得量子者得未來(lái) 量子技術(shù)戰(zhàn)略高度

近日，在社會(huì)各界響應(yīng)號(hào)召，共同努力向量子科技發(fā)起進(jìn)攻的同時(shí)，作者意識(shí)到，此時(shí)關(guān)于量子科技的科普同樣重要。我們一邊要全力推動(dòng)量子技術(shù)走向應(yīng)用，另一邊也要時(shí)刻警惕量子概念的“泛化”：不僅那些僅沾了點(diǎn)邊的經(jīng)典技術(shù)跳出來(lái)?yè)u身一變成“量子技術(shù)”，那些八桿子打不著的東西，諸如佛學(xué)算命，衣服鞋襪之流，也披上了量子的外衣。一些非專(zhuān)業(yè)人士對(duì)量子的過(guò)度解讀，更讓量子力學(xué)概念及其技術(shù)應(yīng)用顯得“玄幻莫測(cè)”。如今，中美兩國(guó)都將量子技術(shù)發(fā)展提升到了國(guó)家戰(zhàn)略層面，促使我們必須認(rèn)真對(duì)待這一嚴(yán)肅的學(xué)問(wèn)。本文作者為介紹量子技術(shù)的重要性，從“知其然”的角度對(duì)量子概念進(jìn)行了簡(jiǎn)要科普，避免讀者對(duì)量子概念做過(guò)多無(wú)益的思考。最后，作者還簡(jiǎn)要解讀了一下美國(guó)的《量子前沿》報(bào)告，特別指出其中建設(shè)“量子工程學(xué)”這一新學(xué)科的重要建議。

撰文 ｜ 無(wú)邪（量子計(jì)算從業(yè)人員）

這幾天，有兩則消息，促使我想再寫(xiě)點(diǎn)什么。一是美國(guó)白宮量子協(xié)調(diào)辦公室，在普遍征求各界意見(jiàn)建議之后，將其中的焦點(diǎn)主題整理為一份名為《量子前沿》的報(bào)告；另一則，則是刷爆朋友圈的國(guó)家組織集中學(xué)習(xí)量子技術(shù)并作出重要指示的消息。兩個(gè)消息放到一起，表明中美兩個(gè)世界大國(guó)，同時(shí)將量子技術(shù)提升到了前所未有的戰(zhàn)略高度，大有得量子者得未來(lái)，得量子者得天下的架勢(shì)。

關(guān)于量子技術(shù)，目前網(wǎng)上已經(jīng)有很多科普資料，每當(dāng)出現(xiàn)最新量子技術(shù)的進(jìn)展，也總能抓住公眾眼球，成為爆點(diǎn)。而我頗為擔(dān)憂的是，在這個(gè)信息流時(shí)代，由于更新極快，不管多重要的信息，總會(huì)迅速被更新的東西掩埋，俯仰之間，已為陳?ài)E。在這種情況下，大多數(shù)人很難認(rèn)真地去思考本質(zhì)的東西，去分析其中的脈絡(luò)，以至于哪怕看了大量關(guān)于量子技術(shù)的科普之后，得出的感覺(jué)大抵是“量子技術(shù)好厲害，量子力學(xué)好高深”。既然內(nèi)心認(rèn)定了量子之高深玄奧，也就可以心安理得地告訴自己：我不是那塊料，我無(wú)論如何也是搞不懂的。

此時(shí)此刻，我深切感受到量子科普的重要性。在國(guó)家如此重視量子技術(shù)的背景下，如果不提升國(guó)民對(duì)量子技術(shù)的基本認(rèn)識(shí)，則“量子速讀” “量子算命” “量子鞋墊” “量子內(nèi)衣”之類(lèi)將層出不窮，甚或愈演愈烈；如果不提升領(lǐng)導(dǎo)干部對(duì)量子技術(shù)的基本認(rèn)識(shí)，則水變油之類(lèi)事件，很可能再次上演。閑話到此為止，下面進(jìn)入正題。

