劉凱予 劉云華 駱誠(chéng)志 孟 波

近些年，“量子”“量子力學(xué)”這些名詞的熱度不斷飆升，與之相關(guān)的量子科技也得到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，國(guó)外各界尤其是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)界正在不斷加大量子科技方面的研究力度。一時(shí)間，量子科技這一前沿技術(shù)如洪水一般快速發(fā)展，并且成為推動(dòng)數(shù)字時(shí)代產(chǎn)業(yè)革新、計(jì)算結(jié)構(gòu)升級(jí)以及經(jīng)濟(jì)快速高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎，量子科技領(lǐng)域研發(fā)熱潮不斷攀升。

追本溯源——量子科技由何而來(lái)

不同于第一代量子科技，如今的量子科技是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的交叉學(xué)科，其從量子物理基本原理——量子力學(xué)出發(fā)，利用量子相干特性，以探索用于計(jì)算、編碼和信息傳輸?shù)娜路绞健?/p>

為了理解量子科技，我們必須要先搞清楚量子科技的基礎(chǔ)—量子力學(xué)。量子力學(xué)是研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)物理學(xué)，主要研究原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)等。自其建立以來(lái)，量子力學(xué)便成為整個(gè)微觀物理學(xué)的理論框架，幫助人們更好地認(rèn)識(shí)宇宙的本源、物質(zhì)的本質(zhì)以及事物的發(fā)展規(guī)律。量子科技便是以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)的新興前沿技術(shù)，科學(xué)家們利用量子本身的特性，操控量子的存在狀態(tài)，研發(fā)出如量子計(jì)算、量子通信、量子貨幣等一系列技術(shù)應(yīng)用，極大地改變了人們的日常生活，量子科技成為新時(shí)代福音。

作為量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)，著名的海森堡不確定性原理表明：對(duì)微觀粒子無(wú)法同時(shí)精確地測(cè)量其位置和速度。而海森堡提出的微觀世界量子物理學(xué)和傳統(tǒng)物理學(xué)的區(qū)別使得愛(ài)因斯坦提出了“上帝不擲骰子”的著名論斷，預(yù)示著量子力學(xué)發(fā)展的坎坷。1935年多位科學(xué)家一起提出的“量子糾纏”概念更是進(jìn)一步佐證了微觀粒子在系統(tǒng)中相互作用、相互影響，而不能單獨(dú)觀測(cè)的相干特性。隨著時(shí)間的推移，休·埃弗雷特于20世紀(jì)中葉又提出了多元世界理論，這種理論指出只要某一物體存在于一種特定狀態(tài)下，該對(duì)象所處的世界就能轉(zhuǎn)化為與它可能存在的狀態(tài)數(shù)相等的一系列平行世界，其中每一個(gè)平行世界都會(huì)包含該物體的一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的狀態(tài)。這一解釋加深了理論物理學(xué)和量子物理學(xué)之間的聯(lián)系。

如今，量子理論方面的研究仍在繼續(xù)推進(jìn)，其中部分理論已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證，并且被廣泛用于現(xiàn)實(shí)生活中。量子理論的階段性研究促進(jìn)了現(xiàn)代量子科技的發(fā)展，同時(shí)也為日后的技術(shù)研發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。

百舸爭(zhēng)流——大國(guó)博弈日趨激烈

隨著各國(guó)不斷加大對(duì)量子科技方面的資金投入和政策支持，并將“瞄準(zhǔn)量子科技，建設(shè)技術(shù)高地”列入本國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略，量子科技便開(kāi)始以“星火燎原”之勢(shì)對(duì)社會(huì)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成顛覆性影響。量子科技方面的競(jìng)技也已經(jīng)上升到了國(guó)家層面，越來(lái)越多的國(guó)家競(jìng)相制定量子科技發(fā)展戰(zhàn)略和專(zhuān)向計(jì)劃，世界正式進(jìn)入全面推動(dòng)量子科技發(fā)展的戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)時(shí)代，量子科技方面的大國(guó)博弈日趨白熱化，各大國(guó)及各組織都制定了相應(yīng)的量子科技發(fā)展戰(zhàn)略，在適應(yīng)本國(guó)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的同時(shí)又提出了一些創(chuàng)新型計(jì)劃。

