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第二次量子科技革命
作者：王小广主编 杨柳著 来源：源头与活水 ：新型科研机构 责任编辑：深小安 2023-03-30 人已围观
量子论是 20 世纪最伟大的科学理论之一，与相对论合称现代物理学的两大基石。量子力学的诞生为人类打开了微观物理世界的大门，并引发 了第一次量子科技革命，耳熟能详的技术包括激光、三极管、半导体元器件、核磁共振成像等都是第一次量子革命的产物。同时，量子科技革命的成果也催生了原子能技术、航天技术、电子计算机技术、全球卫星定位系统等一系列改变世界面貌的重大发明。足见量子技术甫一诞生便对人类文明产生巨大的推动作用，这些技术均已成为国民经济的支柱产业。
但是，这些诞生于 20 世纪中期的量子技术都还局限在利用微观粒子 的集体特性上，更多的是被动利用量子现象而非人为地主动精细操控。随后几十年的科技发展，人类逐渐打开了操纵量子世界的大门。从 20 世纪 90 年代起，我们逐步获得了对微观粒子的操控能力，可以直接观测并通过电热力磁等物理工具精确操纵光子、电子、原子等微观系统，甚至获得了操控和测量单个粒子的量子态的能力，这一划时代技术突破的重要性正如诺贝尔奖评选委员会对 2012 年诺奖获得者塞尔日·阿罗仕（Serge Haroche）和大卫·维因兰德（David J.Wineland）的颁奖致辞里提到的——“突破性的实验方法和测量操纵单个量子系统”。同一时期，一大批的科学家在量子科技的诸多方面取得理论和实践突破，研发出大量新型 实用性量子技术，包括量子计算、量子传感、量子模拟、量子密码、量子成像等。这一系列基于对微观世界的主动精确操控，使新兴量子技术引爆了“第二次量子技术革命”，促进了量子技术在高性能计算、高精度测量、 通信安全等方面的突破，将对国防、经济、金融等领域产生重大而深远的 影响，有可能带来颠覆性技术，为第四次工业革命提供强大动能。
“第二次量子科技革命”的关键领域涉及量子通信、量子精密测量、 量子计算、量子材料等。它们都运用了量子力学的一些基本原理，如量 子纠缠、量子态叠加效应等。量子纠缠可以在量子通信中起到关键作用， 能从原理上保证信息传输的安全性，成为量子保密通信技术的核心。另外一个量子态叠加效应也很有趣，源于很有名的杨氏双缝实验（Young's Double Slit Experiment）。实验证明一个粒子在量子世界不同的路径、相 互叠加，就像孙悟空的分身术，如果有量子态的孙悟空，那他还真是可以又在花果山水帘洞吃桃子又在天宫打打杀杀。正是量子的这种并行性，使 量子计算机在处理问题时具有传统计算机无法企及的速度优势。其在破解 密钥、数据搜索、解方程组等重大问题上具有远超传统计算机的能力，成为当前世界科技领域的前沿。
量子保密通信、量子精密测量、量子计算、量子材料等技术在未来国 民经济的发展中将发挥举足轻重的作用。量子保密通信是首个从实验室走 向实际应用的量子通信技术分支。通过在经典通信中加入量子密钥分发和信息加密传输，可以提升网络信息安全，它的商业化应用和市场开拓仍需进一步探索。量子保密通信的应用场景（比如政务、金融专网、电力等关 键基础设施网络等）、市场容量和产业规模相对有限，目前主要依靠国家 和地方政府的支持和投入。
