但用斧凿，能进一寸进一寸，
得进一尺进一飞跃必来，突破随之
——华罗庚
10 月 4 日，2022 年诺贝尔物理学奖颁给了阿兰·阿斯佩（Alain Aspect） 约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser）安东·塞林格（Anton Zeilinger）表彰他们“用纠缠光子进行实验，证伪贝尔不等式，开创量子信息科学”，以实验工具的开发为量子技术的新时代奠定了基础
他们爷仨利用突破性的实验，证明了研究和控制处于纠缠状态的粒子的潜力。发生在纠缠对中的一个粒子上的事情会决定发生在另一个粒子上的事情，即使它们的距离远到无法彼此相互作用。这就是神奇的量子纠缠现象。
量子科技是当今最活跃、发展最快的研发领域之一，它的原理是基于如量子纠缠、量子叠加和量子隧穿这“毁三观”的量子力学特性， 应用在如量子计算、量子测量、量子通讯、量子传感器、量子密码学 、量子模拟和量子成像等领域。量子科技致力于通过改善医疗保健、能源生产和储存、生物科学和信息学、功能材料、先进计算和全球安全，在推动量子技术发展和创造社会影响方面发挥关键作用。这些量子应用正在改变我们的生活、娱乐、工作、交互方式。但是量子技术离产业化尚有时日，所以潘建伟院士说了，别相信大众市场上宣传的量子鞋垫、量子水杯、量子波动阅读法甚至治疗糖尿病、癌症等疑难杂症的无稽之谈。
无论国际科技巨头，还是国内新兴势力，无论欧美老牌资本主义国家，还是以中国为代表的崛起大国等，都在筹划战略性新兴产业，抢占量子科技制高点，构筑核心优势和国家壁垒。基于量子力学的神奇预言正在世界各地的实验室中走向产业化的前夜。本文将着重介绍那些影响现在和创造未来的量子科技新应用领域。
半导体
顾名思义，半导体是导电性介于导体（如铜）和绝缘体（如玻璃）之间的材料。半导体能够适应各种电流和电压，使其可用于日常电子产品，例如计算机、LED 灯、电视、手机和智能设备。事实上，所有电子产品的兴起与我们对量子力学的理解直接相关。
电导可以被认为是电子由于其量子叠加而在材料中的原子之间共享或离域的能力。导电金属允许大量电子离域，使它们能够轻松导电。绝缘体阻止电流流动。半导体是晶体材料，其特性介于导体和绝缘体之间。此外，有时会通过有意引入杂质（称为掺杂的过程）对纯半导体进行改性，以使其导电和绝缘性能更有用。
量子密码学
与经典密码学相比，量子密码学产生的一个固有优势是检测被动窃听。量子加密提出使用量子物理定律，例如不确定性原理，以一种使未被发现的窃听成为不可能的方式来传输私人信息。这是量子比特行为的自然结果；由于观察者效应，如果观察到处于叠加态的比特，叠加态会坍缩成本征态。
因为预期接收者期望接收处于叠加状态的比特，所以预期接收者会知道存在攻击，因为比特的状态将不再处于叠加状态。许多科学家目前正在寻求直接操纵量子态的稳健方法。正在努力更全面地开发量子密码学，理论上这将允许保证信息的安全传输。
原子钟
某些应用需要更精确的时钟。原子钟不是使用石英晶体的振动频率，而是根据将原子或离子中的电子从较低量子能量状态移动到较高量子能量状态所需的微波频率进行校准。使用这项技术，可以在长达一亿年的时间里测量时间，误差范围仅为一秒。
原子钟是全球定位系统不可或缺的一部分，原子钟比任何其他时钟都好。他们通过监测原子中的电子在改变能级时发出的微波信号来保持时间。今天最好的原子钟非常精确，如果我们在 30 亿年前启动两个相同的时钟，它们今天的误差将不到一秒！
包括我们手机中的定位系统。它们还用于向航天器发送信号以确定它们的位置。NASA 的深空原子钟 (DSAC) 是开发中最稳定的原子钟之一，它将使用汞离子来测量时间。由于离子具有净电荷，它们可以包含在电磁陷阱中，以防止它们与来自环境的干扰信号相互作用，从而导致频率误差。
这是量子计算研究所 Bajcsy 纳米光子学和量子光学实验室使用的原子阱。这些陷阱与用于在原子钟中捕获原子的陷阱非常相似。 图源：uwaterloo