1 什么是量子？

我一向不愿意解釋這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檫@本是一本書(shū)的內(nèi)容，卻總被要求用幾句話講明白。此外，如果嚴(yán)肅回答這一問(wèn)題，往往還會(huì)引來(lái)各路爭(zhēng)議。當(dāng)談?wù)摿孔拥臅r(shí)候，人們總喜歡往形而上的方向引，把焦點(diǎn)放在“薛定諤貓”、“EPR佯謬”等著名的思想實(shí)驗(yàn)上，最后一直討論到懷疑人生。我覺(jué)得大可不必。誠(chéng)然，量子力學(xué)的某些內(nèi)容的確缺乏具有普遍意義的詮釋?zhuān)e個(gè)最常被人掛在嘴邊的例子——糾纏就是一個(gè)至今仍說(shuō)不清楚的現(xiàn)象。然而，大量的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證糾纏現(xiàn)象的確存在。不僅存在，糾纏在信息學(xué)上的確有超越經(jīng)典的用處。因此，如果不是專(zhuān)門(mén)的學(xué)者，我認(rèn)為大可以僅就“知其然”的角度去了解量子力學(xué)，別把精力消耗在追究其“所以然”上。

不管量子力學(xué)是否完備，經(jīng)過(guò)百余年之發(fā)展，我們至少知道，量子力學(xué)在描述微觀問(wèn)題時(shí)，有著令人驚奇的高精確度。那么我們完全有理由相信，我們的世界，底層是遵守量子規(guī)律的。既然如此，讓我們先來(lái)了解一下量子力學(xué)的幾個(gè)基本假設(shè)：

波函數(shù)：一個(gè)量子的系統(tǒng)，其行為總可以用一個(gè)波函數(shù)來(lái)完全描述。這個(gè)波函數(shù)是希爾伯特空間中的一個(gè)矢量，因此也被稱(chēng)為“態(tài)矢量”。

演化：波函數(shù)的演化遵守薛定諤方程。

塌縮：如果對(duì)量子系統(tǒng)做某種物理觀測(cè)，系統(tǒng)總是給出這個(gè)“可觀測(cè)量”的某個(gè)本征值，并且在觀測(cè)過(guò)后系統(tǒng)狀態(tài)變成這一本征值對(duì)應(yīng)的本征態(tài)——不管系統(tǒng)先前處在什么狀態(tài)。

玻恩解釋?zhuān)河^測(cè)后給出某本征值的概率，正好是塌縮前波函數(shù)在塌縮后波函數(shù)上的投影的模平方。

后兩個(gè)也可以合起來(lái)，稱(chēng)之為“投影法則”。上面的描述中，已經(jīng)出現(xiàn)不少專(zhuān)用名詞，如希爾伯特空間、本征值、本征態(tài)等，這些都是線性代數(shù)中的概念，讀者可以暫且略過(guò)或自行搜索之。我在這里先強(qiáng)調(diào)一下量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)不一樣的地方。首先，量子力學(xué)在描述一個(gè)系統(tǒng)行為的時(shí)候，用的是波函數(shù)（或者叫態(tài)矢量），而波函數(shù)并非一個(gè)物理量，僅是一個(gè)數(shù)學(xué)概念。波函數(shù)只有在觀測(cè)后才能給出有意義的物理量來(lái)，這也是世界“虛無(wú)”之說(shuō)的“科學(xué)依據(jù)”之所在。不過(guò)請(qǐng)記住，我們必須時(shí)時(shí)提醒自己，對(duì)量子力學(xué)我們應(yīng)該學(xué)會(huì)止于“知其然”，否則沿著這個(gè)思路下去，很容易懷疑世界，懷疑人生，那就真是“走火入魔”了。

