中国的量子科技现状：通信领先，计算和测量有待追赶

  ICC讯 对大众来说，“量子”已经不是一个陌生的词，但一些商家的误导和过度宣传，让这个词变得不那么纯粹。“遇事不决，量子力学”这句调侃的话，道出了这个领域的尴尬境地。

  真正有技术含量的量子科技应该是怎么样的?目前量子科技主流的研究方向，是量子力学和信息科学的交叉学科——量子信息。

  实际上，以量子信息为代表的量子科技，正在推动着第二次量子革命。第一次量子革命主要是利用微观粒子系统的物理规律，诞生了半导体、激光和核能等新技术领域。而第二次量子革命，则是通过直接观测和操控微观粒子系统，对量子信息进行运用。

  和信息技术包含信息获取、处理和传递三个部分类似，对量子信息的运用，可细分为量子测量、量子计算和量子通信。这其中，量子通信和量子计算最受关注，但量子测量同样具有极大的发展潜力和市场前景。那么，在这三个领域中，中国目前处于什么样位置?

  图片来自于锐观咨询在量子通信领域处于领先地位

  所谓量子通信，即利用微观粒子的特性，对传输的信息进行加密。值得注意的是，这里所说的“量子通信”本质上是一种新的加密手段，而信息的传输方式仍是常规手段(如光纤)。

  中国科学技术大学教授陈宇翱介绍，建立量子保密通信的终极目标，就是建立覆盖全国乃至全球范围的量子保密通信网络。目前世界上比较公认的路线图是：先利用光纤在城市内构建一个网络，然后利用中继连接城市。在超远距离，通过卫星的中转实现远距离的量子通信。

  中国已经率先走完了整个路线图。中国科学技术大学教授陆朝阳表示，在量子通信领域，“我国是全面领先于欧洲和美国的”。

  专利数量体现了这一优势。据中国信息通信研究院统计，中国最近几年申请量子通信相关的专利相当多，高于美国和日本。由于早期中国专利申请量较少，所以目前中国专利授权量少于美国，但未来会继续上升。

  专利之外，中国实实在在地在量子通信领域取得不少突破。科普中国一篇文章写道，在很长时间内，量子通信的安全传输距离，只有 10 公里量级，因此学术界曾经认为量子密码学基本已经到头了，没有太大前途。2003 至 2005 年期间，韩国和中国科学家提出了一种新的协议，使得安全传输距离可以提高到百公里的量级。从此之后，量子通信蓬勃发展，而中国获得了领先地位，大部分的新纪录都是中国科学技术大学的研究团队创造的。

  说到中国科学技术大学，肯定绕不开潘建伟团队。早在 2003 年，该团队就提出，利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案。这方案于 2011 年底正式立项，并在 2016 年 8 月 16 日走出里程碑式的一步：中国发射了世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”。

  基于“墨子号”卫星，潘建伟团队在 2017 年 8 月完成了三大科学实验任务，比预想提前了一年多。这标志着中国率先掌握了星地一体广域量子通信网络技术。

  2017 年 9 月 29 日，中国开通了世界首条量子保密通信干线“京沪干线”。这条量子通信保密干线全长 2000 多公里，连接了北京和上海，贯穿济南和合肥，共有 32 个量子通信节点。

  虽然量子加密的方式不可破解，但通信节点却是可以被攻破的。曾经有过论文提出，通过攻击节点的信源端来盗窃量子密码。简而言之，就是用物理手段来攻击量子通信所需的设备，而非数学意义上的破解密码。也就是说，“京沪干线”在工程层面上，其实是有理论上漏洞的。当然，这种漏洞也可以通过工程手段来解决，比如加强设备安全性。

  事实上，利用“墨子号”进行量子通信，也有安全隐患。基于常规传输方式进行信息传输，“墨子号” 卫星掌握着用户分发的全部密钥，倘若卫星被他方控制，就存在信息泄漏的风险。不过，潘建伟及其团队于 2020 年 6 月发表在《自然》杂志上的一项成果解决了这个问题。

  该团队利用量子纠缠的特性，只在地面站用户端对量子进行测量，纠缠源(卫星)不掌握密钥任何信息，即使卫星被他方劫持了，密钥也不会泄漏。在该论文之前，基于卫星纠缠的分发，效率低下、错误率高，不足以支持量子密钥分发。该团队通过对地面站望远镜进行特殊设计，升级主光学和后光路，解决了卫星纠缠分发效率低的问题。

  最终，他们借助 “墨子号”，在相隔 1120 公里的两个地面站之间，成功实现基于纠缠的量子密钥分发。即使在卫星被他方控制的极端情况下，通过物理原理依然能实现安全量子通信。《自然》杂志审稿人对这一成果的评价是：“这是构建全球化量子密钥分发网络、甚至量子互联网的重要一步。”

