來源：北京商報

　　編者按：2022年，在元宇宙、AI、量子等眾多前沿領(lǐng)域，不僅有大廠和創(chuàng)業(yè)公司，還有更多傳統(tǒng)機構(gòu)也蜂擁而入。無論是大洋彼岸的Roblox、Meta，還是身邊的AR、VR、腦機、算力，各種概念和產(chǎn)品層出不窮。前沿科技領(lǐng)域卷起的商業(yè)旋風，正從上游加速傳導至下游，通過由虛入實場景化應用，匹配真實需求與未來世界，在彼此細分的商業(yè)賽道上大浪淘沙，這究竟是一個醞釀巨大機會的“新風口”，還是看破不說破的商業(yè)謊言？

　　“幽靈般的超距作用。”

　　圍繞著量子力學，愛因斯坦與波爾這對“宿敵”一爭就是30年。在愛因斯坦看來，兩個粒子之間超越光速的影響速度是完全不能被接受的。也是如此，在那個著名的用以反駁哥本哈根學派的“EPR佯謬”中，他給這種不可思議的糾纏行為冠以“幽靈般”的形容。

　　直到1964年，貝爾不等式的出現(xiàn)，終于讓量子糾纏從純粹的思想實驗變?yōu)榭勺C真?zhèn)蔚目茖W理論。然而2022年10月，歷史再一次被“反轉(zhuǎn)”。諾貝爾物理學獎頒發(fā)給了三位研究量子糾纏的科學家，獲獎理由顯示，表彰他們“進行了糾纏光子的實驗，確立了貝爾不等式的不成立，并開創(chuàng)了量子信息科學”。

　　從“幽靈”到科學，從被動觀測到主動應用，量子在近百年的祛魅與探索中，迸發(fā)出巨大的能量。量子計算指數(shù)級增長的性能掀起一場全球算力的對決，量子通信未雨綢繆，在信息安全和保密方面筑起一道關(guān)鍵屏障。涌起于第二次量子革命浪潮，一場巨變，正在看似玄學實則硬核的量子中醞釀，爆發(fā)似乎只是時間問題。

　　“糾纏”出了什么

　　就在今年諾貝爾物理學獎頒發(fā)的5個月之前，中國發(fā)射的全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”剛剛創(chuàng)下了新紀錄。彼時，“墨子號”首次實現(xiàn)了地球上相距1200公里兩個地面站之間的量子態(tài)遠程傳輸，向構(gòu)建全球化量子信息處理和量子通信網(wǎng)絡邁出重要一步。

　　時隔百年，糾纏的量子糾纏出了“墨子號”，也糾纏出了量子通信的廣袤天地。實際上，量子通信的重點不在于通信，而在于那個在名字中被省略的“加密”。

　　清華大學物理系教授、北京量子信息科學研究院副院長龍桂魯曾給量子世界概括出了三大怪，分別為量子測量、量子糾纏、量子并行三個怪異神奇性質(zhì)。其中測量之怪概括了量子測量與我們平常測量的巨大差異，具體表現(xiàn)在量子測量的結(jié)果受限、結(jié)果隨機和狀態(tài)改變。而糾纏之怪則被其總結(jié)為“即使很遠，糾纏仍在；要想知態(tài)，需要全在；測量一個，塌縮關(guān)聯(lián)”。

　　這種測量和糾纏的“怪”，共同構(gòu)成了量子保密通信的基礎(chǔ)——一旦被竊聽，承載信息的量子態(tài)將會隨之改變，從而暴露竊聽行為。簡而言之，每個量子測量的儀器都有自己固有的有限結(jié)果，就像自己的孩子一樣，竊聽使得它們改變，使得從自家家門走出的孩子，回來時候變成了別人家的娃，那么其中一定有“貓膩”。

　　據(jù)了解，目前的量子保密通信主要有兩種形式，其一是量子密鑰分發(fā)模式。這種模式分為兩個部分，先使用量子態(tài)協(xié)商密鑰，再用這個密鑰和經(jīng)典加密將信息變換成密文，用經(jīng)典通信傳輸密文。將信息加密成密文可以形象地理解為將要說的白話用江湖黑話來表達，而協(xié)商密鑰可以理解為用量子技術(shù)生成一個“黑話白話對應表”。

　　測量狀態(tài)的改變能夠在線反映信息被竊聽。但這一模式不能直接保密傳輸信息，因為發(fā)現(xiàn)竊聽時，信息已經(jīng)被竊取。

　　而量子保密通信的另一種模式就是量子直接通信。這種模式可以概括為說一半話，停下來看看有沒有竊聽，如果沒有人偷聽，再說后半句話。

　　以量子糾纏態(tài)的量子直接通信為例，發(fā)送信息的人先把要說的話用一組糾纏態(tài)表示，把每個糾纏態(tài)中的一個粒子拿出來組成一組，發(fā)給接收人，然后抽樣檢測是否有竊聽，因為“測量一個，塌縮關(guān)聯(lián)”。