其次，“觀測(cè)”（或者說(shuō)“測(cè)量”）在量子力學(xué)中扮演著重要的角色。經(jīng)典力學(xué)中，測(cè)量只是對(duì)系統(tǒng)行為的一種記錄而已，但在量子力學(xué)中，測(cè)量卻真真切切地改變了系統(tǒng)的狀態(tài)，并且這種改變還是無(wú)法逆轉(zhuǎn)的！舉個(gè)例子，假設(shè)即死又活的薛定諤貓這種宏觀量子態(tài)真實(shí)存在，那么不管這只貓?jiān)诖蜷_(kāi)箱門(mén)之前是什么狀態(tài)，如果開(kāi)門(mén)后觀察者看到的是死貓，這個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)就成了死貓狀態(tài)了，不可能通過(guò)把門(mén)關(guān)回去再釘幾顆釘子就把死貓?jiān)僮兓卦瓉?lái)那既死又活的貓。

薛定諤的貓。假如我們的量子貓已經(jīng)處在了既死又活的疊加態(tài)，而我們打開(kāi)箱子后，我們無(wú)論如何只能看到兩種狀態(tài)：要么是活貓，要么是死貓。這個(gè)（觀測(cè)）過(guò)程是不可逆的，不可能通過(guò)自由演化讓這只貓回到原來(lái)的狀態(tài)。丨圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

第三，經(jīng)典力學(xué)中沒(méi)有糾纏的概念。如果有多個(gè)量子系統(tǒng)，它們過(guò)往曾發(fā)生過(guò)關(guān)聯(lián)（通過(guò)某些相互作用），即便它們現(xiàn)在毫無(wú)關(guān)聯(lián)，且空間上也相隔邈云漢，這種關(guān)聯(lián)也不會(huì)消失——這就是量子糾纏。這也是與經(jīng)典力學(xué)大相徑庭的地方。在現(xiàn)實(shí)的經(jīng)驗(yàn)中，即便如牛郎織女般心心相印，在美國(guó)出差的你也不可能知道家中妻子此時(shí)此刻在干什么（哪怕有微信視頻也不行，因?yàn)榇笱蠊饫|的延時(shí)就至少在百毫秒以上）。但如果你和妻子是量子糾纏的，當(dāng)你在美國(guó)睡覺(jué)時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)你妻子將立刻起床。這個(gè)過(guò)程是“瞬時(shí)”（也就是不需要時(shí)間）的，而且與空間上的距離無(wú)關(guān)！這個(gè)概念給了人們極大的想象空間，比如超光速信息傳遞、人體瞬間移動(dòng)等，從科學(xué)上其實(shí)都是無(wú)稽之談。

上面三點(diǎn)不同，每點(diǎn)都足以讓人困惑不已，深入分析還能找到更多不同之處，在這里就不再列舉了。我們的大腦經(jīng)過(guò)幾萬(wàn)年的進(jìn)化，為的是適應(yīng)生存。我們看到的、摸到的、聞到的、嘗到的，無(wú)一不是宏觀的的東西，我們的大腦完全就是為了解宏觀事物而設(shè)計(jì)的，這么看來(lái)我們不能理解量子就一點(diǎn)都不足為怪了。直到最近的一百多年前，我們才終于認(rèn)識(shí)到，世界的底層，原來(lái)是量子的。

接下來(lái)，我試圖再用一小段話小結(jié)一下什么是量子（“量子”以概括量子力學(xué)和量子技術(shù)）。量子力學(xué)是人類(lèi)到目前為止所發(fā)現(xiàn)的描述世界最底層構(gòu)建法則的最精確的理論。一個(gè)量子的系統(tǒng)狀態(tài)由波函數(shù)描述，而演化則由薛定諤方程描述。薛定諤方程是一個(gè)波動(dòng)方程，而測(cè)量總是讓波函數(shù)隨機(jī)投影到觀測(cè)算符（觀測(cè)量在希爾伯特空間中的表示）的某個(gè)本征態(tài)上，這又讓量子系統(tǒng)對(duì)外表現(xiàn)出粒子性。因此，量子的系統(tǒng)是波和粒子的統(tǒng)一體，它以波的形式演化，卻以粒子的形式對(duì)外表現(xiàn)自己的性質(zhì)。

