10月16日，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。习近平总书记强调，量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。目前业界所指的量子科技范畴，主要包括量子通信、量子计算和量子测量三大领域。国家“十三五”规划纲要在支持战略性新兴产业发展中，明确将量子通信作为重要发展方向。当前，我国正站在步入“十四五”规划的门框外，人类也即将迎来一个全新的量子时代。面向未来，中国当以更大的改革勇气激发更多的创新活力，坚定信心、埋头苦干，突破关键核心技术，不仅要让量子科技在我国经济社会发展大局中焕发生机，而且还要使其真正给全人类带来福祉，以大国担当推动人类命运共同体一同进步。
文 | 北京 李诚荣
量子计算实验室科研人员进行激光稳频试验（图：中新社）
10月16日，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。习近平总书记强调，量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。
诚如习近平总书记所言，当今世界正经历百年未有之大变局，加快发展量子科技，对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。作为物质不可再分的基本单元，量子将带领人类探索和创造一个全新的未知世界。
百年量子理论加速人类现代文明进程
•根据量子力学理论，物质在微观尺度上可以同时存在多种状态和多个位置的“叠加”。
•更奇妙的是两个量子还会产生“纠缠”的反应，就像双胞胎拥有心灵感应一样，无论相隔多远，当一个量子的状态发生变化，另一个量子也会超“瞬间”发生变化。
什么是量子？量子（quantum）是现代物理的重要概念，代表著一个物理量最小的不可分割的基本单位。当把一个物理量一份份地往下分，分到无法再分的小块就是量子。如光子是光的量子，其实分子、原子、电子等都是量子的不同表现形式。又比如我们点人数，最少只能点1个人；上台阶，只能一个一个台阶上，而不能上1/2个台阶。当某个物理量如果不能连续变化，只能取一些分立的值时，那它就是量子化的。
1900年，德国物理学家马克斯．普朗克提出了量子理论，于是开启了人类探索微观物质世界运动规律的“新物理革命”。此后，包括爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔等许多科学家皆为之著迷，量子理论遂与相对论一起发展成为现代物理学的两大支柱。
在我们已认知的宏观世界里，任何物体在某一时刻都有确定的状态和位置，都可以通过牛顿经典力学进行精确测算。但在微观量子世界里，却有著截然不同的神奇的物理规律。
量子世界的“叠加态”。根据量子力学理论，物质在微观尺度上可以同时存在多种状态和多个位置的“叠加”，其中最经典的理论莫过于“薛定谔的猫”。
1935年，奥地利物理学家薛定谔提出了一个有关猫生死叠加的著名思想实验，他把微观领域的量子行为扩展到宏观世界进行了推演——当把一只猫关进装有少量镭和氰化物的箱子里，如果镭发生衰变，就会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；反之，猫就存活。在宏观世界中，猫要么是活的，要么是死的。但在量子世界中，猫可能活著也可能死了，也可能既活著又死了；总之可以处于不同状态，各种状态还可以并存。
量子世界的“纠缠态”。一个量子可以“叠加”多种状态已经非常奇妙了，更奇妙的是两个量子还会产生“纠缠”的反应，就像双胞胎拥有心灵感应一样，无论相隔多远，当一个量子的状态发生变化，另一个量子也会超“瞬间”发生变化。对于这种诡异的纠缠现象，爱因斯坦在当时也难以作出解释，把它形容成“鬼魅般的超距作用”。
美国物理学家、诺贝尔奖获得者穆雷．盖尔曼曾这样点评道：“量子力学是一个神秘的、令人捉摸不透的学科，我们谁都谈不上真正理解，只是知道怎样去运用它。”
量子力学的建立，搭建起了整个微观物理学的理论框架，并继而帮助人类解释化学、研究材料特性、为信息革命提供硬件基础、探索天文现象、理解广袤而深邃的宇宙。在此基础上，经过全球几代科学家百年来的孜孜以求、开疆拓土，使得第一次量子革命在上世纪爆发，并催生了丰富的技术和应用。
核能、激光、半导体等科技得以问世，并衍生研制出了原子弹、计算机、磁盘、全球卫星定位系统、电子显微镜、互联网、智能手机等重大应用。自此，世界的面貌因之变幻，人类的现代文明进程随之加速向前。
从三大领域抢占量子科技战略高地