量子精密测量是基于微观粒子系统及其量子态的精密测量，在测量 精度、灵敏度、稳定性等方面比传统测量技术有明显优势，包括时间基准、惯性测量、重力测量、磁场测量、目标识别等方向，广泛应用于基 础科研、空间探测、生物医疗、惯性制导、地质勘测、灾害预防等领域。 量子精密测量领域的市场收入将稳步增长。根据波士顿咨询公司（BCG Research）的统计分析，全球量子测量市场收入由 2018 年的 1.46 亿美元 增长到 2019 年的 1.61 亿美元，并预测未来 5 年年复合增长率将在 13% 左 右1。欧美国家，特别是北美地区量子测量产业收入最高，预计将继续主导收入份额。北美地区是量子精密测量先进技术的领导者和推动者，亚太地 区特别是中国，有望为量子精密测量产业提供巨大的市场。随着国内对车联网、物联网、远程医疗等新兴技术研究的持续升温，超高精度、低成本的传感器、生物探针、导航器件等关键产品的需求量会呈指数增长，为量 子测量产业提供广阔的市场空间。
量子计算机与传统计算机分别运用不同的计算模式，在处理计算问题 时有无法企及的效率优势。尽管量子计算机目前仍处在产业发展的初期阶段，但气象、金融、石油化工、材料科学、生物医疗、航空航天、汽车交 通、图像识别、咨询等行业已注意到其巨大的发展潜力。据波士顿咨询公 司预测，量子计算机将有可能很快具备传统计算机无法解决的相关问题的 能力，随着时间的推移，预计未来每年将带来超过 4500 亿美元的营业收 入，并对社会生产和经济发展产生革命性的影响。比如，对仅有数百个集散地的物流网络而言，要穷尽所有可能性，传统计算机需要数十亿年时 间，而量子计算机可以利用巨大的量子态空间和并行处理能力，高速地得到问题的最优解。这将有助于物流运输、航空旅行、交通管制、金融资产 管理等领域中的运营效率最大化。同时，量子计算将在减少碳排放、提升 重大灾难预测、金融市场稳定、国防安全等领域拥有巨大的应用前景。
未来信息材料聚焦各类新型量子材料，因其奇异的物理特性以及广阔的应用前景，受到世界各国的广泛关注。正如美国能源部印发的《用于能 源相关技术的量子材料的基础研究需求研讨会》报告指出的，量子材料的研发对于超敏感探测器、计算和信息存储中的超低功耗器件、未来的量子计算组件等都具有重要意义。而量子材料的超导性质的研究对于磁悬浮列车、大功率输电线路、大功率互联等都具有重要社会意义和经济价值。拓扑量子材料的研发有助于实现新一代的拓扑量子计算机，能从根本上带来 整个社会的经济和科技革命。基于量子材料的新型器件的研发，对于未来信息的超快速处理、超高密度磁存储、操纵新量子技术的相干和纠缠等都具有重要应用价值。
但是，这些诞生于 20 世纪中期的量子技术都还局限在利用微观粒子 的集体特性上，更多的是被动利用量子现象而非人为地主动精细操控。随后几十年的科技发展，人类逐渐打开了操纵量子世界的大门。从 20 世纪 90 年代起，我们逐步获得了对微观粒子的操控能力，可以直接观测并通过电热力磁等物理工具精确操纵光子、电子、原子等微观系统，甚至获得了操控和测量单个粒子的量子态的能力，这一划时代技术突破的重要性正如诺贝尔奖评选委员会对 2012 年诺奖获得者塞尔日·阿罗仕（Serge Haroche）和大卫·维因兰德（David J.Wineland）的颁奖致辞里提到的——“突破性的实验方法和测量操纵单个量子系统”。同一时期，一大批的科学家在量子科技的诸多方面取得理论和实践突破，研发出大量新型 实用性量子技术，包括量子计算、量子传感、量子模拟、量子密码、量子成像等。这一系列基于对微观世界的主动精确操控，使新兴量子技术引爆了“第二次量子技术革命”，促进了量子技术在高性能计算、高精度测量、 通信安全等方面的突破，将对国防、经济、金融等领域产生重大而深远的 影响，有可能带来颠覆性技术，为第四次工业革命提供强大动能。
