2020-10-24

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By yqqlm yqqlm

审核专家:倪海桥

中国科学院半导体研究所

半导体超晶格国家重点实验室研究员

10月16日,中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。习总书记在主持学习时强调,深刻认识推进量子科技发展重大意义,加强量子科技发展战略谋划和系统布局。一时间,从科研院所到街头巷陌,量子科技成为大家学习和讨论的话题。

然而,你真的了解量子吗?总书记强调的量子科技你真的理解了吗?

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“墨子号”实现基于纠缠的无中继千公里量子保密通信 来源|量子物理与量子信息研究部官网

被第一代量子科技包围的我们

量子这个充满“未来感”的词汇,似乎总让人感觉很神秘,很高端,离我们的生活很遥远。

然而,量子科技——准确来说是第一代量子科技,其实无处不在,它可能是你手中的手机、电脑、智能手环、激光笔,也可能是太空中的卫星、实验室里的显微镜,亦或是医院中的核磁共振仪……从寻常物件到精密的实验仪器,都有量子科技的影子。

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其实智能手环、手机、电脑也算是量子科技,但不是总书记说的那种 来源|某品牌宣传图样

正如清华大学副校长、中国科学院院士薛其坤在央广新闻的采访中所讲:量子科技并不是一个很新的事情,量子力学建立100多年,量子科学的认识和发展导致现代的信息技术、计算机、通信,还有高密度信息存储、全球定位系统,都是量子技术一些隐形的应用。(来源:央广新闻)

拿我们身边的电子产品举例。你知道吗?100多年前,人们甚至无法解释为什么有的材料会导电,而有的不行,人们也无法断定导电的物体内部到底发生了些什么。

直到阿诺尔德·索末菲(Arnold Sommerfeld,德国物理学家,对早期量子理论有一定贡献,同时作为老师的他培养了一代物理学人才)尝试着用当时新兴的量子力学解释金属导电的原因,“电子与信息”的序幕才得以打开。

威廉·劳伦斯·布拉格(William Lawrence Bragg,英国物理学家)、马克斯·冯·劳厄(Max von Laue)先后揭示了晶体结构的秘密(在同一时代两人都对晶体的X射线颇有研究,并从不同角度诠释了晶体中X射线衍射的规律,二人也先后获得了诺贝尔奖)

晶体结构与量子力学共同孕育了能带理论(一种描述固体内电子运动的理论),揭示了材料为何导电的秘密。

随着半导体这种特殊的材料开始受到人们的关注,人们成功用能带理论解释了半导体奇怪的导电行为,并试图用它发明一种全新的电子元件,来取代电子管的地位。

1947年,肖克利、巴丁和布拉顿研制出一种点接触型的锗晶体管,敲开了微电子领域的大门,三人因此获得1956年诺贝尔物理学奖。

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世界上第一个晶体管复制品 来源|维基百科

1952年结型场效应管被制造出来。1960年Dawan Kahng(강대원,美籍韩裔电气工程师)发明了对电子行业的发展有着深远的意义的金属氧化物半导体场效应晶体管,现代相当一部分电子器件都是基于这种结构。

后面的事情大家都很熟悉了,个人计算机、互联网、智能手机相继问世,人们进入了电子与信息的时代

此外,量子力学也引领了激光、化学、材料、医药、生命科学等领域的发展。

第一代量子科技本质上是利用量子力学,让我们从微观角度对物质的各种宏观的性质有了新的认识,并设计出一系列产品。

而随着技术的发展,今天我们能够在微观尺度上对物质进行调控、测量,并直接应用物质特殊的微观性质设计出实用的器件,这便是第二代量子科技。总书记在集体学习中所强调的量子科技,实际上指的是这一类。

第二次“量子革命”你准备好了吗?

第二代量子科技指什么?为什么今天我们国家要大力发展第二代量子科技并将其上升到国家战略层面?

第二代量子科技主要包括量子通信量子计算以及量子精密测量三个领域,这也是目前我国量子科技发展的三个大方向和切入点。

那么,为什么这三个领域成为了当下我国乃至全世界科技发展的突破点呢?

一方面,量子通信、量子计算与量子精密测量在理论和实验两方面都已经有较丰富的基础研究,如何进一步将这些研究应用到实际成为人们关注的话题。

尤其是量子精密测量,它的研究与发展对卫星导航、工程检测、遥感测绘、材料检测、医学检验等方面影响巨大,可以说无论是国家的大型工程建设,还是每个人的衣食住行都能从量子精密测量的发展中获益。

另一方面,包括量子密钥分发和量子隐态传输在内的量子通信技术,有望构建一套目前最安全、最不容易泄密的通讯系统。

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量子密钥分发 来源|中国科学技术大学

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量子隐态传输示意图 来源|中国科学院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中国科学技术大学上海研究院

而量子计算在检索信息和质因数分解等方面惊人的计算优势,直接撼动了基于RSA的传统加密方式,让很大一部分密码直接失效。

这使得量子通信与量子计算在国家安全方面有着重要的意义,对国防、政务、金融都有着深远的影响。

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Google量子计算机 来源|MIT科技评论

如果说第一代量子科技让我们进入了电子与信息时代,让数据和信息成为一种资源与财富,让计算与处理信息的快慢成为衡量生产力的标准,那么第二代量子科技则改变了我们看待和处理信息的方式。

“量子科技2.0”看我国直道超车!

说了这么多,我们国家在量子通信、量子计算以及量子精密测量这三方面做得怎么样呢?

我们都知道第一次量子科技的兴起始于20世纪初,并在整个20世纪得到了长足的发展。然而,我国起步较晚,同时又受到了国外的限制,直至今日,依然遇到了许多“卡脖子”的困境。

然而,以量子通信、量子计算为代表的第二代量子科技,我国与其他国家同时起步,甚至一些项目在立项时,属世界首创。

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墨子号卫星升空 来源|中国科学院

自墨子号卫星发射升空,到今年我国实现基于纠缠的无中继千公里量子保密通信,在量子通信领域,我国已处于世界领先地位,有望在该领域实现直道超车。正是在这样的大环境下,总书记提出了加强量子科技发展的战略。

未来已至,我们正站在新一代量子科技普及的分水岭上,虽然量子计算机距离大规模普及还有很长的路要走,但在未来它将深刻地改变我们的生活,人类对于微观世界的认识以及宏观世界的探索将得到极大扩展。我们也期待新一代量子科技能早日应用到我们每个人的日常生活中。