荧光灯
荧光灯泡包含加热和喷射电子的电极。反过来，这些电子会轰击灯泡内部的少量汞。碰撞导致汞的电子跃升至更高的量子能态。高能电子往往会跳回其较低的状态，当它们跳回时，会发射光子，产生我们看到的光。
激光
激光代表受激辐射的光放大，是一种产生高度聚焦光束的量子过程。 激光之所以成为可能，是因为原子中的量子化能级，当通过称为受激发射的过程照射时，可以对其进行操纵以发射更多的光。
激光用于光盘存储 (DVD)、手术、光纤电信和互联网连接等许多应用，它们也是构建其他量子技术（如原子钟）的关键。
激光束包含大量一起挥动的光子 图源：Peng Jiajie / Wikimedia Commons, CC BY
电子显微镜
通过使用电子而不是光作为照明源，电子显微镜能够看到世界上一些最小的细节。由于电子的波长比可见光短 100,000 倍，因此电子显微镜的分辨率比传统光学显微镜好得多。隧道电子显微镜是另一种使用量子隧道技术以原子精度对材料表面进行成像的显微镜。
量子传输
量子传输广泛用于表征新兴量子技术应用的新材料和设备，例如量子信息处理 (QIP)、量子计算 (QC) 和量子传感。此类设备具有革新高性能计算和传感领域未来技术的潜力，就像半个多世纪前半导体和晶体管所做的那样。
量子传输技术可以让科学家在异地瞬间获知粒子状态，从而开启了瞬间传输技术的大门。潘建伟用一个比喻向解释了这项研究：“从合肥带到北京一个保险箱，钥匙忘带了。于是我请合肥的同事测量一下钥匙，告诉我：我在北京复制它。”
还有研究推断，量子传输可以直接复制人脑量子层面的意识状态。人的意识活动是一个量子级的过程，它同样具备“违反直觉”和“不可测”原理，所以使用量子传输技术，不但可以真正意义上复制“人类意识”的信息，而且避免了经典计算机龟速问题 。
有研究人员表示量子传输的掌握是宇宙先进文明的标志，将彻底改变空间旅行的途径，只需要量子传输就能进行空间旅行，根本不需要庞大而复杂的火箭。
量子意识，被中国科学院院士朱清时认为，是现代科学与佛学的汇合处！量子意识理论认为，经典力学无法完整解释意识，意识是一种量子力学现象，如量子纠缠和叠加作用。大脑中存在海量的处于量子纠缠态的电子，意识正是从这些电子的波函数的周期性坍塌中产生。图源：Ulia Koltyrina / Adobe Stock
量子传感
量子传感是通过使用量子系统、量子特性或量子现象，来增强对微弱物体的雷达监测能力和光学存储器的信息读取能力，以及提高极近点状源的光学分辨率。许多量子技术将依靠超低温（接近绝对零）来工作。
量子传感器具备高灵敏度和精度，应用千里扩展到在国防、PNT（定位、导航和计时）、矿产勘探、磁异常检测、用于气候监测的持续地球观测、长期天气预报、太空探索、物理学和其他科学领域。例如，科学家们现在正在研究一种“量子尺度干涉仪”，它可以用来测量人体内神经元的温度和位移 。
量子通讯
量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信技术，量子信息传输与通信双方之间的传播媒介无关，时延几乎为零，不受空间环境的影响，具有高时效性、强抗干扰性、高效率、高安全等特点。可应用在军事国防、政务、金融、互联网云服务、电力等领域。量子通讯的终极目标是建立量子互联网。
当前，我国量子通信技术已处在世界领先水平。2021年，基于量子保密通信“京沪干线”与“墨子号”量子科学实验卫星，中国构建了世界首个天地一体的广域量子通信网络，实现地面跨度4600公里、天地一体的大范围、多用户量子密钥分发。
量子互联网
如果你认为量子计算是一项重大飞跃，那么请准备迎接：量子互联网。通过量子互联网，量子计算机可以相互连接，创建一个强大的超高速计算能力网络。与使用经典互联网相比，量子互联网将使用量子物理定律（例如纠缠和叠加）在量子设备网络之间发送、接收和存储信息，速度更快、更安全。
