2030?預見未來：量子互聯網、量子計算機將投入應用

陸朝陽預測，我國將在未來10年內建成一個天地一體化的量子通信網路，用來保障國家安全和個人支付安全；2030年前，量子計算機也將投入實際應用，解決許多具有重大經濟和社會價值的問題。

到2030年，科技發展會給我們生活帶來什麼樣的改變？「2030?預見未來」創新說暨上海市科技系統青年表彰會近日舉行，中科大上海研究院教授、國家自然科學獎一等獎獲得者陸朝陽等7位科技工作者上台演講，從各個角度為聽眾展示了我國科技發展的趨勢。在量子科技領域，陸朝陽預測，我國將在未來10年內建成一個天地一體化的量子通信網路，形成下一代的量子互聯網，用來保障國家安全和個人支付安全；2030年前，量子計算機也將投入實際應用，解決許多具有重大經濟和社會價值的問題。

量子會像孫悟空那樣「分身」

量子科技的基礎是量子力學，這是一個與牛頓力學等經典力學差異很大的物理學分支，由普朗克、愛因斯坦、德布羅意、玻爾、海森堡、薛定諤等物理學家創立。它是迄今為止描述微觀世界最準確的理論，也堪稱世界上最難理解的科學理論。玻爾有句名言：「如果誰不對量子論感到困惑，他就沒有理解這個理論。」物理學家費曼則說：「我想我可以很確定地說，沒有人理解量子力學。」

儘管如此，陸朝陽在演講中還是儘力科普，讓聽眾對量子力學有基本的了解。在物理學中，一個量如果不能連續變化，只能取一些分立的值，我們就說它是量子化的。好比上台階，只能上一個台階，而不能上半個。宏觀世界裡的物理量似乎都能連續變化，但在微觀世界，許多物理量是量子化的。如氫原子中電子的能量只能取一個基本值——-13.6電子伏特或者其1/4、1/9、1/16、1/25等，而不能取其2倍或1/2、1/3。

量子力學描述世界的語言與經典力學有根本區別。經典力學描述一個物體的狀態，會給出它的明確位置；量子力學描述一個微觀粒子的狀態，給出的則是疊加態——這個粒子在某些情況下既可能在這裡，也可能在那裡，沒有確定位置。好比孫悟空的分身術，一個孫悟空同時出現在多個地方，孫悟空的各個分身就像是他的疊加態。

量子通信為何「無條件安全」

在通信領域，經典通信的信號只有0和1，量子通信不但有信號0和1，還有0+1、0-1等量子疊加態。通過這種特性，科學家發現了量子不可克隆原理：在量子力學中，不可能實現對一個未知量子態的精確複製。這是量子通信達到「無條件安全」的基本科學原理之一。

陸朝陽說，任何經典通信都存在被竊聽的可能性。如打電話時，他人可通過竊聽器，從通信線路中的信號中分出一些，使其進入另一根線路。竊聽時，0和1這兩種信號不會被擾動，所以通話者無法察覺。與經典通信不同，量子通信可以將信息編碼，載入到單個光子的量子疊加態的偏振方向上。單光子是光能量的最小組成單元，不能被再分割，量子狀態無法被精確複製，任何竊聽行為都會對其造成擾動，從而被通信雙方察覺並規避。通過量子態傳輸，通信雙方協商生成量子密鑰，再加上對信息進行「一次一密」的加密保護，真正實現信息在傳輸中的完全隨機、不可破譯，從根本上解決通信安全問題。

我國正在構建的天地一體化量子通信網路

去年8月，我國發射了世界首顆量子科學實驗衛星，並已建成量子通信「京滬幹線」，在全球處於領跑地位。陸朝陽預測，到2030年，量子通信將實現大規模應用。經典通信的硬體設施不會被取代，只需在原有設施上「錦上添花」——在通信發送端和接收端安裝單光子探測器、量子網關等量子加密設備，即可在電話、傳真、光纖網路等原有通信網路中實現量子通信，安全性大幅提升。

量子計算機將「秒殺」超算

利用0+1、0-1等量子疊加態，各國科技人員還在研發量子計算機。經典計算機的1比特，要麼是0，要麼是1。而量子比特能同時處於0和1兩種狀態。隨著可操縱的量子數量增加，量子計算機的計算能力就會指數級上升。

指數級上升的威力有多大？印度的棋盤麥粒故事很能說明問題。舍罕王打算獎賞國際象棋的發明人——宰相西薩·班·達依爾，就問他想要什麼。達依爾對國王說：「請您在這張棋盤的第一個小格里，賞給我1粒麥子，在第二個小格里給2粒，第三小格給4粒，以後每一小格都比前一小格加1倍。請您把擺滿棋盤上所有64格的麥粒，都賞給我吧！」國王覺得這個要求太容易滿足了，就命令手下搬來幾袋麥粒。當計數開始一段時間後，國王才發現：就算把全世界的麥粒都拿來，也填不滿這些象棋格子。

同樣道理，當量子計算機可操縱的量子數達到一定級別，它的計算能力會十分驚人。陸朝陽表示，當計算機發展到50個量子位的時候，就能夠實現「量子稱霸」，對特定問題的處理能力遠超現在的超級計算機。這意味著，許多大規模計算難題能得到有效的解決方案，在密碼破解、氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探等領域具有巨大的應用前景。

我國科研團隊研發的10比特量子處理器 黃海華 攝

今年5月，中科大潘建偉院士團隊利用高品質量子點單光子源，構建了世界首台超越早期經典計算機的光量子計算機。潘建偉團隊還與浙江大學王浩華教授課題組合作，實現了目前世界上最大數目（10個）超導量子比特的糾纏。到2030年，50個量子位的新一代計算機投入實際應用，絕非幻想。

題圖說明：陸朝陽在「2030?預見未來」創新說活動上演講。

圖片來源：作者提供 圖片編輯：徐佳敏

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