系列报导之①
去年五一档的大热影片《流浪月球2》不仅承载了人们对于未来社会的向往与幻想，更为重要的是，它显露了当下科学技术发展的现实进程。其中，贯串全片的智能量子计算机MOSS深受瞩目。凭着强悍的算力和自我意识，它还能融合调度多种复杂的估算资源，让数万座行星底盘协同运作，以满足“数字生命”计划的须要。这样的量子计算机，真的只存在于悬疑连续剧中吗？
事实上，随着量子技术的发展，量子估算正逐渐走出实验室，逐渐应用到网路信息安全、大数据和人工智能、化学生物药业、金融工程、智能制造等领域，将在国防建设和国民经济发展中发挥巨大作用。在阿姆斯特丹学院攻读量子信息学博士研究生的陈然在接受南都记者专访时表示，“一旦我们对量子比特的制备和控制达到一定精度，它能够形成远小于现有计算机的估算能力。”
这是一门在大部份人看来非常具象、难以理解的学科。陈然直言，“量子技术研究有太多反直觉、反常识的东西。我在理解量子的过程中，也犯了好多错误。学习量子技术是一个不断推翻自己的过程量子通讯设备，须要多思索。”未来，量子技术的快速发展，将会带来更多的应用机遇，陈然希望，假以时日，自己参与的量子技术研究，才能真正地派上用场，在社会上发挥它的价值。
百度自研的乾始超导量子计算机内部视图，受访者提供。
量子热学最难的是理解公式背后的数学含意
量子技术是量子化学与信息技术相结合发展上去的新学科，包括量子通讯和量子估算、量子传感器等领域。量子通讯主要研究量子密码、量子隐型传态、远距离量子通讯的技术等等；量子估算主要研究量子计算机和适宜于量子计算机的量子算法。
陈然与量子技术的初次接触，来自他的专科专业密码学。假如说，传统的密码系统是基于物理的数字的组合，量子密码技术就是基于数学学的光子和量子热学的研究原理产生的一种密码技术，其不确定性和无规律性，让量子密码比传统密码更难被破译。
研究者习惯用这样一个反例来描述量子技术在密码学中起到的作用：传统意义上，两个人共享一把秘钥，为相互之间的通讯加密，但这永远没法防范有第三方中间人监听信息的风险。而量子热学的不可克隆性（未能在不破坏原有信息的基础上复制信息）能保证通讯安全性——使通讯的双方才能形成并分享一个随机的、安全的秘钥，拿来加密和揭秘消息。一旦有第三方中间人企图对秘钥做分发监听，通讯的双方便会察觉，导致高误分辨率，进而使监听被发觉。
“这也是我当时接触量子密码学时看到的第一个案例，当时我就感觉十分神奇。”这令陈然形成兴趣：“量子技术可以提供更强的算力以及更安全的加密算法，实现原先无论怎样做不到的事情。很想了解背后是哪些机理。”
对于这样一门在大部份人看来非常具象、难以理解的学科，陈然在学习期间遇见过最大的挑战，是怎样去理解物理公式背后的数学模型和含意。“有关量子估算或则量子信息的这一套理论，描述量子热学的规律，每一条都可以用物理公式十分优美地写下来，但它的物理解释，或则说公式背后的化学意义，在理解过程中容易犯好多错。”于是，在校期间，他通过与朋友、老师交流研讨，参与各类讲堂、论坛，来纠正之前错误的认知，对量子科学的理解也得以进一步推进。
为了让理论学习和实际项目就能更好结合，2020年，陈然加入百度量子估算研究所，在深入学习“量子纠缠”“量子叠加态”原理的同时，有机会参与到一些具体项目中，通过量桨、量易伏做一些小规模的实验展示量子算法的优越性。
“实习和我在中学做研究一个最大的不同，就是可以用到真正的量子计算机。”陈然说，由于在中学更多时侯只能逗留在理论研究，不用考虑量子计算机具体是如何运行的，可以假定它就是一个完美的机器。但实际使用时，它会出现各类问题，须要校正、需要调试。“量子计算机十分脆弱，它的噪音十分大。有时侯给它一些很复杂的估算任务，它也会错得十分离谱。所以我们就是要特别当心，在用的过程中须要不断改善自己的算法。”
尽管陈然早已领到心仪的博士投档通知书奔赴法国继续攻读量子信息的博士学位，但通过百度研制的量易伏手机端APP，陈然和广大用户不管身处何地，都还能通过手机远程联接上百度自研的“乾始”超导量子计算机和合作单位提供的其它类型量子计算机，实现随时随地调用量子算力，让“人人皆可量子”这一目标成为一件触手可及的事。
量子技术令手机验证码生成“真随机数”
量子估算是一种遵守量子热学规律调控量子信息单元进行估算的新型估算模式，这些原理促使量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态。量子计算机最基本的信息单元是量子比特。随着量子比特数量的降低，对于n个量子比特而言，量子信息可以处于2^n种可能状态的叠加，配合量子热学演变的并行性，可以凸显比传统计算机更快的处理速率。
我们每晚每时每刻都可能在和量子接触。就拿大众最熟悉的手机验证、图像处理等来说，每每我们注册登入网站核对身分信息，输入手机验证码（随机数）都是绕不过的一步。随机数已成为信息时代的一种重要基础资源。通常来说，数字的随机性保证了合同的安全性。但有多少人晓得，我们如今口中的“随机数”，实际上并非真随机？