“第二次量子科技革命”的关键领域涉及量子通信、量子精密测量、 量子计算、量子材料等。它们都运用了量子力学的一些基本原理，如量 子纠缠、量子态叠加效应等。量子纠缠可以在量子通信中起到关键作用， 能从原理上保证信息传输的安全性，成为量子保密通信技术的核心。另外一个量子态叠加效应也很有趣，源于很有名的杨氏双缝实验（Young's Double Slit Experiment）。实验证明一个粒子在量子世界不同的路径、相 互叠加，就像孙悟空的分身术，如果有量子态的孙悟空，那他还真是可以又在花果山水帘洞吃桃子又在天宫打打杀杀。正是量子的这种并行性，使 量子计算机在处理问题时具有传统计算机无法企及的速度优势。其在破解 密钥、数据搜索、解方程组等重大问题上具有远超传统计算机的能力，成为当前世界科技领域的前沿。
量子保密通信、量子精密测量、量子计算、量子材料等技术在未来国 民经济的发展中将发挥举足轻重的作用。量子保密通信是首个从实验室走 向实际应用的量子通信技术分支。通过在经典通信中加入量子密钥分发和信息加密传输，可以提升网络信息安全，它的商业化应用和市场开拓仍需进一步探索。量子保密通信的应用场景（比如政务、金融专网、电力等关 键基础设施网络等）、市场容量和产业规模相对有限，目前主要依靠国家 和地方政府的支持和投入。
量子精密测量是基于微观粒子系统及其量子态的精密测量，在测量 精度、灵敏度、稳定性等方面比传统测量技术有明显优势，包括时间基准、惯性测量、重力测量、磁场测量、目标识别等方向，广泛应用于基 础科研、空间探测、生物医疗、惯性制导、地质勘测、灾害预防等领域。 量子精密测量领域的市场收入将稳步增长。根据波士顿咨询公司（BCG Research）的统计分析，全球量子测量市场收入由 2018 年的 1.46 亿美元 增长到 2019 年的 1.61 亿美元，并预测未来 5 年年复合增长率将在 13% 左 右1。欧美国家，特别是北美地区量子测量产业收入最高，预计将继续主导收入份额。北美地区是量子精密测量先进技术的领导者和推动者，亚太地 区特别是中国，有望为量子精密测量产业提供巨大的市场。随着国内对车联网、物联网、远程医疗等新兴技术研究的持续升温，超高精度、低成本的传感器、生物探针、导航器件等关键产品的需求量会呈指数增长，为量 子测量产业提供广阔的市场空间。
量子计算机与传统计算机分别运用不同的计算模式，在处理计算问题 时有无法企及的效率优势。尽管量子计算机目前仍处在产业发展的初期阶段，但气象、金融、石油化工、材料科学、生物医疗、航空航天、汽车交 通、图像识别、咨询等行业已注意到其巨大的发展潜力。据波士顿咨询公 司预测，量子计算机将有可能很快具备传统计算机无法解决的相关问题的 能力，随着时间的推移，预计未来每年将带来超过 4500 亿美元的营业收 入，并对社会生产和经济发展产生革命性的影响。比如，对仅有数百个集散地的物流网络而言，要穷尽所有可能性，传统计算机需要数十亿年时 间，而量子计算机可以利用巨大的量子态空间和并行处理能力，高速地得到问题的最优解。这将有助于物流运输、航空旅行、交通管制、金融资产 管理等领域中的运营效率最大化。同时，量子计算将在减少碳排放、提升 重大灾难预测、金融市场稳定、国防安全等领域拥有巨大的应用前景。
未来信息材料聚焦各类新型量子材料，因其奇异的物理特性以及广阔的应用前景，受到世界各国的广泛关注。正如美国能源部印发的《用于能 源相关技术的量子材料的基础研究需求研讨会》报告指出的，量子材料的研发对于超敏感探测器、计算和信息存储中的超低功耗器件、未来的量子计算组件等都具有重要意义。而量子材料的超导性质的研究对于磁悬浮列车、大功率输电线路、大功率互联等都具有重要社会意义和经济价值。拓扑量子材料的研发有助于实现新一代的拓扑量子计算机，能从根本上带来 整个社会的经济和科技革命。基于量子材料的新型器件的研发，对于未来信息的超快速处理、超高密度磁存储、操纵新量子技术的相干和纠缠等都具有重要应用价值。
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