  不管怎么说，有了“京沪干线”和“墨子号”，意味着中国初步构建了天地一体化的广域量子通信网络基础设施。在此基础上，中国得以推动量子通信技术的产业化应用。

  就“京沪干线”而言，已经被用于金融、政府和国防等领域的加密数据传输。一些互联网企业，也可通过阿里云使用云上量子通信加密服务。“墨子号”的产业化难度相对较高，过去配合“墨子号”使用的量子卫星地面站，体积庞大，重达十几吨，难以产业化应用。

  2019 年 12 月 30 日，中国自主研发的首个小型化可移动量子卫星地面站(重量仅 80 多公斤)，与“墨子号”对接成功，实现了量子技术产品化的突破，中国量子通信有望进入产业化的时代。

  在建设“墨子号”和“京沪干线”项目过程中，潘建伟团队通过成果转化培育了一家商业公司——国盾量子。2017 年起，美国将量子通信相关的关键技术、产品和器件列入出口管制名单，国盾量子希望靠自主研发，保障项目关键元器件的供应。

  2020 年 7 月，国盾量子作为 A 股“量子通信第一股”上市，当天收盘价较发行价上涨 10 倍，足见中国资本市场对量子通信技术的追捧。不过，整体而言量子通信依然是一种新技术，现阶段还处于产品推广期。

  在量子计算和量子测量领域，仍待追赶

  量子计算是指利用量子力学原理来处理信息，相应的计算机被称之为量子计算机。1981 年，美国物理学家查德费曼提出，原则上，人们可以设计一种计算机，该计算机通过量子力学特性来工作。经典计算机的信息单位是比特，而量子计算机基于量子比特。

  经过几十年的发展，研究者们已经搭建起整个量子计算的理论体系。目前研究的重点，是把理论研究进行产业化。据中国科学技术大学博士、本源量子副总裁张辉介绍，从量子计算角度看，中国和美国至少还有 4~5 年的差距。

  据中国信息通信研究院统计，在专利层面，美国不管是申请量还是授权量，都稳居前列。中国专利申请量在 2018 年超过了美国，但授权量与美国仍有不少差距。

  一些关键成果都是美国企业率先做出了突破。2019 年初，IBM 推出了 20 个比特的量子计算原型机，并且已经开始售卖。2019 年 10 月，《Nature》杂志刊登了 Google 关于“实现量子优越性”的论文。Google 制造出了 53 个量子比特数的量子计算机，同样的计算量，量子计算机用 200 秒就完成了，而目前最强的经典超级计算机，要花费 10000 年才能完成。

  目前，中国的学界和业界正努力缩短和美国的差距。在学界，浙江大学和中国科学院组成的团队，于 2019 年 8 月研发出了一枚具有 20 个量子比特的量子芯片，并且成功操控其实现全局纠缠，刷新了世界纪录。此前，固态量子器件中生成纠缠态的量子比特，最多是 12 个。

  在业界，大公司如腾讯、阿里巴巴、百度和华为，创业公司如本源量子，都在量子计算上有所建树。其中，阿里巴巴在 2017 年 5 月宣布，造出了第一台光量子计算机。2018 年 5 月，阿里巴巴达摩院量子实验室，研制出了全球最强量子点路模拟器“太章”。而本源量子在 2020 年 9 月 12 日，上线了中国首个接入实体量子计算机的量子计算云平台。被接入的量子计算机叫“悟源”，除了外层制冷机由国外供应商提供外，其他部件都是本源量子自主研发，或由国内厂商制造。

  这台量子计算机只能提供 6 个量子比特，对标的是 IBM 在 2017 年在云端发布的 5 比特量子计算机。目前，IBM 在云平台上提供了 50 个量子比特的计算系统。

  量子通信和量子计算之外，量子信息学科还有另外一个重要方向——量子测量。经典测量方法受限于种种因素，测量精度提升面临瓶颈。而量子测量通过利用量子体系(如原子和光子)的量子特性或现象，如叠加态、纠缠态、相干等，可以突破经典力学框架下的测量极限，实现更高精度的测量，比如中国的北斗导航系统利用量子测量技术，把定位精度提高到非常高的程度。

  如上文所说，量子通信和量子计算在舆论场有较高声量，而量子测量的公众认知度相对较小，但普通人首先能用上的量子科技，或许就是量子测量相关成果。

  据中国信息通信研究院统计，与量子通信和量子计算相比，量子测量领域的专利申请和研究论文总量偏少，但近年来呈现增长趋势。从地域上看，美、中、日的专利申请量较多，且中国在 2018 年赶超了美国，但综合实力仍不及美国。

  中国的研究多集中在高校和科研机构，如北京航空航天大学、中国科学技术大学以及中国航天科工三院 33 所，其中中国科学技术大学刚刚取得一项重要科研进展。

  据新华社 2020 年 10 月 20 日报道，潘建伟、陆朝阳等人与美国普林斯顿大学等机构的学者合作，在同时具备高纯度、高效率的单光子源器件上观察到强度压缩，为实现基于单光子源的量子精密测量奠定了基础。

  总的来说，以量子信息为代表的第二次量子革命中，中国处于竞争的第一梯队。在量子通信领域，中国领先于世界。而在量子计算和量子测量领域，中国仍需追赶。