在討論物理問(wèn)題的時(shí)候，物理學(xué)家總是傾向于先將所有相關(guān)的因素都包含在內(nèi)，構(gòu)成所謂“孤立系統(tǒng)”，然后再以“微擾”的形式，進(jìn)一步研究系統(tǒng)與外界的作用。這些與外界的相互作用，往往導(dǎo)致系統(tǒng)波函數(shù)發(fā)生細(xì)微變化，而當(dāng)我們對(duì)這個(gè)“外界”不甚了解時(shí)，這種變化就變成了不可知的。一旦系統(tǒng)發(fā)生的不可知變化積累到一定程度，我們?cè)偈褂脽o(wú)擾動(dòng)的波函數(shù)來(lái)描述系統(tǒng)就完全偏離了正確的結(jié)果。此時(shí)，我們就稱(chēng)這個(gè)量子系統(tǒng)發(fā)生了“退相干”?；蛘邚牧硪粋€(gè)角度來(lái)講，這意味著關(guān)于這個(gè)量子系統(tǒng)的“信息”，已經(jīng)丟掉了。物理學(xué)家往往把這些無(wú)法掌控的“外界”稱(chēng)之為環(huán)境，或漲落，抑或叫噪聲。

所謂環(huán)境，舉個(gè)例子，在固體里面最常見(jiàn)的就是由“溫度”描述的熱運(yùn)動(dòng)。在一杯水中，有10＾23量級(jí)的電子在做高速的、幾乎隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)，而我們不可能去掌控這些運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)，只能獲得一些統(tǒng)計(jì)上的性質(zhì)。假如你有一個(gè)新鮮的電子，并且已經(jīng)知道它的波函數(shù)信息，現(xiàn)在將它丟入這片電子的汪洋大海，你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么？這顆電子將遠(yuǎn)在你視覺(jué)神經(jīng)有所反應(yīng)之前就不知所終了，丟了！這就是為什么宏觀物體完全看不到量子的蹤影的原因——太多的粒子在幾乎隨機(jī)的相互作用，一個(gè)量子態(tài)幾乎在一瞬間就退相干了，變成了經(jīng)典的東西。因此，經(jīng)典的世界，并不是量子力學(xué)不起作用了，而是量子性消失得太快了。

2 為什么量子技術(shù)如此重要？

量子力學(xué)的發(fā)展已經(jīng)超過(guò)百年時(shí)間了，很多量子效應(yīng)，包括光電效應(yīng)、受激輻射、隧穿等等，都對(duì)我們百年來(lái)的世界造成了巨大的影響。五十年前，哪怕腦洞開(kāi)得最大的預(yù)言家恐怕也無(wú)法想到現(xiàn)在幾十億人每天對(duì)著一塊小小的發(fā)光板上下劃拉。那為什么到了今天我們還要提量子技術(shù)很重要呢？難道不是應(yīng)該早就知道其重要性了嗎？這就要從最近提出的所謂“第二次量子革命”說(shuō)起。既然現(xiàn)在提“第二次量子革命”，那之前那些量子效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，就都應(yīng)該歸入“第一次量子革命”。兩次量子革命的差別，足以讓中美兩國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人發(fā)起號(hào)召，先路必爭(zhēng)，足見(jiàn)其必有非同小可之處。

兩次量子革命，我認(rèn)為最核心的差別在于我們?nèi)祟?lèi)在量子技術(shù)中的主觀能動(dòng)性。以前，我們知道原子是量子的，原子的光譜，或者說(shuō)能級(jí)，可以通過(guò)量子力學(xué)精確描述。于是，我們可以試圖在其中搜索一些有用的能級(jí)，用來(lái)構(gòu)建新型發(fā)光材料等。但是，無(wú)論我們?cè)趺磥?lái)利用這些能級(jí)，原子總歸是自然的，而且原子的位置很難掌控——我們頂多在統(tǒng)計(jì)上去掌控原子分布，卻無(wú)法精確地人為排列原子。

