路明等多位专家表示，量子科技须要客观理智的认知。
“量子科技如同是一个小孩，未来有无限可能，但如今还不够健壮，更不能‘包治百病’。”贺羽说。
“甄别对量子科技的指责，最基本的判据，就是看它有没有在同行审稿的科学刊物上发表论文。”中科院科学传播研究中心副院长袁岚峰说，我国量子科技专家有许多论文发表在国际顶尖刊物上，而反对量子科技的文章全都是网路文章，没有一篇在学术刊物发表，缘由就是这种文章在科学上存在错误，审稿通不过。
多位学者剖析，近些年国外指责量子的声音越来越多，缘由之一是量子理论晦涩难懂，量子纠缠、量子叠加等特点又偏颇于日常体验，容易让人怀疑。从更深层次来讲，量子科技暂时还未发展到大众应用阶段，出现指责可以理解为一种关心、急切和担心情绪。
未来不可限“量”
量午时代早已扑面而至。推动发展量子科技亟待产生合力、协同攻关。
“在‘第二次量子革命’中推动热潮，不能做‘游击队’，一定要组织‘集团军’。”郭光灿说，量子计算机产业涉及硬件、软件、标准、工程技术、用户习惯等方方面面，须要政府支持、科研机构、企业合作乃至社会大众的关注。
据了解，当前的新动向是，一些国家正在成立跨国技术联盟，合力推动量子科技发展。去年6月举行的G7大会上，法国、英国、日本、加拿大、意大利等7国宣布联合开发一个基于卫星的量子加密网路——“联邦量子系统”（FQS），将统筹资源和资金推动共同研究，计划于2023年发射第一颗FQS卫星。
同时国际上也已产生多个量子科技产业联盟，例如IBM的“”已有来自院校、实验室及民航、汽车、银行和金融等多个行业的100多个成员，共同推动量子估算的发展和应用。
“量子科技从实验室到市场应用场景，须要大量企业配合。目前国外的本源量子等企业也成立了产业联盟，我们希望能进一步发展壮大。”郭国平说。
应勇觉得，国外应推动产生“量子+”产业生态。“比如在量子通讯行业，网越密、价值越大，推动更多的应用开发和用户群体”。
据了解，近些年国外南京、济南、武汉等城市初步建成量子通讯网，近日由南京市政府、中国联通公司和国盾量子等合作的新一代“合肥量子城域网”已启动建设，包含8个核心网站点和159个接入网站点，网路光纤全长1067公里，将接入政务、金融、医疗等多个行业。
作为重大颠覆性创新，量子科技发展的关键是人才。
日本相关政府机构呼吁将量子信息科学课程加入从幼儿园到小学的教育体系，耶鲁学院新增量子科学与工程学位。在中国，去年中科大获准新筹建量子信息科学专科专业和量子科学与技术博士学位点。
多位学者建议支持鼓励更多院校开办量子科技专业，培养更多的化学、数学、信息、仪器、材料等学科交叉的量子人才。段路明介绍，目前复旦学院筹建了量子信息大专生班，用交叉学科培养方法，让中学生产生从基础到应用的知识构架。“中国量子科技的发展特别快，应当进一步扩大培养规模，为科研和企业提供足够多的人才”。
中国信息通讯研究院预测，未来5年左右，量子估算将可能出现基于含噪音中等规模量子处理器，结合云平台探求具备实用化价值的应用算例；量子通讯将聚焦量子信息网路关键技术和使能组件进行攻关，举办组网原型实验并逐渐加快建立标准体系，持续探求量子保密通讯商用化场景；量子精密检测将有望在新一代定位、导航和授时系统，微弱磁场和重力场检测系统、高灵敏度成像系统等领域率先突破应用。
在量子科技高速演化的同时也要看见，其发展与应用前景仍存在常年性和不确定性。中国信息通讯研究院技术与标准研究所赖俊森博士介绍，以量子估算为例，可纠错逻辑量子比特的门槛仍未跨越，大规模通用量子估算仍是远期目标，量子估算系统构架和软件体系仍处于初步探求阶段，对工作环境的要求仍非常苛刻，超导、光量子、离子阱、半导体、拓扑等多种技术路线并行发展，将来哪条路线将“胜出”仍未可知。
“量子科技前程远大但绝非坦途，必须具备研发‘两弹一星’一样的科学家精神。”郭光灿等多位专家指出，不畏艰辛磨难能够登上新的“量子高峰”，占据制高点、构筑新优势。
朱晓波说，量子科技是事关人类未来的关键核心技术领域，希望能有更多兼顾智慧和勇气的年青人进来。“勇闯科研无人区和产业无人区，扎扎实实做上10到15年，一定会有更重要的成果不断涌现。”他说。■