休·埃弗雷特于20世紀(jì)中葉提出了多元世界理論

目前，美國(guó)在能源行業(yè)加大量子計(jì)算的融合創(chuàng)新，成立了首個(gè)能源行業(yè)量子計(jì)算聯(lián)盟——量子未來(lái)電力系統(tǒng)升級(jí)計(jì)劃，旨在“結(jié)合量子信息和量子計(jì)算的力量，專(zhuān)注開(kāi)發(fā)新的量子模型、方法和算法”。為保證數(shù)據(jù)安全傳輸，歐盟各成員國(guó)加大量子加密通信方面的研究力度，并成功建立量子通信基礎(chǔ)設(shè)施，共同進(jìn)行量子保密通信管理，從而確保敏感信息和數(shù)據(jù)的絕對(duì)安全。日本在量子保密通信科研方面投入力度巨大，與歐洲聯(lián)合建立東京量子保密通信試驗(yàn)床網(wǎng)絡(luò)并持續(xù)開(kāi)展現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。

此外，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)和量子算法的提出也對(duì)世界產(chǎn)生了極大影響。相較于以往的計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度更快。美國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”，其運(yùn)算峰值可達(dá)每秒20億億次。據(jù)估計(jì)，“頂點(diǎn)”運(yùn)算一萬(wàn)年才能解決的問(wèn)題，53個(gè)比特的量子計(jì)算機(jī)僅需200秒便可解決，極大地提升了算力。此外，量子計(jì)算機(jī)的初始化能力、可控能力、擴(kuò)展能力、穩(wěn)定能力和被測(cè)量能力更強(qiáng)，更能滿足人們的日常生活需要。量子算法的提出則使實(shí)現(xiàn)人工智能算法成為了可能。現(xiàn)如今，機(jī)器自主學(xué)習(xí)算法幫助處理數(shù)據(jù)、進(jìn)行測(cè)量已是常事，但在面對(duì)海量數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)典算法的計(jì)算能力不能滿足生產(chǎn)生活需要，而量子算法超強(qiáng)的并行計(jì)算能力則解決了這一難題。

量子科技帶來(lái)的技術(shù)紅利和科技先進(jìn)性為許多國(guó)家?guī)?lái)了財(cái)富效益和進(jìn)行科技創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，量子科技極佳的發(fā)展前景導(dǎo)致量子科技領(lǐng)域“你追我趕”的現(xiàn)象愈演愈烈。歐盟作為歐洲地區(qū)的重要組織之一，牽頭制定了一系列量子技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略。2020年3月3日，量子旗艦計(jì)劃成員向歐洲委員會(huì)提交了一份戰(zhàn)略研究議程文件（SRA），該文件圍繞量子通信、量子計(jì)算、量子模擬、量子傳感和計(jì)量等4個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域提出了未來(lái)短期、中期、長(zhǎng)期的發(fā)展計(jì)劃和預(yù)期成果，旨在加快量子旗艦計(jì)劃在量子技術(shù)、創(chuàng)新和發(fā)展等各個(gè)方面的研究，并不斷縮短和其他國(guó)家的發(fā)展差距。據(jù)此，各國(guó)政府對(duì)“快速發(fā)展量子科技、搶占技術(shù)制高點(diǎn)”戰(zhàn)略的重視程度可見(jiàn)一斑，并且隨著不斷拓寬技術(shù)領(lǐng)域、加大理論研究力度，量子科技的應(yīng)用范圍勢(shì)必會(huì)變得更廣，其發(fā)展?jié)摿Σ蝗菪∮U。