現(xiàn)在的情況卻大不一樣了，隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們不僅可以造出“人造原子”，也有辦法讓原子按照我們想要的方式固定在某個(gè)位置，或按照一定規(guī)律排列起來(lái)。更進(jìn)一步的是，我們可以對(duì)這些人造的量子系統(tǒng)按照自己的想法進(jìn)行操控，并可以精確測(cè)量量子系統(tǒng)處于什么狀態(tài)。這是人類(lèi)技術(shù)的一種質(zhì)的變化：它表明了我們終于可以（一定程度上）“設(shè)計(jì)”量子系統(tǒng)并讓它們?yōu)槲宜昧恕Ｎ覀兘K于可以在超越自然的范疇之外，進(jìn)行科學(xué)和技術(shù)的探索。

一個(gè)超導(dǎo)量子比特。這是早期的電荷型量子比特，在一個(gè)極為微小的超導(dǎo)小島（SCB island）上，囚禁著“一團(tuán)”庫(kù)伯對(duì)，不同庫(kù)伯對(duì)數(shù)量對(duì)應(yīng)著不同的能量，形成一系列分立的“電荷態(tài)”。丨圖片來(lái)源：［1］

假如我們能設(shè)計(jì)并制造出一系列的量子系統(tǒng)，通過(guò)精確地控制讓它們按照我們想要的方式演化，然后再精確地測(cè)量它們，那我們就能做很多妙不可言的事情了！最早意識(shí)到其中妙處的是費(fèi)曼，他在上世紀(jì)80年代提出了復(fù)雜的多體量子系統(tǒng)問(wèn)題，應(yīng)該用量子的系統(tǒng)來(lái)模擬。90年代，數(shù)學(xué)家Peter Shor提出了著名的Shor算法，算法顯示這種可控的量子體系，能夠以很低的復(fù)雜度來(lái)解決原本對(duì)計(jì)算機(jī)而言很難的大數(shù)分解問(wèn)題。而大數(shù)分解問(wèn)題，正是用于確保互聯(lián)網(wǎng)安全的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，因此很快引起了大家的注意。不過(guò)在當(dāng)時(shí)，這僅僅只是一個(gè)數(shù)學(xué)玩具，因?yàn)槟菚?huì)兒連一個(gè)量子比特都沒(méi)做出來(lái)，更談不上操控、讀出、錯(cuò)誤率之類(lèi)的概念了。

到了世紀(jì)之交，這種可控的人造量子系統(tǒng)終于出現(xiàn)了，比如第一個(gè)超導(dǎo)量子比特。這個(gè)由幾十納米大小的超導(dǎo)小島構(gòu)成的量子體系（電荷量子比特，也就是“庫(kù)伯對(duì)盒子”），通過(guò)電容，以及一個(gè)薄薄的絕緣層與外界相連。當(dāng)時(shí)這個(gè)量子體系只有不到2納秒的退相干時(shí)間［2］，但隨后幾年，這種新生的“人工原子”得到迅速發(fā)展迭代，就像進(jìn)化一樣，經(jīng)過(guò)“Quantronium”、“Fluxonium”等，最終到“Transmon／Xmon”（這幾種新型量子比特，都是為了克服最早電荷量子比特中電荷漲落引起的退相干而改進(jìn)得來(lái)）并大放異彩?，F(xiàn)在基于Transmon／Xmon的超導(dǎo)量子比特退相干時(shí)間已經(jīng)達(dá)到了100微秒量級(jí)，且操控、耦合、讀出各個(gè)方面都達(dá)到了前所未有的精度。Google在去年發(fā)布的Sycamore芯片，包含53個(gè)量子比特、88個(gè)耦合器（其實(shí)也是量子比特），兩比特糾纏門(mén)的保真度已經(jīng)達(dá)到低于表面編碼量子糾錯(cuò)閾值的水平，成為新量子時(shí)代的一個(gè)代表杰作。最近，基于離子阱的量子計(jì)算機(jī)，由于其自然原子的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)將量子體積提升到400萬(wàn)的水平［3］，震驚了學(xué)界。硅基量子比特之間的兩比特門(mén)操控精度也有望達(dá)到99．99％［4］。這些進(jìn)展足以說(shuō)明，一個(gè)全新的量子時(shí)代真的來(lái)臨了。如今我們可以很熟練地制造人工量子系統(tǒng)，操控量子系統(tǒng)，測(cè)量量子系統(tǒng)，讓量子力學(xué)按照我們自己的方式發(fā)揮作用。