　　在確認沒有竊聽后，再傳送另一組粒子。這樣既能發(fā)現(xiàn)竊聽行為，也不會丟失信息，因為如果需要知道糾纏的兩個粒子的狀態(tài)，必須把兩個粒子放在一起同時測量，竊聽者無法同時得到兩個粒子，因此得不到信息，這是因為“要想知態(tài)，需要全在”。

　　今年4月，龍桂魯團隊與清華大學電子工程系教授陸建華團隊合作設計了一種相位量子態(tài)與時間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，成功實現(xiàn)100公里的量子直接通信。這也是截至當時世界上最長的量子直接通信距離。

　　“最強之矛”與“最強之盾”

　　因其超強的保密性能，量子通信也被稱為“最強之盾”，那么理所當然的猜想是，量子是否也會催生“最強之矛”，而這個答案，藏在量子的并行之怪中。

　　龍桂魯教授解釋稱，并行之怪體現(xiàn)在能夠同時表示2的n次方個粒子狀態(tài)以及對2的n次方個粒子狀態(tài)的同時計算操作，這也是量子計算蘊含著強大算力的原因所在。

　　數(shù)字時代，算力決定一切。當全球數(shù)據(jù)以驚人的速度增長，當摩爾定律逐漸逼近失效的邊緣，量子計算便以其能夠指數(shù)倍增長的算力而顯示出了無比的優(yōu)越性。

　　11月18日，中國科學院院士潘建偉在一場演講中提到，經(jīng)過科學家40多年的努力，目前已達到量子計算的第一階段。他期望通過10-15年的努力，在順利實現(xiàn)量子糾錯的基礎(chǔ)上，構(gòu)建通用的量子計算機。

　　值得一提的是，潘建偉院士也曾帶領(lǐng)中國量子夢之隊先后研發(fā)“墨子號”“九章號”“祖沖之號”量子計算機，使中國崛起成為了國際量子科研版圖上的重要力量。

　　量子計算的能力能夠隨著糾纏粒子的數(shù)目增加而指數(shù)增長，但這也可能延伸出某些安全方面的擔憂，比如量子計算機有可能在幾秒之內(nèi)破解曾被認為是絕對安全的密碼算法。以至于有人擔心，當量子計算技術(shù)走出實驗室，是否會成為顛覆人類社會的“洪荒之力”。

　　我們不能等到量子計算大規(guī)模落地之后才去構(gòu)想密碼技術(shù)的補救，“最強之矛”需要“最強之盾”與之對壘，量子信息技術(shù)里的兩大應用開啟了正面的“交鋒”。

　　在北京的中關(guān)村軟件園內(nèi)，成長著一家兼具量子通信及量子計算核心技術(shù)的高科技企業(yè)——啟科量子。在啟科量子看來，在第二次“量子革命”的大背景下，量子信息技術(shù)顛覆性態(tài)勢已現(xiàn)，其正變革計算、編碼、信息處理和傳輸過程等，成為下一代信息技術(shù)的先導和基礎(chǔ)。

　　啟科量子認為，計算能力是信息化發(fā)展的核心，而量子計算技術(shù)所帶來的算力飛躍可對應用領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響，如量子模擬、量子人工智能、量子優(yōu)化、信息安全等。

　　第二次革命

　　百年來，量子理論的出現(xiàn)，引發(fā)了第一次量子革命，催生出以計算機、手機、互聯(lián)網(wǎng)為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)。如今，以量子通信、量子計算和量子傳感與測量為代表的量子信息技術(shù)則成了引領(lǐng)第二次量子革命的關(guān)鍵所在。

　　對于兩次量子革命的異同，中國科學院院士郭光燦曾評價，第一次量子革命，人們只問量子理論能讓我們做什么，不去問為什么，是被動的觀測與應用。而第二次量子革命則是主動利用量子特性，開發(fā)量子通信、量子計算和量子精密測量等創(chuàng)新應用。

　　“量子技術(shù)是一種革命性的新技術(shù)，與國家安全等領(lǐng)域密切相關(guān)，這也是世界主要強國都不敢輕視這一點，都投入大量人力物力開展這方面研究的關(guān)鍵所在。”在接受北京商報記者采訪時，一位物理學教授如此說道。

　　以量子計算為例，從國家到企業(yè)，一場全面的競速早已展開。2019年，美國谷歌公司宣布研制出53個量子比特的計算機“懸鈴木”。按照谷歌的說法，“懸鈴木”量子計算原型機可以在200秒內(nèi)完成百萬量子采樣，而美國最快的“頂點”超級計算機需要一萬年才能模擬完成。

