科普 | 薛其坤院士“量子科技课”讲了什么

来源：安徽省科技厅

量子科技

10月16日下午，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。习近平总书记指出，近年来，量子科技发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。加快发展量子科技，对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。

清华大学副校长、中国科学院院士薛其坤就这个问题进行了讲解。

量子力学造就了第三次科学革命

量子力学是关于微观物质世界运动规律的理论体系，与相对论一起构成现代物理学的理论基础，而且在化学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。

量子科学发展，触发了第一次量子技术革命。第一次量子技术革命，是从认识量子世界、发现量子效应到发展量子技术应用。信息时代的关键核心技术，如晶体管、激光、硬盘、GPS等是第一代量子技术的一些例子。

目前我们已经进入第二次量子技术革命时代，是通过主动人工设计和操控量子态发展量子技术和应用。近年来，以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术的研究与应用在全球范围内加速发展，各国纷纷加大投入力度和拓宽项目布局。量子计算会颠覆性提高信息运算处理速度，量子通信会大幅度提升通信安全性，量子精密测量和传感技术会在未来数字时代和万物互联时代有着广泛的应用。

世界主要科技强国近期均出台了国家层面的量子信息技术战略计划。美国正在建设量子网络；英国建成了连接布里斯托、剑桥等地的量子网络，并联合新加坡启动了量子卫星项目；德国、法国等19个欧盟成员国签署了未来十年开发和部署欧盟范围内量子通信基础设施的声明。

新世纪以来我国在量子科学和技术上取得一系列成就

近年来，我国加大了对量子科技的研究投入，技术创新活跃，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，包括量子反常霍尔效应的实验发现、“墨子号”量子科学实验卫星的发射等。

什么是量子反常霍尔效应？它的发现有什么重大意义？在认识量子反常霍尔效应之前，让我们先来了解一下量子霍尔效应。量子霍尔效应，于1980年被德国科学家发现，是整个凝聚态物理领域中重要、最基本的量子效应之一。举了个简单的例子：我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上“一往无前”地前进。

然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，“相当于外加10个计算机大的磁铁，这不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机。”薛其坤院士介绍，量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

得益于量子保密通信高度安全性，量子通信在国防、财务和金融专网等领域具有重要应用。如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”，那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。

“墨子号”量子科学实验卫星于2016年8月16日1时40分，在酒泉用长征二号丁运载火箭成功发射升空。此次发射任务的圆满成功，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。2017年1月18日，“墨子号”量子科学实验卫星圆满完成了4个月的在轨测试任务。

“墨子号”量子卫星圆满实现预定的全部三大科学目标，取得了千公里级星地量子纠缠分发、高速量子密钥分发、量子隐形传态等重要成果，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。国际权威期刊《自然》杂志曾评价：“墨子号”量子卫星研究成果标志着中国在量子通信领域的崛起，从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅。

加快量子科技发展，推动第二次量子技术革命

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。

2018年美国出台了《量子信息科学国家战略纲要》，欧盟于2018年正式启动“量子旗舰计划”，10年计划投入10亿欧元。德国于2018年发布“联邦量子技术计划”，1期投入6.5亿欧元；在新冠肺炎疫情后的经济刺激计划中，特设“量子专项”，再投入20亿欧元。

我国对量子信息技术研究和应用方面也加大支持力度，突破瓶颈障碍，聚力加快发展。如：国家“十三五”规划纲要在支持战略性新兴产业发展中，明确将量子通信作为重要发展方向；2017年，国家发展改革委组织实施了“京沪干线”技术验证及应用示范项目；国家信息中心、国科量子、国家数据通信工程技术研究中心于2019年底联合组建了电子政务量子安全工程实验室；今年3月，科技部印发《关于科技创新支撑复工复产和经济平稳运行的若干措施》要求，大力推动关键核心技术攻关，加大5G、人工智能、量子通信、脑科学、工业互联网、重大传染病防治、重大新药、高端医疗器械、新能源、新材料等重大科技项目的实施和支持力度。

总体上看，我国已经具备了在量子科技领域的科技实力和创新能力。同时，也要看到，我国量子科技发展存在不少短板，发展面临多重挑战。“科学家正在量子科学领域开疆拓土，而量子技术要真正给人类带来福祉，还需要更多创新创业者、企业家、投资人等的加入。”薛其坤院士表示。

（来源：中央纪委国家监委网站 ）