封裝好的Sycamore量子芯片，采用了全新的立體封裝技術(shù)，能夠大幅提高量子比特的尋址性并降低連線困難。丨圖片來(lái)源：Google Quantum AI

此外，我們還能夠看到另一個(gè)現(xiàn)象：量子科技方面的進(jìn)展，呈現(xiàn)顯著的加速效應(yīng)。無(wú)論是量子退相干時(shí)間，還是量子比特?cái)?shù)量，如果畫(huà)一條隨時(shí)間發(fā)展的曲線，我們都能看到類(lèi)似摩爾定律的指數(shù)型發(fā)展規(guī)律。2013年，著名量子計(jì)算專(zhuān)家、耶魯大學(xué)教授Devoret和Schoelkopf在他們的“量子計(jì)算展望”一文［5］中就曾發(fā)出過(guò)這樣的感慨：“……量子糾錯(cuò)的引入提供了有朝一日造出量子計(jì)算機(jī)的希望，極有可能由未來(lái)的科學(xué)家和工程師來(lái)完成。但在不到20年時(shí)間內(nèi)，我們見(jiàn)證了如此多的新進(jìn)展……以至于現(xiàn)在看來(lái)很有可能在我們有生之年就能看到?！?/p>

超導(dǎo)量子比特退相干時(shí)間的“摩爾定律”丨圖片來(lái)源：［6］

前面講的這些，意在說(shuō)明人類(lèi)已經(jīng)具備構(gòu)建高度可控、可擴(kuò)展的人工量子系統(tǒng)的能力。但我們還需要回答另一個(gè)問(wèn)題：如果我們?cè)斐鰜?lái)了量子計(jì)算機(jī)，我們?cè)撛趺从煤盟?？理論上，科學(xué)家已經(jīng)證明基于量子邏輯的算法能夠在某些問(wèn)題上降低計(jì)算復(fù)雜度。這其中有幾類(lèi)非常重要的問(wèn)題，包括搜索問(wèn)題、組合優(yōu)化問(wèn)題等。在數(shù)學(xué)上，這些問(wèn)題可以映射到多種實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，比如怎么去尋找最優(yōu)的行走路線；怎么從海量雜亂無(wú)章的數(shù)據(jù)中找到目標(biāo)；怎么在所有可能的密碼空間內(nèi)找到正確的密碼；怎么優(yōu)化復(fù)雜的城市交通系統(tǒng)；甚至怎么買(mǎi)股票……此外，利用人造的量子系統(tǒng)來(lái)模擬自然的量子系統(tǒng)，也是一類(lèi)極有意義的事情。如果我們能用人工的、可設(shè)計(jì)和調(diào)控的量子系統(tǒng)來(lái)“模擬”出各種分子的哈密頓量，我們就不僅可以用來(lái)計(jì)算這些分子的基態(tài)，還能直接計(jì)算這些分子的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)！這為新藥研發(fā)、新材料探索、化工等工業(yè)領(lǐng)域打開(kāi)了一扇新的大門(mén)。人造量子系統(tǒng)甚至允許我們研究自然界不存在的量子現(xiàn)象！而如果能夠?qū)⒏鞣N類(lèi)型、處于不同地域的人造量子資源連接起來(lái)，構(gòu)成所謂“量子網(wǎng)絡(luò)”，更將創(chuàng)造無(wú)限可能！只要想象一下經(jīng)典計(jì)算機(jī)連接起來(lái)構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)對(duì)我們世界的影響就知道了。