　　那一年，“量子霸權(quán)”成為刷屏的熱詞。一年之后，中國“九章”問世攻擂“懸鈴木”。據(jù)悉，76個光子的“九章”求解數(shù)學算法高斯玻色取樣只需200秒，而當時世界最快的超級計算機要用6億年。

　　如今中國的“九章”“祖沖之”已經(jīng)雙雙升級出2.0版本，量子計算所引發(fā)的風潮，也吹向了更廣闊的的市場。IBM、英特爾等巨頭已先后推出自己的量子計算機及相關(guān)產(chǎn)品，阿里、百度等企業(yè)也先后圍繞量子計算展開布局。另有不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，近一年來，國內(nèi)已有9家量子計算企業(yè)獲得融資，融資額在億元以上的就有5家。

　　從“高大上”到“接地氣”

　　乘風數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時代浪潮，量子信息技術(shù)尤其是量子計算的發(fā)展風風火火，但似乎距離真正的落地應用，仍有一段距離。

　　“這是一項非常有趣的研究，但它不應該被過度吹捧。基礎(chǔ)科學及其應用之間的時間間隔往往很長，并伴隨著許多意想不到的曲折。我們應該謹慎。”今年10月，在接受媒體采訪時，法國科學家塞爾日·阿羅什做出了這樣一段評價，后者曾是2012年諾貝爾物理學獎獲得者之一。

　　據(jù)了解，目前量子計算機有幾種不同的研發(fā)路徑，包括超導量子計算、離子阱量子計算、硅量子點量子計算、拓撲量子計算等。華翊量子總經(jīng)理姚麟對北京商報記者介紹，不同的技術(shù)路線實際上就是去尋找不同的物理結(jié)構(gòu)或者物理體系來做量子計算最基礎(chǔ)的單元，從而實現(xiàn)量子計算的整個過程。

　　從科研角度來講，超導量子計算和離子阱量子計算都已經(jīng)得到了可行性的認證；但從商業(yè)化的角度來看，離子阱量子計算擁有一個十分特別的優(yōu)勢，即成本優(yōu)勢。據(jù)悉，離子阱量子技術(shù)與光學的結(jié)合非常緊密，增加量子比特規(guī)模的時候，外圍的相關(guān)設備投入等都不會有明顯的增加，從而使得整個系統(tǒng)的成本不隨著量子比特規(guī)模的增加而大幅上升。

　　在量子計算這一領(lǐng)域，啟科量子和華翊量子都不約而同地選擇了離子阱的技術(shù)路線。在啟科量子看來，其所研究的離子阱技術(shù)在中等規(guī)模嘈雜量子計算（NISQ）階段是存在巨大商業(yè)價值的。

　　據(jù)介紹，離子阱可通過離子-光子糾纏把小比特量子計算機進行協(xié)同工作，即啟科量子所提倡的分布式量子計算技術(shù)。分布式量子計算具有更好的物理可實現(xiàn)性，具有廣闊的應用前景，可以應用在密碼破譯、人工智能、生物醫(yī)藥、金融等。

　　華翊量子則成立于2022年1月，創(chuàng)始團隊來自清華大學量子信息中心，創(chuàng)始人及首席科學家為清華大學量子信息中心主任段路明教授。在姚麟的印象里，段路明教授的目標是非常明確的，那就是產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化。待到時機成熟，眾人一拍即合，華翊量子成立了。

　　饒是如此，如何找到一個完全落地的應用場景，也是讓華翊量子有些頭疼的問題。據(jù)悉，華翊量子目前主要與銀行券商類的研究部門進行合作，而在生物制藥、化學化工以及科研院所等方面，也在發(fā)力商談。

　　“這確實是一個很早的行業(yè)，我們不能指望它在一兩年之內(nèi)就能迅速成熟起來。我們首先要滿足這些研究性部門的需求，以此來獲取一定的訂單維持我們對大規(guī)模研發(fā)的投入。如果對方能夠找到一些好的應用，自然會考慮大規(guī)模的采購。如此正向循環(huán)之下，我們也能夠以更強性能的產(chǎn)品占據(jù)這部分市場，這其實是一個逐步進行的過程。”姚麟說道。

　　潘建偉院士也曾提到，量子計算距離實用化和產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走，需要政產(chǎn)學研用各個方面的積極參與和密切配合。而在本月中旬那場演講的最后，潘建偉院士總結(jié)稱，“未來盡管離我們還稍稍有點遠，但正在以非常快的速度向我們走來”。

　　北京商報記者 陶鳳 楊月涵

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責任編輯：呂成飛