量子互联网的初始用户可能包括寻求更安全地发送数据的国家安全机构、金融机构和医疗保健公司量子。互联网还可以用来连接各种量子计算机，帮助提高它们的总计算能力。量子互联网还将实现纠缠的分布，可用于执行量子加密、量子传感和其他量子力学任务。基于纠缠的量子网络可能会在10到15年内实现。
尽管功能强大的量子互联网是一个遥远的目标，但相关潜力应用不断取得进展，如量子互联网将全球的射电望远镜连接起来，有效地创造了一个强大的单一、巨大的天线，足以对遥远星系中心的黑洞进行成像。带有分布式纠缠量子传感器的量子网络还可以为探测暗物质和引力波带来更灵敏的可能性。
原则上，我们可以利用量子互联网检测到来自天体的量子信号，甚至是来自外星文明的智能信号。一项最新的研究表明，外星人可能通过量子网络进行跨空间通信。研究人员确定，如果光子被用作量子粒子，它们至少可以跨越数十万光年，这是比整个银河系还要长的距离。部分原因是太空中物质的平均密度远低于地球，而这种“更清洁”的环境意味着更少的干扰机会，即使是引力也不足以使量子通信网络偏离轨道。当然，外星生命可能正在使用量子网络相互交谈或试图与我们取得联系。与此同时，它也为天文学家提供了另一个他们可以监测的潜在生命迹象。
智能工厂
未来的工厂将通过智能技术链接更加数字化、更加高效和更加自动化，因此在智能工业解决方案应用领域有显著的应用场景，如开发物流、生产和流程领域的创新解决方案，定制自动化系统和机器人来解放人力，开发基于微机电系统、光学元件以及执行器的传感器，以检测环境并确保交互安全。传感器技术成为数字化的感官器官：它形成了机器与人之间的界面。
如量子计算公司Multiverse Computing与全球最大汽车零部件供应商之一博世集团宣布合作开展量子数字孪生计划。博世制造工厂的生产环境中，通过研究量子和量子启发的机器学习工具及其使用，来提高工厂的生产力和竞争力。
人工智能
从根本上说，人们可能使用量子力学来操纵语言和符号。如果你相信不明飞行物，这是给你的一个思想实验——你认为他们的导航员是如何控制这种飞行仪器的？它很可能是通过量子计算脑机接口实现的。
量子脑网络（QBraiNs）很容易成为一个新的跨学科领域，它整合了神经技术、人工智能和量子计算的知识和方法。显然，在未来用人工智能和量子计算来增强自己的能力不可避免地是非常人性化的。研究人员已通过惊人的试验证明人类神经系统使用光进行信息处理。那么，量子大脑网络或量子计算大脑接口 (QCBI) 可能以前所未有的方式利用和改造艺术、科学、技术和企业家精神，特别是与医学、人联网、智能设备、感官体验、游戏、物联网相关的活动、加密货币交易和商业。
在脑机接口方面的顶级案例，你可以问问马斯克。
循环量子神经网络（RQNN）试验。学生坐在电脑前，闭着眼睛，好像在冥想，但猜猜看他正在操纵一个脑电图 (EEG) 阅读器，该阅读器正在感应通过他头皮的电活动。图源：University of Plymouth
天气预报
每年都有飓风、极端热浪、龙卷风和其他极端天气事件，导致数千人死亡和数十亿美元的损失。进一步提前并提高准确性的极端天气预测可以使目标地区做好更好的准备，以减少生命和财产损失。即使用最尖端的仪器分析温度和压力时，也会出现太多可能性，气象模拟变化多端，而当前的天气预报多数也都属于经过分析的大致猜测。但量子计算机可以一次分析所有数据，可以帮助建立更好的气象模型，这可以让我们更深入地了解人类如何影响环境，并帮助我们确定现在能够采取哪些措施，以便能预防灾难发生。我们可以提前得知飓风等灾难来袭，并有额外时间拯救更多生命。
英国气象局已经在量子计算方面投入巨资，以帮助改进预测，而 IBM Research 与 The Weather Company、大学大气研究公司 (UCAR) 和美国国家大气研究中心 (NCAR) 合作开发了第一个覆盖全球的模型，快速更新的风暴尺度模型，可以在当地预测雷暴。即使在服务最欠缺的地区也能提供高分辨率的预测。它采用了 IBM 的超级计算技术和地理处理单元，未来有可能与量子计算相结合，以传统超级计算机无法实现的方式帮助跟踪和预测气象条件。