量子通信和量子精密測(cè)量，同樣是量子技術(shù)的重要組成部分。由于這部分內(nèi)容超出我的專(zhuān)業(yè)范圍，只能交給其他專(zhuān)業(yè)之士來(lái)解讀其中的重要性所在?？偟膩?lái)說(shuō)，量子技術(shù)已經(jīng)步入了一個(gè)全新的階段，我們對(duì)各種量子體系的掌控能力遠(yuǎn)超從前，這一能力，能夠帶領(lǐng)人類(lèi)對(duì)自身文明的改造，對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)跨入一個(gè)全新的階段。

3 小 結(jié)

量子力學(xué)，這一原本大大超越我們大腦對(duì)世界理解能力的理論，極大地開(kāi)拓了人類(lèi)的眼界?，F(xiàn)在，隨著人類(lèi)探索世界的手眼不斷進(jìn)步，我們終于可以像搭積木一樣，去搭建人類(lèi)的量子帝國(guó)。只要想到終有一天我們能建成這樣的量子奇跡，我就不禁熱血沸騰。但這個(gè)奇跡到底是什么樣子？什么時(shí)候出現(xiàn)？誰(shuí)第一個(gè)建出來(lái)？這些都是未知的。我們唯一所知的是，它需要時(shí)間，但總有一天會(huì)出現(xiàn)。因?yàn)檫@是與人類(lèi)相終始的探索精神所決定的。

補(bǔ)充閱讀

美國(guó)國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室（National Quantum Coordination Office）最近發(fā)布了一份名為“量子前沿——國(guó)家量子信息科學(xué)戰(zhàn)略社區(qū)輸入報(bào)告”的咨詢文件。該文件根據(jù)學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、投資者等多領(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)家構(gòu)成的“量子信息社區(qū)”提供的建議，整合出8個(gè)量子前沿領(lǐng)域，希望號(hào)召各方力量共同努力將量子技術(shù)推向?qū)嵱?，同時(shí)將人類(lèi)對(duì)物理、宇宙的認(rèn)知推向新的水平。

報(bào)告稱(chēng)，美國(guó)已經(jīng)采取了多項(xiàng)重要行動(dòng)，以加強(qiáng)聯(lián)邦政府對(duì)量子信息科學(xué)研發(fā)的投資，同時(shí)建立了一支“量子就緒”的預(yù)備隊(duì)。2018年，白宮科技政策辦公室發(fā)布了《量子信息科學(xué)國(guó)家戰(zhàn)略概述》，即在量子信息科學(xué)處于領(lǐng)導(dǎo)地位的美國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略。按照這一戰(zhàn)略，特朗普總統(tǒng)簽署了兩黨的《國(guó)家量子計(jì)劃法案》，以增加研發(fā)支出，并成立了國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室，以加強(qiáng)聯(lián)邦政府量子政策和投資方面的協(xié)調(diào)能力。

在這些努力的基礎(chǔ)上，美國(guó)國(guó)家量子信息科學(xué)戰(zhàn)略投入的《量子前沿報(bào)告》概述了八個(gè)前沿領(lǐng)域，包含了當(dāng)前量子信息科學(xué)面臨的最基本和核心問(wèn)題：

？擴(kuò)大量子技術(shù)造福社會(huì)的機(jī)會(huì)

？建立量子工程學(xué)科

？以材料科學(xué)為目標(biāo)的量子技術(shù)

？通過(guò)量子模擬探索量子力學(xué)

