量子科技|【每日科普】刷屏的量子科技究竟是什么“棋
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2016年8月16号 ， 墨子号量子科学实验卫星成功发射升空 ， “量子”这个神秘的概念 ， 在公众面前掀起面纱 。 近年来 ， 量子科技发展突飞猛进 ， 成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域 。 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 。
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什么是量子？
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“量子”跟我们中学接触的原子、电子、原子核、质子、中子等不是一个维度的概念 。 量子是一个数学概念 ， 代表离散变化的最小单元 。 比如统计人数时只能说1个人 ， 但不能说半个人 ， 那对统计人数来说 ， 一个人就是一个量子 。 当某个东西只能离散变化 ， 我们就说它是“量子化”的 。 而量子力学不仅研究原子、分子、激光这些微观对象 ， 还研究导电性、导热性、硬度、晶体结构等宏观物质 ， 涉及现代社会的方方面面 ， 是和相对论是二十世纪的两个最重要的科学革命 。
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图源中科院物理所微信公众号量子力学有哪些实际应用—科普中国
量子科技为什么重要？
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首先 ， 量子力学建立以后 ， 就成为整个微观物理学的理论框架 ， 带来了后者一个又一个的成功 。
量子力学解释了化学 。 元素周期表、化学反应、化学键、分子的稳定性等 ， 都是量子力学规律所导致 。
量子力学帮助我们理解宇宙 。 我们的宇宙跨越各种尺度 ， 从光到基本粒子 ， 到原子核 ， 到原子、分子以及大量原子构成的凝聚态物质 。 量子力学对于认识这些都起了重要的作用 ， 也因此成为现代技术的基础 。
在微观的尺度上 ， 各种基本力的统一是理论物理的重大问题 ， 依赖于量子力学 。 其他的未解之谜（如暗物质和暗能量）的解决也依赖于量子力学 。
很多天文现象 ， 例如恒星发光、白矮星和脉冲星、太阳中微子的振荡、宇宙背景辐射 ， 乃至宇宙结构的起源等 ， 都是因为量子力学规律 。
很多材料性质 ， 比如导体、绝缘体、磁体、超导等 ， 源于电子的量子行为 。
量子力学带来了丰富的技术和应用 ， 深刻地改变了人类的文明和历史 。 它让我们拥有了来自原子核能量这一新能源 ， 也让我们更有效利用太阳能 。 核弹影响了世界历史 ， 核电则是核能的和平利用 。
量子力学为信息革命提供了硬件基础 。 激光、半导体晶体管、芯片的原理都源于量子力学 。 量子力学也使得磁盘和光盘的信息存储、发光二极管、卫星定位导航等新技术成为可能 。 没有量子力学 ， 互联网和智能手机也不会存在 。
【量子科技|【每日科普】刷屏的量子科技究竟是什么“棋】量子力学也为材料科学技术、医学和生物学提供了分析工具 ， 包括X射线、电子显微镜、正电子湮没、光学和磁共振成像等 。
所以 ， 量子是我们的老朋友 。 事实上 ， 20世纪90年代 ， 诺贝尔奖得主莱德曼就指出 ， 量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一 。 现在的比例还要高得多 ， 很难找到与量子无关的新技术 。 所以说 ， 量子力学是当代文明的一个重要基础 。
这些较传统的科学技术 ， 建立在量子力学基础之上 ， 发展已经比较成熟 。 而近年来 ， 有了一些量子科技新领域 。 基于对单个量子态的操控 ， 量子科学技术出现了新的方向和新的生命力 ， 正在迎来持续量子革命的第二次高潮 ， 也可以说是第二次量子革命 。 比如 ， 通过用量子态作为信息的载体 ， 量子力学不仅像以前那样为信息技术提供硬件基础 ， 而且还提供了软件基础 。
中国的量子科技应用
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量子科技目前有两个最主要的应用 ， 一是量子通信 ， 二是量子计算 。
我国目前研究的量子通信手段被称为量子密钥分发 ， 使用的密钥还是完全随机并只可使用一次 ， 已被严格证明是一种绝对安全的通信方式 。 从目前的人类认知来看 ， 这是一种完美的信息保密形式 。 随着2016年8月我国“墨子号”实验卫星成功发射 ， 量子通信的网络开始迅速铺张开来 ， 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 。
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 。
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而在难度更大的量子计算领域 ， 目前主要参与研发的都是像百度和阿里这样的巨头 。 中国科学技术大学、清华大学等高校近年来都在量子计算领域取得一些阶段性成果 。 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 。 相比量子通信 ， 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 。
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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 。
尽管量子科技现在受到了国家层面的重视 ， 但目前只能说是一步先手棋 。 我们还需要更多时间、人才、研发投入等等 ， 才能把这一产业发扬光大 。
量子时代 ， 你期待吗？end
供稿 | 李帅峰来源 | 天津科普说责任编辑 | 李梦
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