中共中央政治局10月16日下午就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。中共中央总书记习近平在主持学习时发表了讲话。习近平总书记的讲话深刻阐述了我国量子科技深化发展的方向和路径，充分体现了党中央对该领域的高度重视。

会后，量子科技一词迅速成为热词

掀起一波学习浪潮

然而，什么是量子科技？

量子科技在当前有哪些应用？

中国在量子科技领域有着怎样的国际地位？

中国科学技术大学的副研究员

科普专家袁岚峰将为大家逐一科普

近年来，你肯定看到了越来越多与“量子”有关的科技新闻。2016年8月16日，我国发射世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”，更是全球轰动。但你如果想了解量子科学，在网络上看到的又大多是各种玄而又玄、莫名其妙的说法，什么“没有人懂得量子力学”，“超时空的瞬间作用”，“上帝不掷骰子”，越看越糊涂。你不禁会嘀咕：也许这么高深的东西，本来就超出了我的理解范围？

实际上，量子科技并非无法言传，它是完全可以理解的。

01 “量子”是什么？

量子科学之所以显得神秘，首先这个名字就是一大原因。

看到“量子”这个词，许多人在“不明觉厉”之余，第一反应就是把它理解成某种粒子。但是只要是上过中学的人，都知道我们日常见到的物质是由原子组成的，原子又是由原子核与电子组成的，原子核是由质子和中子组成的。那么量子究竟是个什么鬼？难道是比原子、电子更小的粒子吗？

其实不是。量子跟原子、电子根本不能比较大小，因为它的本意是一个数学概念。正如“5”是一个数字，“3个苹果”是一个实物，你问“5”和“3个苹果”哪个大，这让人怎么回答？正确的回答只能是：它们不是同一范畴的概念，无法比较。

量子这个数学概念的意思究竟是什么呢？就是“离散变化的最小单元”。

什么叫“离散变化”？我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半个人、1/3个人。我们上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶、1/3 个台阶。这些就是“离散变化”。对于统计人数来说，一个人就是一个量子。对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化，我们就说它是“量子化”的。

02 什么是“量子力学”？

量子力学和相对论是二十世纪的两大科学革命，对人类的世界观产生了强烈的震撼。但论公众中的知名度，量子力学似乎比相对论低得多。原因可能在于，相对论主要是由爱因斯坦一个人创立的，孤胆英雄的形象易于记忆和传播，而量子力学的主要贡献者有好几位，没有一个独一无二的代言人。爱因斯坦和相对论称得上妇孺皆知，而听说过量子力学中的“薛定谔的猫”、“海森堡测不准原理”这些词的人，已经算是科学发烧友了。

描述微观世界必须用量子力学，宏观物质的性质又是由其微观结构决定的。因此，不仅研究原子、分子、激光这些微观对象时必须用量子力学，而且研究宏观物质的导电性、导热性、硬度、晶体结构、相变等性质时也必须用量子力学。

许多最基本的问题，是量子力学出现后才能回答的。例如：

为什么原子能保持稳定，例如氢原子中的电子不落到原子核上？（因为氢原子中电子的能量是量子化的，最低只能取-13.6 eV，如果落到原子核上就变成负无穷，低于这个值了。）

现代社会硕果累累的技术成就，几乎全都与量子力学有关。你打开一个电器，导电性是由量子力学解释的，电源、芯片、存储器、显示器的工作原理是基于量子力学的。走进一个房间，钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶的性质是由量子力学决定的。登上飞机、轮船、汽车，燃料的燃烧过程是由量子力学决定的。研制新的化学工艺、新材料、新药，都离不开量子力学。

03  量子信息——量子力学与信息科学的交叉学科

既然量子力学出现已经超过了一个世纪，为什么最近在媒体上变得如此火热？回答是：量子力学与信息科学的交叉学科——量子信息。

而量子信息跟经典信息相比有很大的优势。

首先是一个显而易见的优势。前面比喻过：经典比特是“开关”，只有开和关两个状态，而量子比特是“旋钮”，有无穷多个状态。旋钮的信息量显然比开关大得多。

还有一个稍微复杂一点的优势。一个包含n个经典比特的体系，总共有2?个状态。想知道一个函数在这个n比特体系上的效果，需要对这2?个状态都计算一遍，总共要2?次操作。当n很大的时候，2?是一个巨大的数字。指数增长是一种极快的增长，比n的任何多项式都快。比如说，2?比n的10000次方增长得还要快。

指数增长的威力

如图所示，指数函数虽然在最初落后，但很快势不可挡地超越了线性函数和三次方函数，而且越到后面把它们甩得越远。

但在欢呼之前，我们需要认清，这个巨大的优势并不容易利用。因为所有2?个结果是叠加在一起的，读取出来需要做测量，而一做测量就只剩下一个结果，其余的结果都被破坏了。所以我们只能把这个优势称为潜在的巨大优势，真要利用它，需要非常巧妙的算法。

04 量子信息的应用

量子信息的研究内容包括量子通信和量子计算。从这两个名字我们立刻就可以发现，量子信息还没有进入生活，因为大家都还在用经典的电脑和手机呢。具体地说，量子通信已经有了一些实际应用，量子卫星就是做相关实验的。而量子计算的发展程度要低得多，还处于演示阶段，尚未造出有实用价值的量子计算机。

量子信息究竟能用来干什么呢？下面我们来介绍量子信息的四项应用。在量子计算方面，有量子因数分解（破解最常用的密码体系）和量子搜索（用途最广泛的量子算法）。在量子通信方面，有量子隐形传态（“传送术”，最富有科幻色彩的应用）和量子密码术。

顺便提一下，有些人迷惑光量子计算机跟量子计算机是什么关系，甚至还有人说光量子计算机不是量子计算机。实际上，量子计算机总需要用某种物理体系来实现，好比电子计算机可以用电子管实现，也可以用晶体管实现，甚至可以像《三体》中设想的那样用几千万人来实现。光量子计算机就是用光子作为量子比特的量子计算机。除了光子之外，量子计算机常用的物理体系还包括光学共振腔、离子阱、核磁共振等等。

05  中国在量子科技领域的国际地位

量子信息领域的国际竞争，在量子通信方面，中国领先，欧洲和美国也投入了很多努力，在跟随中国发展。在量子计算方面，欧美领先，中国也不断做出重要的成果，最近接近了并驾齐驱。如果这两个领域相比较，整体而言量子计算的重要性高于量子通信，但离实用也更远。

对于中国来说，量子密码术简直是上天送来的礼物，应该以最高的优先级发展。如《孙子兵法》所言：“先为不可胜，以待敌之可胜。不可胜在己，可胜在敌。”好比在冷战时期，美苏追求的是全球霸权，而中国追求的首先是保住自己，所以美苏的上万件核武器都不能达到目标，而中国的有限核威慑就足以达到目标。

墨子号量子卫星的发射和量子通信京沪干线的建设，标志着中国的量子通信接近了产业化。自从人类进入近代社会以来，这是第一次由中国创造一个新的产业。我们在许多产业做到了世界第一，例如高铁、电信、超算，固然都很了不起，但这些产业都是别人开创的，我们是在别人的框架里后来居上。只有量子通信，在国际上是没有先例的。这个中国首创的产业是一座里程碑，历史意义十分重大。

同时，我们要认识到，创新不只是科技人员的事，全社会民众都应该参与进来，建立推崇创新、奋发有为的文化。