在全球科技发展领域,量子技术乃是具有颠覆性的尖端技术形态,并正在以巨大的功力引领着科技革命的前行脚步;在全球产业变革领域,量子技术乃是具有创新性的前沿技术劲旅,并正在以强大的能量催生出未来产业的恢弘格局;在全球经济竞争领域,量子技术乃是具有决胜性的战略技术法宝,并正在以惊人的速度重塑着国家经济的强弱版图。从科技攻关,到工程研发;从应用探索,到产业培育;从基础设施建设,到自主产品开发,全球主要经济体正在围绕着步入关键时期的量子技术展开激烈竞赛与博弈。
沿着三条主线演进
学术上对量子的定义是“离散变化的最小单元”,通俗地讲就是对物质或物理量进行不断分割,直至不能分割为止,此时形成的最小单元就是“量子”,比如光子就是光能量的最小单元,而宇宙间最小的物质是夸克,光子与夸克便是量子。因此,量子既是一个物理概念,也是一个数学概念,它代表的是所有物质与物质量的最小单位,采用的是信息量最小计量单位比特表示,如1个量子比特、2个量子比特等。
作为一门新兴的物理和工程领域,量子技术的基础是量子力学原理,这些原理包括量子纠缠、量子叠加、量子相干以及量子隧穿等。目前来看,量子技术研究主要沿着量子计算、量子通信和量子测量等三大路径展开,简洁地说,量子计算指的是信息的处理,量子通信指的是信息的传输,而量子测量指的是信息的采集,且三者之间存在着紧密相连的逻辑关系,没有量子测量与量子通信,量子计算在内容上将变得残缺不全;而失去量子计算,量子通信与量子测量的价值也会无从表现。
量子计算主要建立在量子叠加原理基础之上。传统计算机中的比特即经典比特只能处于0或1的不同状态,也就是要么0,要么1,而在量子计算机里,量子比特具有叠加特征,它可以表示0也可以表示1,更可以表示0和1的叠加,即可以同时处于0和1的线性组合。相应地,量子计算机不仅要比电子计算机的信息存储功能强大得多,运算速度也更迅疾,算力更卓越,一个携带250个量子比特的量子计算机,可存信息量比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多,使用目前最快的电子计算机大概需要5万年才能完成的计算任务,量子计算机只需4小时就能轻松搞定,而且量子计算机里可操纵的量子比特数量越多,存储能力就越强,算力也越优秀。
量子通信主要运用的是量子纠缠原理。所谓量子纠缠,就是两个具有“心灵感应”的量子无论相距多么遥远,一个量子状态变化,另一个也会瞬间随之改变。不同于传统方式搭建出的密码容易被破译,借助于量子纠缠特性,量子通信可以组建出根本无法破解的密码体系,这是因为量子通信在进行量子密钥分发(QKD)即信息传输时,两地或多地的用户可以共享安全的密钥,并可利用该密钥对信息进行一次又一次的严格加密,从而使得密匙不可被跟踪与监听,更不能被复制与探测;除QKD技术之外,QT(量子隐形传态)也是支撑量子通信的一个重要技术分枝。QT指传输量子态(量子信息)的时候,不像经典通信那样需发射电磁波,这样更具隐蔽性,更容易屏蔽所有外部环境的干扰,从而使得信息的传输更具稳定性与真实性,完全不会发生中途拦截或者恶意篡改的现象,正是如此,量子通信被视为信息传输“绝对安全”的回归。
量子测量主要依赖的是量子隧穿原理。顾名思义,量子隧穿就是指量子测量技术可以穿越任何的物质量,即使是微观的粒子也可穿入,而且穿入的广度、高度相比经典的测量会大大延伸。除延展测量视域外,量子隧穿原理还可以实现对物理量测量和信息获取的高精度、高分辨率以及高稳定度,技术可精细到纳米、亚纳米量级,由于超高的分辨率与灵敏度,量子测量可以准确无误地展开缺陷探测,甚至在1000亿个正常原子中出现一个缺陷也能探测到;另外,量子测量的精密性还体现在量子授时方面,即对时间同步精度的提升使得测量信息的传递过程可实现最小的时频错差,乃至可以达到了100亿年只差一秒的精度。一般而言,量子测量在运用量子传感比如量子磁力计、重力仪等对物理量进行精密测量时,会生成量子成像,发送端与接收端的量子授时的误差越小,量子测量的成果越精密。
广袤的应用空间与落地场景
作为一门新兴学科,量子技术涉及物理学、计算机科学、信息科学、材料科学等多个学科领域,同时作为综合性学科,量子技术也涉及多个学科领域的交叉研究。理论上说,跨学科与跨门类越广泛的技术,渗透性与覆盖性越强,实际效用价值更多元与更显著,特别随着近几年量子技术的不断突破,量子产业呈现出快速成型趋势,应用场景也逐渐向纵深拓展,量子技术在许多行业的表现异常活跃,并展示出十分广阔的商业前景。
在量子计算应用上,更大更强的存储以及更优更快的算法支持量子计算为生产制造和组织管理提供快速有效的解决方案,其中金融行业不仅可以借助量子计算进行市场预测、降低风险和增加收益,也能够实现产品定价、交易结算以及资产分配的优化;而在制药行业,量子计算可以用来研究新药的分子结构和化学反应,解决量子化学的合成和药物辅助设计,提高新药的产量和品质;在气象行业,量子计算可以用来快速、有效地处理大量