困難重重——研發(fā)計(jì)劃遭遇瓶頸

數(shù)字時(shí)代下，量子科技為世界帶來(lái)了許多機(jī)遇。我們已經(jīng)經(jīng)歷了兩次量子革命帶來(lái)的深刻變革，兩次變革所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)紅利讓我們清楚地認(rèn)識(shí)到量子科技蘊(yùn)含著非常巨大的能量，它不僅是推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的核心力量，同時(shí)也是加快信息領(lǐng)域變化擴(kuò)大的關(guān)鍵技術(shù)。在看清量子信息技術(shù)發(fā)展對(duì)信息安全和計(jì)算通信等方面產(chǎn)生巨大沖擊的同時(shí)，我們也要看清其快速發(fā)展背后所面臨的窘境。

隨著量子領(lǐng)域的相關(guān)研究不斷深入推進(jìn)，各個(gè)組織對(duì)高質(zhì)量人才的需求量也在以指數(shù)形式逐年暴增，量子領(lǐng)域的研發(fā)計(jì)劃迎來(lái)了瓶頸期。

量子旗艦計(jì)劃成員向歐洲委員會(huì)提交的戰(zhàn)略研究議程文件

2019年，英國(guó)啟動(dòng)《國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃》的第二階段。在此之前，英國(guó)量子技術(shù)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)曾發(fā)布一篇名為《國(guó)家量子技術(shù)戰(zhàn)略》的量子科技戰(zhàn)略路線圖。在該戰(zhàn)略中，英國(guó)計(jì)劃10年內(nèi)完成低成本的氣體檢測(cè)及非破壞性的生物顯微鏡的開(kāi)發(fā)；5～10年內(nèi)，完成抗干擾 GPS 精度級(jí)水下導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、地震預(yù)測(cè)、民用工程地下設(shè)施及廢棄物探測(cè)等應(yīng)用；20～30年內(nèi)，開(kāi)發(fā)出解決復(fù)雜問(wèn)題的個(gè)人量子計(jì)算系統(tǒng)和高性能、低功耗量子化協(xié)處理器。顯然，儲(chǔ)備高精尖技術(shù)人才是完成這些目標(biāo)的一大關(guān)鍵因素，英國(guó)勢(shì)必會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都會(huì)極其需要高質(zhì)量人才的技術(shù)支持。當(dāng)然，人才短缺并不是只有英國(guó)才會(huì)面臨的問(wèn)題，其他組織和團(tuán)隊(duì)同樣也有著極大的人才需求，各個(gè)領(lǐng)域的人才短缺現(xiàn)象已成為一個(gè)全球性難題，究其原因是人才儲(chǔ)備方面出現(xiàn)以下幾點(diǎn)問(wèn)題。

一是人才選拔限制了人才培養(yǎng)和發(fā)展，導(dǎo)致人才培養(yǎng)類(lèi)型單一。比如，一些企業(yè)或團(tuán)體對(duì)某類(lèi)人才有超高需求，應(yīng)聘者為謀取就業(yè)崗位，常會(huì)對(duì)照該企業(yè)的需求而發(fā)展自身能力，限制了其他能力的培養(yǎng)。

二是人才培養(yǎng)各領(lǐng)域之間聯(lián)系不強(qiáng)，難以達(dá)到量子科技對(duì)多領(lǐng)域技術(shù)人才的需求。現(xiàn)如今，單一領(lǐng)域的高質(zhì)量人才儲(chǔ)備尚且充足，但是量子科技作為一個(gè)學(xué)科綜合性極強(qiáng)的行業(yè)，涉及數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科，因此其對(duì)人才的知識(shí)水平有著很高要求。

IBM德國(guó)團(tuán)隊(duì)裝配量子處理器

三是人才質(zhì)量不高，專(zhuān)業(yè)性、技能性人才嚴(yán)重短缺。人才質(zhì)量的高低關(guān)乎著量子科技能否順利研發(fā)、應(yīng)用、普及，關(guān)乎著能否形成有機(jī)整體，加快進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)等幾個(gè)關(guān)鍵戰(zhàn)略發(fā)展方向。

因此，如何加快建設(shè)人才補(bǔ)給鏈?zhǔn)钱?dāng)下各國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略中必須要思考的一大問(wèn)題。