？利用量子信息技術(shù)進(jìn)行精密測(cè)量

？生成和分配量子糾纏，催生新應(yīng)用

？表征和減少量子誤差

？通過(guò)量子信息了解宇宙

這些前沿領(lǐng)域由量子信息科學(xué)研究界所確定，是政府、私人和學(xué)術(shù)界需要探索的優(yōu)先領(lǐng)域，以推動(dòng)突破性的研發(fā)。

本報(bào)告的背景是：國(guó)家科技委員會(huì)量子信息科學(xué)分會(huì)通過(guò)公開(kāi)請(qǐng)求（RFI）的方式，以及一系列由量子信息科學(xué)研發(fā)領(lǐng)域的專(zhuān)家和相關(guān)人員領(lǐng)導(dǎo)的研討會(huì)、圓桌會(huì)議和技術(shù)學(xué)習(xí)會(huì)等，與量子信息科學(xué)研究界進(jìn)行了接觸。國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室分析了公開(kāi)請(qǐng)求的回應(yīng)和研討會(huì)的資料，發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)重復(fù)出現(xiàn)的主題。本報(bào)告歸納并總結(jié)了這些意見(jiàn)，提出了一些關(guān)鍵問(wèn)題必須得到回答的前沿領(lǐng)域，并希望國(guó)家的量子信息科學(xué)學(xué)術(shù)界、私人和聯(lián)邦政府領(lǐng)導(dǎo)者可以集中關(guān)注這些前沿領(lǐng)域，以充分發(fā)揮量子信息科學(xué)的潛力。報(bào)告稱(chēng)，特朗普政府將繼續(xù)致力于維持和加強(qiáng)美國(guó)在量子信息科學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，并做出這一新興領(lǐng)域?qū)Ω纳泼绹?guó)人民的繁榮、安全和福祉的承諾。

一點(diǎn)個(gè)人分析：本報(bào)告不提供任何投資方面的信息，僅就社區(qū)和研討會(huì)收集而來(lái)的建議信息進(jìn)行匯總分析，提煉出8個(gè)量子前沿領(lǐng)域，算是一份倡議書(shū)。報(bào)告完全公開(kāi)，也就是不僅美國(guó)學(xué)者、投資人可以看到，其他國(guó)家，包括中國(guó)也都能看到。所提到的8個(gè)領(lǐng)域都是開(kāi)放性的大方向，不涉及任何具體技術(shù)，甚至沒(méi)有給出建議說(shuō)那種技術(shù)最好之類(lèi)的，只提出要多領(lǐng)域綜合協(xié)同發(fā)展，技術(shù)發(fā)展的模塊化，學(xué)科培養(yǎng)等。因此，該報(bào)告可以認(rèn)為是“統(tǒng)一戰(zhàn)線號(hào)召書(shū)”，旨在引導(dǎo)方向。

值得注意的是，其中專(zhuān)門(mén)拿出一條來(lái)講學(xué)科建設(shè)的重要性。報(bào)告指出要推動(dòng)量子技術(shù)長(zhǎng)期發(fā)展，向大規(guī)?？蓴U(kuò)展發(fā)展，必須建設(shè)“量子工程學(xué)”這一新學(xué)科，培養(yǎng)大批“量子工程師”。這些工程師不需要深入理解量子力學(xué)基本原理等深?yuàn)W的知識(shí)，但他們對(duì)具體如何建設(shè)量子計(jì)算機(jī)等技術(shù)細(xì)節(jié)很熟練。這一點(diǎn)上，也是我國(guó)亟待加強(qiáng)的地方。量子技術(shù)走向?qū)嵱没且粋€(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，學(xué)科培養(yǎng)是固本培元工作。如果做不好，即便短期內(nèi)能獲得領(lǐng)先地位，也無(wú)法保證最終贏得這場(chǎng)“量子馬拉松”。
責(zé)任編輯：PSY