“现在所有的随机数都是算法生成的。”陈然说，“实际上，随机数都是由算法来生成的，数字之间并非完全无关。从理论上来说，当你找到了随机数生成的规律，你就可以预测之后出现的随机数。”换句话说，随机数也存在被破解的可能。但借助量子化学原理，却可以形成具有内禀随机性的真随机数，几次出现随机数的结果，相互之间完全独立，没有任何关系，也找不到方式预测或破解。
这就意味着，借助量子力学特点的生成随机数，合同的安全性会得到进一步的提升。这也为科学仿真、密码学等领域提供了极大的推动。基于这一原理所发明的量子随机数发生器因具有不可预测性、不可重复性和无偏性等特点，成为量子通讯系统中的关键核心元件。
图象辨识也是量子技术最紧贴实际生活的应用前景，具体场景包括人脸辨识、自动驾驶辨识路障、医学图象处理（CT判定症状）、AI作图等。再者还有量子模拟，也就是用量子计算机去模拟一个分子、原子，因而得悉分子、原子的一些例如能量、化学势等性质。“将量子技术应用于这种场景，早已被理论验证是可行的。”陈然说。
“在应对海量的数据处理与剖析需求时量子通讯设备，传统的图象辨识技术经常会遇见性能方面的问题，假如要辨识内容好多、图片很大，要专业芯片处理，都会消耗掉好多估算资源。”陈然解释，“因为量子比特跟精典比特不同，可以处于0和1的叠加态，包含更多的信息，也具有更强悍、更高效的信息处理能力。如今实现高精度的图象辨识须要大量的估算资源，并且用极少的量子比特就可以达到同样的精度。”
量子技术快速发展，将会带来更多的应用机遇
在陈然看来，虽然量子技术是一门产生已久的学科，但早年间仍然处于“坐冷板凳”的阶段，“大家不理解这个概念，也不晓得它有哪些用，直至2011年前后量子通讯技术取得了突破，量子的概念才火上去。2016年8月16日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在西昌卫星发射中心发射，第一次真正把量子科学带到了大众的面前。”
2022年，有关量子纠缠理论的研究荣获了诺贝尔化学学奖，令这门前沿技术得到前所未有的话题讨论热度。在博士求学期间主要研究量子纠缠的陈然，这样理解他眼中的“量子纠缠”：“其实就是很强烈的一种关联，可以理解为赶超了时间和空间，不管两个人分隔多么远，都可以让两束光发生量子纠缠，而且保持这些状态——如果我对我手上的光子作出一个操作改变，这么不管两个人距离多远，我都可以立即晓得对方手上的光子将会发生何种变化。”
当前，受限于硬件水平，学界对于量子的研究更多逗留在实验室阶段。陈然直言，“现在量子比特的制造工艺还很不成熟，十几个量子比特的造价也远低于千万个精典比特。所以我们的工作更像是展示了量子估算的潜力：一旦我们对量子比特的制备和控制达到一定精度，他还能形成远小于现有计算机的估算能力。”
量子技术被视为三大最重要的前沿数字技术之一，已成为各国争相投入布局的重要领域和竞争焦点。在我国，量子通讯、量子计算机等多次被纳入顶楼纲要规划中。诸如《“十四五”数字经济发展规划》明确：重点布局下一代联通通讯技术、量子信息等新型技术，促进信息、生物、材料、能源等领域技术融合和群体性突破。2022年12月的中央经济工作大会强调，推动新能源、人工智能、生物制造、绿色低碳、量子估算等前沿技术研制和应用推广。
百度量子技术创新发展背后是高质量专利的多年积累和强力支撑。目前，百度量子相关国外专利申请的公开量早已超过170件，囊括量子算法与应用、量子通讯与网路、量子加密与安全、量子构架与软件、量子芯片与硬件、量子测控与纠错等多个方向核心专利。
依托于百度人工智能（AI）生态和高质量量子专利布局，百度已组建上海人工智能产业知识产权营运中心量子估算中心，聚焦量子产业，以自主知识产权服务量子产业创新，促使量子领域专利技术产业化落地，推动量子产业上下游协调发展和融合创新，加速实现“量子产业化、产业量子化”。
百度自研的乾始超导量子计算机内部视图，受访者提供。
有业内人士强调，就量子技术从理论到现实的进展而言，近些年来实用量子元件和技术的发展取得了重大进展。量子技术借助量子的奇特现象来创造新的技术和设备，在许多领域具有广泛的应用前景，在估算、通信、传感、模拟等领域都有望形成重大影响。虽然要充分实现量子技术的潜力还有好多工作要做，好多工程或则技术上的困难须要克服，但已有一些量子设备和技术可以商业化或接近商业化，成为应用的关键曙光。
陈然觉得，“未来1~2年，量子技术快速发展，将会带来更多的应用机遇，也会催生更多这一领域新兴的创业公司。可能等我结业的时侯，如今看来还难以落地的场景早已才能落地了。”他希望，假以时日，自己参与的量子技术研究，才能真正地派上用场，在社会上发挥它的价值，“我也很期待见证量子技术在指导、解决具体实际问题时，能有多好用。”
采写：南都记者傅晓羚