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一个事物如果存在最小不可分割的基本单位，我们就可以说它是量子化的，并把最小单位称为量子。
日前，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。量子科技成为舆论关注的热点话题。
认识量子科技先要从量子说起。量子是什么？根据量子理论，量子是构成物质的最基本单元，是能量的最基本携带者，不可分割。一个事物如果存在最小不可分割的基本单位，我们就可以说它是量子化的，并把最小单位称为量子。所有人们熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子，都是量子的一种表现形态。
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什么是量子
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中国科学院物理所研究员曹则贤在2020年跨年科学演讲中曾打过这样一个比方：我们生活中可以见到的、感知到的事物，包括光与能量的最小单位都能称之为量子。就像我们远处看鱼群是乌泱乌泱的一片黑，但是放大了看就是一条条鱼，这就可以说是鱼群的量子。
量子指的是物质不可再分的基本单元。通俗来说，如果把能量等物理量一份份往下分，分到无法再分的小块就是量子。例如，光量子就是光能量的基本单元，不可能再分为半个、1/3个光子。事实上，我们在物理课上所学到的分子、原子、电子等，都是量子的不同表现形式。
1900年，德国物理学家马克斯·普朗克提出量子理论，开启了研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支。120年来，全球几代科学家孜孜以求，在量子理论、量子科技及其应用等领域开疆拓土。
在宏观世界中，牛顿经典力学可以帮助我们理解和测算物体的运动、速度等规律。但在量子微观世界中，许多规则却与我们的认知截然不同。其中的两个基本原理就是“叠加”和“纠缠”。
叠加原理，最经典的理论莫过于神秘莫测的“薛定谔的猫”。根据量子力学理论，物质在微观尺度上可以同时存在多种状态和多个位置的“叠加”。
为了解释叠加状态，奥地利物理学家薛定谔在1935年提出了经典理论：将一只猫关进装有少量镭和氰化物的箱子里，如果镭发生衰变，就会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死;反之，猫就存活。在量子世界中，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，“可怜的”猫咪便处于死猫和活猫的叠加状态。
更为神奇的是，如果想要测量量子，它便会从叠加状态变为确定的状态，就像是如果有人怀着好奇心去打开箱子，便只能看到一只死猫或者活猫。
一个量子可以“叠加”多种状态，多个量子则会产生“纠缠”的奇妙反应。两个处于量子纠缠状态的粒子，就像双胞胎的心灵感应一样。无论相隔多远，当一个量子的状态发生变化，另一个量子也会超“瞬间”发生变化。对于诡异的纠缠现象，爱因斯坦在当时也难以作出解释，将其称之为“鬼魅般的超距作用”。
中国科学技术大学副研究员、科普专家袁岚峰在媒体上这样撰文解释：量子的本意是个数学概念，简言之就是“离散变化的最小单元”。什么叫“离散变化”？袁岚峰这样撰文解释：我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半个人、三分之一个人。我们上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，不能上半个台阶、三分之一个台阶。这些就是“离散变化”。对于统计人数来说，一个人就是一个量子。对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化，我们就说它是“量子化”的。
与我们认识的宏观世界不同，人们发现在量子这一微观世界中许多实验现象违背常识，完全无法用经典物理学诠释。比如，根据经典物理学，一个客体的状态（用0和1表示）就像最简单的二进制开和关，只能处于开或者关中的某一个状态，即要么是0要么是1，这就好比一只猫，要么是生要么是死，不能同时“又生又死”。
然而，这一理论并不适用于量子世界。在量子世界中，一只猫可以处于又生又死的叠加状态。这种所谓的量子相干叠加正是量子世界与经典世界的根本区别。更为神奇的是，这种叠加状态极其脆弱，一旦有人去测量，它就会立刻从叠加状态变为确定状态。
美国物理学家、诺贝尔奖获得者穆雷·盖尔曼曾发出如是感慨：量子力学是一个神秘的、令人捉摸不透的学科，我们谁都谈不上真正理解，只是知道怎样去运用它。
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量子通信无条件安全
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量子理论诞生100多年来，催生了许多重大发明，核能、激光、半导体等科技得以问世，进而发展出计算机、互联网、手機等重大应用，改变了人类文明进程。今天，量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。
虽然听起来很神秘，其实量子科技距离我们并不遥远。比如，信息时代的关键核心技术，晶体管、固态硬盘、扫描电子显微镜等，即是第一代量子技术的代表性成果。今天，量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。
目前，应用最为成熟的当属量子通信。所谓量子通信，简单说就是利用量子力学相关原理解决信息安全问题的通信技术。其中，一个著名原理就是量子纠缠。一般情况下，量子体系中一个物理量的值并不能预先确定，而是依赖于采取何种测量基;进一步，对处于量子纠缠的两个粒子，对其中一个粒子的测量结果会瞬间确定另一个粒子的状态，不论它们相距多么遥远。这一被爱因斯坦称作“鬼魅般的超距作用”，便是量子通信的理论基础。