面對(duì)難以橫跨的人才斷崖，各國(guó)首先要做的就是盡快加強(qiáng)高等院校在量子科技方面的教育，努力培養(yǎng)綜合性強(qiáng)的高端技術(shù)人才，做好人才儲(chǔ)備從而應(yīng)對(duì)未來(lái)的研發(fā)建設(shè)需要。

量子科技作為一個(gè)新興領(lǐng)域，許多方面的研究近乎為零，因此需要大量的資金投入以保證順利展開(kāi)對(duì)該領(lǐng)域的探索、充足的人才供給以作為持續(xù)研究相關(guān)技術(shù)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)、精密的設(shè)備場(chǎng)所以創(chuàng)造穩(wěn)定觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果的環(huán)境。量子科技領(lǐng)域的研發(fā)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，其在研發(fā)資金和科學(xué)團(tuán)隊(duì)方面的消耗與需求不容小覷，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，目前各國(guó)在量子領(lǐng)域的經(jīng)費(fèi)投入巨大，并且會(huì)出現(xiàn)資金投入不足的現(xiàn)象。

人才短缺是量子技術(shù)研發(fā)的一大瓶頸

2013年，英國(guó)財(cái)政大臣George Osborne 發(fā)起了英國(guó)國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃。隨后英國(guó)在其研究第一階段投資2.7億英鎊，并預(yù)計(jì)在未來(lái)十年再投資10億英鎊。2018年12月12日，美國(guó)總統(tǒng)宣布計(jì)劃在未來(lái)十年內(nèi)斥資12.75億美元用于量子科技研究。2020年6月，德國(guó)將量子科技研發(fā)資金增至20億歐元。龐大的資金需求是開(kāi)展量子科技研究的一大挑戰(zhàn)。

此外，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、研發(fā)環(huán)境、科學(xué)團(tuán)隊(duì)等各類(lèi)資源過(guò)于分散也是難以展開(kāi)對(duì)量子領(lǐng)域研發(fā)探索的一大原因。因此，加大研發(fā)資金投入、加快聯(lián)合現(xiàn)有資源、加緊進(jìn)行相關(guān)設(shè)施建設(shè)是消除量子科技發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵舉措，各國(guó)應(yīng)該做好“硬件”保障，從而確保順利展開(kāi)研究。

量子信息技術(shù)作為典型的交叉學(xué)科，許多學(xué)科之間相互交叉、融合、滲透，涉及到的知識(shí)領(lǐng)域相當(dāng)寬泛，所需要的技術(shù)能力也十分專(zhuān)業(yè)。在探索這樣一門(mén)學(xué)科時(shí)，單體的研發(fā)力量顯得十分弱小，很難對(duì)多個(gè)領(lǐng)域同時(shí)展開(kāi)研究探索，并且很難有階段性成果。因此，合作便成為了突破量子技術(shù)研究難關(guān)的一大關(guān)鍵因素。

但如今，各國(guó)組織和研發(fā)機(jī)構(gòu)之間的合作交流十分有限，未能做到技術(shù)互通、資源共享、共同研究等。究其原因，一方面是各國(guó)之間存在壁壘，不能互通技術(shù)；另一方面是沒(méi)有可以進(jìn)行國(guó)際交流合作的平臺(tái)；再者是沒(méi)有制定相關(guān)制度以增強(qiáng)各國(guó)之間技術(shù)聯(lián)系。

因而，為了加快推進(jìn)量子領(lǐng)域研究探索，彌補(bǔ)技術(shù)短板，加強(qiáng)國(guó)際合作、構(gòu)建學(xué)術(shù)交流平臺(tái)、交流溝通科研布局是非常有必要的。

雖然目前量子領(lǐng)域研發(fā)面臨許多難題，但最主要的困難仍是人才短缺這一關(guān)鍵要素，沒(méi)有高精尖技術(shù)人才這一強(qiáng)大支撐，任何研究都只是不切實(shí)際的空談。