|打破芯片垄断的希望：量子科技碾压传统超算，未来15年世界领先

读者来稿，作者：果不其然678
当今世界正在经历百年未有之大变局，科技创新就是其中一个关键变量， 21世纪最烧脑的前沿科学就是量子力学。普通人都认为量子力学离我们很远，但事实上量子力学是支撑现代科学大厦的支柱。
量子，并不是指某一种具体的粒子，而是对具有量子特性的一类粒子的统称，我们可以简单地理解为：“量子就是一切物质分割到最小，其无法再分割的那个单位物质或者能量” ，比如光的最小单位光子，电的最小单位就是电子，这些都会被统称为量子。

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量子是光子、质子、中子等基本粒子的统称
微观世界，可以说是非常之诡异的，因为它与我们观测的宏观世界形成的规律总是背道而驰的。以至于大多数科学家都无法接受其中很多的设定，比如量子是世界的三大基本原则：
1、叠加态原理，在量子世界当中，叠加态才是物质最普通不过的本质。在我们习以为常的认为“非黑即白”的物体性质，在量子系列当中是根本不存在。大家都知道双缝实验，薛定谔的猫，这些都是说明叠加态原理。
2、测不准原理。叠加态是不可能被精确地测量的，你就算精确测出粒子的位置，但是它的速度却永远都测不准，反之也亦然。
3、观察者效应，虽然一切的事物都是多种可能的叠加态，但是要进行观测，必然坍缩成一个确定无疑的结果。叠加与塌缩，此两者，同出而异名，同谓之玄。
除此之外，还有量子的不连续性，波粒两相性，量子纠缠等等，总之量子力学不光是影响的物理学，还影响了哲学。
量子力学，之所以被称为最成功的理论，因为量子力学的诞生引发了一系列的技术革命，包括原子能、计算机、信息技术等一系列的尖端科技。现如今，作为国家战略的量子科技会迎来第2次的发展浪潮。

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量子计算机
当前量子科技主要应用于量子计算、量子通信以及量子测量三大领域。下面我们一一盘点。
量子计算：
未来量子计算将会是我们打破摩尔定律的锋利之矛，同时也将是打破芯片垄断、实现弯道超车的技术。那量子计算的算力有多强呢？
例一、量子计算机100秒完成的计算，全球最大的超算Summit要花5000多年，这是量子的特性所决定。
相比于传统计算机用的是电流的关和闭表示0和1 ，量子计算机用的是上下电子的自旋状态表示0和1 ，但是不要忘记前文提到量子有一个最最重要的叠加态。
就是说量子比特存储的信息，可能是0、可能是1、也有可能即0也是1的叠加态，它比传统计算机是整整多出了一个维度！千万不要小看多出的一个维度，这相当于，传统超算仅仅是一个三维世界的造物，而量子计算机则来自于四维世界。

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量子计算机性能碾压传统超算
例二、量子计算机的性能随着量子比特的增加呈指数型增长，而传统计算机只能按比特位呈现线性增长，这也是为什么出现英特尔止步在10nm徘徊，理论基础的“摩尔定律”遭遇了元件晶体管的物理极限天花板。所以量子计算机对传统计算机就是的 “降维打击” 。
我国近几年量子计算成绩喜人，但对比大洋彼岸至少还有 4~5 年的差距。据信息通信研究院统计：在专利层面，大洋彼岸不管是申请量还是授权量，都稳居前列。尽管我国专利申请量在 2018 年超过了大洋彼岸，但授权量仍有不少差距。

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谷歌首席执行官桑达尔·皮查伊视察量子计算机
一些关键成果都是大洋彼岸率先做出突破。比如2019 年初， IBM 推出了 20 个比特的量子计算原型机，并且已经开始售卖。 2019 年 10 月，《Nature》杂志刊登了 Google 关于“实现量子优越性”的论文。
Google 制造出了 53 个量子比特数的量子计算机，同样的计算量，量子计算机用 200 秒就完成了，而目前最强的经典超级计算机，要花费 10000 年才能完成。
是有差距但成绩一样喜人，量子计算技术是国家战略，我们在理论与实践基础上是处于第一梯队的。在学界，浙江大学和中科院组成的团队，于 2019 年 8 月研发出了一枚具有 20 个量子比特的量子芯片，并且成功操控其实现全局纠缠，刷新了世界纪录。此前，固态量子器件中生成纠缠态的量子比特，最多是 12 个。

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量子计算机工作方式独特
企业方面，华为阿里腾讯百度等都在参与其产业链的建设，其中到2030年量子计算的应用市场规模有望达到4000多亿。
2017 年 5 月阿里巴巴宣布造出了第一台光量子计算机。 2018 年 5 月，阿里巴巴达摩院量子实验室，研制出了全球最强量子点路模拟器“太章” 。而本源量子在 2020 年 9 月 12 日，上线了中国首个接入实体量子计算机的量子计算云平台。被接入的量子计算机叫“悟源” ，其大部分物件都是本源量子自主研发，或由国内厂商制造。
早在2018年，华为就开始云量子计算模拟平台HiQ ，可模拟全振幅42量子比特以上，成为当时业界领先的量子电路模拟云服务。