传统通信方式建立在加密算法或者加密技术基础之上，如果计算能力足够强大破解了加密算法，就有被窃听风险。量子的独有特性，使其具有不可克隆、测不准等“先天优势”。用量子做成的“密钥”来传递信息，加密内容不会被破译，窃听者必然会被“抓包”，这为破解信息加密“瓶颈”提供了解决方案。
2016年8月，中国发射了自主研制的世界上首颗空间量子科学实验卫星——“墨子号”。《自然》杂志曾评价道，在量子通信领域，中国用了不到10年的时间，由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅，将领先于欧洲和北美。
近年来，中国量子通信技术取得多项突破性进展。“墨子号”的发射为通过太空“量子传密”提供了可能。实验表明，在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比地面光纤信道高1万亿亿倍，卫星平均每秒发送4000万个信号光子，一次实验可生成300千比特（kbit）的密钥，平均成码率达1.1千比特/秒（kbps）。
与此同时，中国科研人员还利用量子卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发等成果。2017年，全球首条量子保密通信骨干网“京沪干线”项目通过总技术验收。
今年，中国科学家在量子通信领域同样取得诸多成果——
3月，中国科学技术大学潘建伟团队等研究人员实现了500公里级真实环境光纤的双场量子密钥分发和相位匹配量子密钥分发，传输距离达到509公里，创造了新的世界纪录。
5月，中国科研团队在国际物理学权威期刊《现代物理评论》上发表论文，系统阐述了量子密码的原理、理论和实验技术，为量子密码的广泛应用以及标准化制定奠定了基础。
今年9月，郭光灿院士团队与奧地利同行合作，首次实现了高保真度的32维量子纠缠态，显著提高了量子通信的信道容量，创造了当前世界最高水平。
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量子计算潜力无限
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除了量子保密通信，科学家们密切关注的另一个重要应用是量子计算机。
在古代，人们就已制造出了可做一定计算的器具与机器。比如，中国发明的算盘，欧洲早期发明的各种计算器械。现代意义上世界第一台计算机名为埃尼阿克，它重达27吨，占地150多平方米，在1945年建造成功，目的是计算炮弹弹道。冯诺依曼1945年明确提出了存储程序通用计算机方案，规划了电子计算机架构，使得计算机可以被广泛应用。
“但是，现有计算机基于微处理器芯片摩尔定律，这无疑会碰到技术瓶颈，于是人们开始思考建造一种全新计算机——量子计算机。”根据范桁的介绍，量子计算机的运行遵循量子力学原理，以量子比特为基本信息单元，以量子纠缠、相干叠加和量子测量为特色，其发展也将遵循经典计算机类似的轨迹。“不过，我们现在看到的量子计算机原型机功能比较单一，只能模拟某些特定量子过程，或者解决某些简单问题。”范桁说。
近年来，在量子计算领域，世界各个科技发达国家群雄逐鹿，IBM、谷歌、微软等企业你追我赶，通过不同技术路径实现对更多量子比特的操纵。去年10月，谷歌研究人员在《自然》杂志发表论文称，已成功演示“量子霸权”，让量子系统花费约200秒完成传统超级计算机要1万年才能完成的任务。
所谓“量子霸权”，即量子计算机在某个特定问题上的计算能力超过传统计算机，解决传统计算机在合理时间范围内无法解决的复杂难题。尽管多方对于谷歌的研究成果仍存质疑，但毫无疑问，量子计算机已经接近超越传统计算机的运算能力和应用前景。
不仅如此，与经典算法相比，人们已知运行于量子计算机的某些量子算法具有明显优势。比如，肖尔算法和格罗夫量子搜索，它们都在信息安全方面具有重要应用，这些算法的实用化运行将迅速对现有信息安全体系造成全面冲击。在实用性方面，量子搜索算法可以期望应用于大数据;量子退火算法可以应用于优化问题，比如物流和交通优化等;量子模拟可以被应用于量子化学和量子物理研究，比如生物合成和药物筛选等;量子模拟向量网络态可应用于机器学习和神经网络等。既然如此强大，量子计算机何时能从梦想照进现实？范桁坦言，量子计算机的研究刚刚起步，距离实用化需要的成千上万个量子比特仍有较大距离。此外，量子计算机的建造兼具工程与科学特色，不可控因素较多，技术上也有瓶颈需要克服。因此，需要各领域专家联合攻关，在集中资源重点突破的同时，兼顾多种技术路线。
比如，IBM等高科技公司逐渐摆脱了单纯科研探索模式，以实用化、集成和综合性为目标，其研发涵盖软硬件各个方向，实现方案大多选择了超导量子计算方案，以提供云量子计算服务，培养量子计算生态作为一个重要的目标。
通过科学家的奋力追赶，在量子计算领域，中国整体上与发达国家处于同一水平线。近年来，多支科研团队在量子计算领域取得阶段性成果。去年年底，潘建伟等学者与德国、荷兰的科学家合作，在国际上首次实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算，在四大关键指标上均大幅刷新国际纪录，逼近实现量子计算研究的重要目标“量子霸权”。
而在企业方面，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。今年9月，中國企业自主研发的6比特超导量子计算云平台正式上线，全球用户可以在线体验来自中国的量子计算服务。
当前，在量子科技领域整合科技资源、集中力量突破，已在主要发达国家中形成广泛共识。欧美发达国家的政府、科研机构和产业资本正在加速进行战略部署，大幅度增加研发投入，对中国取得的局部领先优势发起强烈冲击。
近年来，我国科技工作者在量子科技上奋起直追，取得一批具有国际影响力的重大创新成果。经过30多年努力，中国已崛起为国际量子科研版图上的重要力量，在多个战略方向上实现领跑或进入第一阵营。
对此，潘建伟指出，量子科技是事关国家安全和社会经济高质量发展的战略性领域，必须将创新主动权和发展主动权牢牢掌握在自己手中。特别需要面向长远目标，通过国家层面的顶层设计和前瞻布局，整合优势资源形成自主创新的体系化能力。
◎ 来源|综合经济日报、人民日报海外版