2022科技“大賞”｜算力不決問量子

編者按：2022年，在元宇宙、AI、量子等眾多前沿領域，不僅有大廠和創業公司，還有更多傳統機構也蜂擁而入。無論是大洋彼岸的Roblox、Meta，還是身邊的AR、VR、腦機、算力，各種概念和產品層出不窮。前沿科技領域捲起的商業旋風，正從上游加速傳導下游，透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，他將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，終於讓量子糾纏從純粹的思想實驗變為可證真偽的科學理論。然而2022年10月，歷史再一次被“反轉”。諾貝爾物理學獎頒發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，確立了對貝爾不等式的不成立，並開創了量子資訊科學”。

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，迸發出巨大的能量。量子計算指數級增長的效能掀起一場全球算力的對決，量子通訊未雨綢繆，在資訊保安和保密方面築起一道關鍵屏障。湧起於第二次量子革命浪潮，一場鉅變，正在看似玄學實則硬核的量子中醞釀，爆發似乎只是時間問題。

“糾纏”出了什麼

就在諾貝爾物理學獎頒發的5個月之前，中國發射的全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”剛剛創下了新紀錄。彼時，“墨子號”首次實現了地球上相距1200公里兩個地面站之間的量子態遠端傳輸，向構建全球化量子資訊處理和量子通訊網路邁出重要一步。

時隔百年，糾纏的量子，糾纏出了“墨子號”，也糾纏出了量子通訊的廣袤天地。實際上，量子通訊的重點不在於通訊，而在於那個在名字中被省略的“加密”。

清華大學物理系教授、北京量子資訊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、量子並行等三個怪異神奇性質。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，具體表現在量子測量的結果受限、結果隨機和狀態改變，而糾纏之怪則被其總結為“即使很遠，糾纏仍在；要想知態，需要全在；測量一個，塌縮關聯”。

這種測量和糾纏的“怪”，共同構成了量子保密通訊的基礎——一旦被竊聽，承載資訊的量子態將會隨之改變，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，那麼其中一定有貓膩。

據瞭解，目前的量子保密通訊主要有兩種形式，其一是量子金鑰分發模式。中國科學院院士潘建偉主導研究的就是這種模式。

這種模式分為兩個部分，先使用量子態協商金鑰，再用這個金鑰和經典加密將資訊變換成密文，用經典通訊傳輸密文。將資訊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，而協商金鑰可以理解為用量子技術生成一個“黑話白話對應表”。

測量狀態的改變能夠線上反映資訊被竊聽。但這一模式不能直接保密傳輸資訊，因為發現竊聽時，資訊已經被竊取。

而量子保密通訊的另一種模式就是將量子特性發揮到極致的量子直接通訊。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，再說後半句話。

以量子糾纏態的量子直接通訊為例，傳送資訊的人先把要說的話用一組糾纏態表示，把每個糾纏態中的一個粒子拿出來組成一組，發給接收人，然後抽樣檢測是否有竊聽，因為“測量一個，塌縮關聯”。

在確認沒有竊聽後，再傳送另一組粒子。這樣既能發現竊聽行為，也不會丟失資訊，因為如果需要知道糾纏的兩個粒子的狀態，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，因此得不到資訊，這是因為“要想知態，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與時間戳量子態混合編碼的量子直接通訊新系統，成功實現100公里的量子直接通訊。這也是截至當時世界上最長的量子直接通訊距離。

“最強之矛”與“最強之盾”

因其超強的保密效能，量子通訊也被稱為“最強之盾”，那麼理所當然地猜想是，量子是否也會催生“最強之矛”，而這個答案，藏在量子的並行之怪。

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

數字時代，算力決定一切。當全球資料以驚人的速度增長，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倍增長的算力而顯示出了無比的優越性。

11月18日，潘建偉院士在一場演講中提到，經過科學家40多年的努力，目前已達到量子計算的第一階段。他期望透過10-15年的努力，在順利實現量子糾錯的基礎上，構建通用的量子計算機。

值得一提的是，潘建偉院士也被稱為中國“量子之父”，帶領中國量子夢之隊先後研發“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目增加而指數增長，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破解曾被認為是絕對安全的密碼演算法。以至於有人擔心，當量子計算技術走出實驗室，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模落地之後才去構想密碼技術的補救，“最強之矛”需要“最強之盾”與之對壘，量子資訊科技裡的兩大應用開啟了正面的“交鋒”。