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华为量子计算云服务
腾讯在量子计算领域的研究更侧重于实际应用，官网已经放出了量子云计算平台和化学计算云平台，但暂时还未对外开放服务。
虽然量子计算的研发，就像是一个深不见底的山洞，我们并不知道山洞里面是价值连城的宝藏，又或者是洪水猛兽，但是今天一群西方列强的争相涌进，中国人是没有理由停滞不前。
量子通信：
请记住这句话， “中国的量子通讯技术，在未来的15年内都将持续保持领先全球。 ”为我们潘建伟团队点赞，为所有默默奉献的科研人员点赞！
量子通信最大最大的优势，就是通信的安全、超远距离的传输效率。
【|打破芯片垄断的希望：量子科技碾压传统超算，未来15年世界领先】在军事上，量子通讯不怕电磁和阻断干扰，这就可以保证各种通讯装备安全，尤其是无人机设备。拥有量子通讯技术加持，将使得无人机的机动性能更强，打击能力也会提升不止一个档次。

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天宫二号空间实验室曾进行量子通信试验
在民用领域上，量子通信是绝对安全的信息传送方式，以后数字货币的支付系统、移动支付、互联网和金融等等的安全性有革命性提高，比如目前银行使用的是较为常用的密钥（RSA），它是有致命的缺陷的，只要有一台足够强大的计算机就能轻易的破解。而量子通信则是利用的量子的叠加态和量子的纠缠效应进行的信息传递，这就使得信息无法被计算破解，有着绝对的安全性，量子通讯啊也着传统通讯的所有特点，但是其优点是传统通讯无法比拟的。
中国目前已实现了量子通信上天下地的构建，奠定了中国在量子通信领域的独领风骚地位。早在2016年，中国就成功的建成了量子通信加密光纤链路“京沪干线” ，这条量子通信保密干线全长 2000 多公里，连接了北京和上海，贯穿济南和合肥，共有 32 个量子通信节点。分页标题

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墨子号卫星
同年还发射全球首颗量子通讯卫星——“墨子”号。
墨子号量子卫星可不简单，其在太空不断发布世界级的重磅成果，目前其已经完成全部三大科学目标：
1.首次实现星地高速量子密钥分发。 “墨子号”与河北兴隆地面光学站建立了光链路，在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级（万亿亿倍）。《自然》杂志审稿人对这一成果的评价是：“这是构建全球化量子密钥分发网络、甚至量子互联网的重要一步。 ”

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河北兴隆地面光学站
2.实现地星量子隐形传态。量子隐形传态可利用量子纠缠将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送粒子本身。 “墨子号”量子隐形传态实验采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。实验通信距离从500公里到1400公里，所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限。
3.首次在空间尺度上开展了量子纠缠分发实验。2020年6月15日， “墨子号”在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发，将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级。

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天地一体化广域量子通信链路示意图
三大预定科学实验任务完成之后， 2018年初，通过与奥地利科学院的国际合作， “墨子号”首次实现了北京和维也纳之间相距约7600公里的洲际量子保密通信。这一成果也被评选为2018年度国际物理学十大进展之一。彰显了在科学探索中的中国责任与担当。

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量子隐形传态实验平台建立天地链路
量子测量：
相比较量子通信和量子计算在舆论场有较高声量，而量子测量的公众认知度相对较小，但普通人首先能用上的量子科技，或许就是量子测量相关成果。
经典测量方法受限于种种因素，测量精度提升面临瓶颈，最直接的例子就是卫星导航。比如在日常生活中一些高楼大厦，或者深山密林中，卫星导航系统的威力很难发挥出来，更不要说深海大洋，因为这些地方的GPS信号很容易受到干扰，很难做到高精度、全天候的授时。在伊拉克战争中，美国就曾经发射过八十多枚使用GPS导航的导弹用以攻击目标，但是只完成了十分之一的打击任务。

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北斗全球卫星导航系统
而量子测量通过利用量子体系（如原子和光子）的量子特性或现象，如叠加态、纠缠态、相干等，可以突破经典力学框架下的测量极限，实现更高精度的测量，有量子测量技术加持的导航则不存在时间和空间上的限制。
目前中国的北斗导航系统利用部分量子测量技术，把定位精度提高到非常高的程度。这得益于，中国的研究人员已将我国首台原子自转陀螺仪原理样机制造成功。这项研究工作的成功，使我国成为了世界上第二个掌握相关技术的国家，我们国家与美国的十年技术差距也由此缩短了三年。未来北斗卫星导航系统还将大力发展量子导航、全源导航、微PNT等新质能力。

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北斗三号GEO卫星
据信息通信研究院统计，与量子通信和量子计算相比，量子测量领域的专利申请和研究论文总量偏少，但近年来呈现增长趋势。分页标题
航空航天大学、科学技术大学以及航天科工三院都在加大加快该领域科研。其中中国科学技术大学刚刚取得一项重要科研进展。潘建伟、陆朝阳等人与普林斯顿大学等机构的学者合作，在同时具备高纯度、高效率的单光子源器件上观察到强度压缩，为实现基于单光子源的量子精密测量奠定了基础。
100年前的量子力学才刚刚诞生，而那时的我们是个积贫积弱的国家，整个民族还处危亡边缘徘徊，现在我们正处在世界科技的最前缘。总有人问我们为什么非要变得强大，因为我们比谁都清楚落后的代价！