•目前业界所指的量子科技范畴，主要包括量子通信、量子计算和量子测量三大领域。这三大领域也是未来抢占量子科技战略高地的切入口，可以在提升信息安全保障能力、运算处理速度、测量精度和灵敏度等方面带来重大颠覆性的技术突破。
•在量子通信领域，中国已处于国际领先地位并在近年来取得了多项突破性进展。
•在量子计算领域，中国整体上与发达国家处于同一水平线。
•相比发达国家，中国当前在量子精密测量领域整体上还有一定的差距，需要进一步集思广益、奋力追赶。
近年来，量子科技发展突飞猛进，已经成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。习近平总书记指出，要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋。
何为“大趋势”？怎么下好“先手棋”？
在量子理论诞生120周年之际，人类已然见证过第一次量子革命强大的变革力。而如今，第二次量子革命正在以更加汹涌的姿态席卷数字信息社会，是为“大趋势”也。
有别于第一次量子革命时期，人类只是被动地借助量子理论去进行观测和应用，新一轮潮涌之下，人类需要更加主动地去利用量子特性开发创新科技应用。尤其对中国而言，我们要从上世纪的“看客”变成当下和未来推动量子科技进步的参与者、创新者乃至领导者。“于变局中开新局”，这就需要中国积极作为、实力担当，方能“下好先手棋”。
目前业界所指的量子科技范畴，主要包括量子通信、量子计算和量子测量三大领域。这三大领域也是未来抢占量子科技战略高地的切入口，可以在提升信息安全保障能力、运算处理速度、测量精度和灵敏度等方面带来重大颠覆性的技术突破。
量子通信，是基于量子力学的“叠加”和“纠缠”原理来进行信息或密钥传输，从而在理论上可以做到通信的绝对保密安全。在量子通信领域，中国已处于国际领先地位并在近年来取得了多项突破性进展。
在西藏阿里观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验。这是2016 年12 月10 日拍摄的合成照片（图：新华社）
2016年8月，中国发射了自主研制的世界上首颗空间量子科学实验卫星“墨子号”，为通过太空“量子传密”提供了可能。2017年，世界首个远距离量子保密通信骨干网“京沪干线”正式建成开通。这两项成果构建了首个天地一体化的量子通信网络雏形，标志著中国量子通信接近产业化。目前，国家广域量子保密通信骨干网正在建设，各地城域网也在规划建设之中。
今年以来，中国量子通信的基础研究更是捷报频传。3月，中国实现了500公里级真实环境光纤的双场量子密钥分发和相位匹配量子密钥分发，传输距离达到509公里，创造了新的世界纪录。6月，中国在国际上首次实现了千公里级基于纠缠的量子密钥分发，为量子通信走向现实应用奠定了重要基础。9月，中国科学家联合奥地利团队首次实现了高保真度的32维量子纠缠态，显著提高了量子通信的信道容量，创造了当前世界最高水平。
量子计算，可以令人类的运算能力实现指数级增长。因为传统计算机的运算单位比特只有0和1两种状态，而量子计算机由于量子“叠加态”的存在，1个量子比特可同时记录0和1两个状态。所以当计算机操纵的量子数目增多时，就会以指数级增长提升运算速度，解决传统计算机在合理时间范围内无法解决的复杂难题。比如去年10月，谷歌发表论文称，已成功演示让量子系统花费约200秒完成传统超级计算机要1万年才能完成的任务。
2017 年5 月，世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机在中国诞生。图为研究人员在讨论光量子计算机的运行情况（图：金立旺 摄）
在量子计算领域，中国整体上与发达国家处于同一水平线。通过科学家的不懈追求，中国在量子计算方面也取得了一些阶段性成果。
2017年5月，世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机在我国诞生。2019年底，中国与德国、荷兰科学家合作，在国际上首次实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算，在四大关键指标上均大幅刷新国际纪录，逼近实现量子计算研究的重要目标“量子霸权”。今年9月，中国企业自主研发的6比特超导量子计算云平台正式上线，全球用户可以在线体验来自中国的量子计算服务。此外，百度、阿里巴巴、腾讯、华为等科技企业也相继出台了量子计算研究计划。
虽然量子计算距离大规模普及还有很长的路要走，但它的诞生已经为我们勾勒出了广阔的应用蓝图。量子计算可为当前大规模计算提供全新方案，从而进一步延伸至指导科学的城市交通规划、实现高精度的天气预报、提高农作物产量、促进新药研发等等。