在北京的中關村軟體園內，成長著一家兼具量子通訊及量子計算核心技術的高科技企業——啟科量子。在啟科量子看來，在第二次“量子革命”的大背景下，量子資訊科技顛覆性態勢已現，其正變革計算、編碼、資訊處理和傳輸過程等，成為下一代資訊科技的先導和基礎。

啟科量子認為，計算能力是資訊化發展的核心，而量子計算技術所帶來的算力飛躍可對應用領域產生顛覆性影響，如量子模擬、量子人工智慧、量子最佳化、資訊保安等。

第二次革命

百年來，量子理論的出現，引發了第一次量子革命，催生出以計算機、手機、網際網路為代表的現代資訊科技。如今，以量子通訊、量子計算和量子感測與測量為代表的量子資訊科技則成了引領第二次量子革命的關鍵所在。

對於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麼，不去問為什麼，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，開發量子通訊、量子計算和量子精密測量等創新應用。

“量子技術是一種革命性的新技術，與國家安全等領域密切相關，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鍵所在。”在接受北京商報記者採訪時，一位物理學教授如此說道。

以量子計算為例，從國家到企業，一場全面的競速早已展開。2019年，美國谷歌公司宣佈研製出53個量子位元的計算機“懸鈴木”。按照谷歌的說法，“懸鈴木”量子計算原型機可以在200秒內完成百萬量子取樣，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”成為刷屏的熱詞。一年之後，中國“九章”問世攻擂“懸鈴木”。據悉，76個光子的“九章”求解數學演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”已經雙雙升級出2。0版本，量子計算所引發的風潮，也吹向了更廣闊的的市場。IBM、英特爾等巨頭已先後推出自己的量子計算機及相關產品，阿里、百度等企業也先後圍繞量子計算展開佈局。另有不完全統計資料顯示，近一年來，國內已有9家量子計算企業獲得融資，融資額在億元以上的就有5家。

從“高大上”到“接地氣”

乘風數字化轉型的時代浪潮，量子資訊科技尤其是量子計算的發展風風火火，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。基礎科學及其應用之間的時間間隔往往很長，並伴隨著許多意想不到的曲折。我們應該謹慎。”今年10月，在接受媒體採訪時，法國科學家塞爾日·阿羅什做出了這樣一段評價，後者曾是2012年諾貝爾物理學獎獲得者之一。

據瞭解，目前量子計算機有幾種不同的研發路徑，包括超導量子計算、離子阱量子計算、矽量子點量子計算、拓撲量子計算等。華翊量子總經理姚麟對北京商報記者介紹，不同的技術路線實際上就是去尋找不同的物理結構或者物理體系來做量子計算最基礎的單元，從而實現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得到了可行性的認證；但從商業化的角度來看，離子阱量子計算擁有一個十分特別的優勢，即成本優勢。據悉，離子阱量子技術與光學的結合非常緊密，增加量子位元規模的時候，外圍的相關裝置投入等都不會有明顯的增加，從而使得整個系統的成本不隨著量子位元規模的增加而大幅上升。

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

據介紹，離子阱可透過離子-光子糾纏把小位元量子計算機進行協同工作，即啟科量子所提倡的分散式量子計算技術。分散式量子計算具有更好的物理可實現性，具有廣闊的應用前景，可以應用在密碼破譯、人工智慧、生物醫藥、金融等。

華翊量子則成立於2022年1月，創始團隊來自清華大學量子資訊中心，創始人及首席科學家為清華大學量子資訊中心主任段路明教授。在姚麟的印象裡，段路明教授的目標是非常明確的，那就是產業化和商業化。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，而在生物製藥、化學化工以及科研院所等方面，也在發力商談。

“這確實是一個很早的行業，我們不能指望它在一兩年之內就能迅速成熟起來。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模研發的投入。如果對方能夠找到一些好的應用，自然會考慮大規模的採購。如此正向迴圈之下，我們也能夠以更強效能的產品佔據這部分市場，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業化還有很長的路要走，需要政產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後，潘建偉院士總結稱，“未來儘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 圖片來源：北京商報記者攝