2019 年12 月23 日，中国国家博物馆举行捐赠仪式，接受清华大学副校长薛其坤院士捐赠的8 件量子反常霍尔效应关键科学仪器。图为分子束外延蒸发源炉（图：中新社）
图为量子反常霍尔效应测量用的低温样品架和样品（图：新华社）。2012 年底，薛其坤团队在世界范围内从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这项成果获得了2018年度“国家科学技术奖”
量子测量，能够使信息精度越来越精确。传统测量技术最小只能探测到微米量级，而量子测量可以进一步精细千倍、万倍达到原子量级。这将使得量子精密测量和传感技术在未来数字时代和万物互联时代能够开展更广泛的应用，有望在科研、医疗、能源、灾害预防等领域大显身手。相比发达国家，中国当前在量子精密测量领域整体上还有一定的差距，需要进一步集思广益、奋力追赶。
全球聚力量子竞争之激烈不容小觑
•纵观世界大势，欧美等发达国家的政府、科研机构和产业资本也对攻克量子技术形成了广泛共识与合力，正在对中国取得的局部领先优势发起强烈冲击，竞争之激烈不容小觑。
•总体上我国在量子科技领域已经具备了一定的领先科技实力和创新能力，但仍然存在不少短板，面临多重挑战，对此，习近平总书记多层次、全方位地深刻指出，要加强顶层设计和前瞻布局、要健全政策支持体系、要加快基础研究突破和关键核心技术攻关、要培养造就高水平人才队伍、要促进产学研协同创新。
“安排这次集体学习，目的是了解世界量子科技发展态势，分析我国量子科技发展形势，更好推进我国量子科技发展。”习近平总书记在会上指出。这充分说明了党中央对量子科技的高度重视以及在该领域上的宏大视野和战略眼光。
所谓知己知彼、百战不殆。经过20多年的发展，尽管我国在量子科技领域的国际阵列中率先拿下了多地，但是纵观世界大势，欧美等发达国家的政府、科研机构和产业资本也对攻克量子技术形成了广泛共识与合力，正在对中国取得的局部领先优势发起强烈冲击，竞争之激烈不容小觑。
一方面，世界主要科技强国均出台了国家层面的量子信息技术战略计划。
美国近10年来，已通过“量子信息科学和技术发展规划”等项目，以每年约2亿美元的投入力度，持续支持量子信息各领域研究。2018年底，美国颁布了《国家量子倡议法案》，宣称绝不能容忍在量子科技领域落后。今年7月，美国能源部发布量子互联网发展战略蓝图，提出要确保美国处于全球量子竞赛的前列，引领通信新时代。10月，美国白宫量子协调办公室发布《国家量子信息科学战略投入的量子前沿报告》，表示美国将在量子信息科学领域保持领导地位，作为确保美国长期经济繁荣和国家安全的关键优先事项。
2016年，欧盟推出“量子宣言”旗舰计划，在未来10年投资10亿欧元，支持量子计算、通信、模拟和传感四大领域的研究和应用推广，并在2018年正式启动首批20个研究项目。
亚洲国家日本同样不甘落后，在2013年成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构，计划未来十年内投资400亿日元，支持量子通信和量子信息领域的研发。
另一方面，谷歌、微软、IBM、英特尔等一些全球科技巨头企业也在大举进军量子科技领域。除了自主研发外，他们还与耶鲁大学、麻省理工学院等科研机构联合攻关共性技术，且已取得了多项创新成果。
再观国内，虽然总体上我国在量子科技领域已经形成了具有相当体量和布局较为全面的研究队伍，且具备了一定的领先科技实力和创新能力，但是也要看到，我国量子科技发展仍然存在不少短板，面临多重挑战，具体包括核心元器件自主研制不足、人才培养匮乏、合作机制不够完善、社会资本投入“雷声大、雨点小”等问题。
对此，习近平总书记多层次、全方位地深刻指出，要加强顶层设计和前瞻布局、要健全政策支持体系、要加快基础研究突破和关键核心技术攻关、要培养造就高水平人才队伍、要促进产学研协同创新。
习近平总书记的讲话，不仅指出了当前中国量子科技发展的“痛点”，更开出了“药方”。
国家“十三五”规划纲要在支持战略性新兴产业发展中，明确将量子通信作为重要发展方向。当前，我国正站在步入“十四五”规划的门框外，人类也即将迎来一个全新的量子时代。面向未来，中国当以更大的改革勇气激发更多的创新活力，坚定信心、埋头苦干，突破关键核心技术，不仅要让量子科技在我国经济社会发展大局中焕发生机，而且还要使其真正给全人类带来福祉，以大国担当推动人类命运共同体一同进步。
（作者系中国科学院副研究员）
本文发表于《紫荆》杂志2020年11月号
编辑：哈元源、莫洁莹