无人驾驶
量子计算为无人驾驶带来的惊喜的驾驶体验，可以解决自动驾驶汽车的安全性和可靠性问题。从电动汽车的电池研究合作到自动驾驶的图像分类和物体检测研究，我们希望看到量子计算机成为开发新型交通解决方案中更加不可或缺的一部分。
由于自动驾驶汽车要实现商业化还有很长的路要走，量子计算将有助于简化这一旅程。 量子计算可以通过分析来自自动驾驶汽车内部传感器的数据来帮助减少交通拥堵，从而确保路线优化。量子计算可用于训练算法，同时设计自动驾驶汽车，以实现更好的安全性和燃油效率。量子计算还可以通过显着刺激新技术的研究和开发，为汽车厂商过渡到电动汽车时代提供动力。在车辆设计过程中可以使用量子计算来进行各种改进，例如最小化阻力和提高燃油效率。尽管量子计算仍处于起步阶段，但它已经证明对自动驾驶汽车有益。
医疗
因为全世界的预期寿命正在增加，慢性病的数量也随之增加。健康意识也在提高，对创新预防和诊断的需求也在增加。但是开发一种新药需要化学家进行无数不同分子组合方式试验，这一过程可能需要数年时间，耗费数百万美元，即使将这些组合进行后期实验时，依然会有很多组合失败。而量子计算机可以绘制出数以万亿计的分子组合模式，并迅速确定最有可能生效的组合，这将大大节省研发成本和药物研发时间。
与我们当前所用方式相比，量子计算机为人类基因分析排序的速度也更快，这将帮助研发个性化药物和医疗保健方式。像阿尔茨海默病、帕金森、2型糖尿病等等，这些疾病的致病原因都是因为某些蛋白质折叠错误导致的。如果量子计算机可以模拟出来，就可以大大帮助医疗制药。MEMS 技术可用于预防医学，例如检测食品中的成分或借助最新的视觉成像技术及早诊断疾病。此外，微机械组件能够实现新的治疗形式和药物的目标剂量。
量子传感器测量人脑活动产生的磁场，观察者可以推断出大脑在做什么 图源：imeche
太空探索
量子点是一种半导体纳米晶体，可根据其大小、形状和化学成分吸收和重新发射不同波长的光。NASA科学家利用这一原理，研发了量子点光谱仪，能够在地外卫星、月球土壤方面实现新的应用，具有研究地球表面成分、海洋颜色、植被和大气化学以及提供对极光相互作用的洞察力的潜力。
来自光谱仪的数据显示为光谱，如这张图像中捕捉到的来自系外行星 WASP-96 b 的水蒸气、云和雾霾的特征。蓝线来自一颗围绕 1,150 光年外的恒星运行的蓬松气体巨行星，蓝线显示特定颜色（波长）光亮的峰和颜色暗淡或不存在的谷。每个元素或化合物都贡献了其独特的光谱曲线，作为其在更大范围内的“签名”。图源：NASA、ESA、CSA 和 STScI
韦伯望远镜将盯紧太阳系外发现近2000颗系外行星，届时，这些系外行星会投下光影，天文学家可分析和预测这些行星上的大气状况，以及它们是否适合生命生存。量子计算系统可应付太空望远镜获得的更多数据，并发现更多系外行星，帮助迅速确认哪些行星最有可能适合生命生存，并为这些外星生命预测分子体征（氢、水、甲烷和氨）。
军工
量子通信、量子传感和量子定位技术的进展则主要是由国防安全推动，为制造尖端武器装备提供了重大突破口，推动了全球新军事变革和战争形态变化，例如，量子计算可以有效解决高性能、大数据计算问题，加快导弹攻防系统、大型海空作战武器平台、军事航天装备等复杂武器系统的设计和试验进程；量子计算机可以推动机器学习，这反过来又可以推动更精确的致命性自主武器系统的发展，或者武器能够在人类不用手动或远程控制的情况下，自主选择和打击目标；人工智能量子计算机还有可能与量子传感器配对，以进一步提高军事情报、监视和侦察(ISR）应用的性能。
量子定位最有可能实现的应用将是完成位置、航行和计数，作为取代GPS操作系统的选择。可以通过与经典雷达相结合，提升定距、观察角分辨率和图像清晰度，同时增强了雷达的抗干扰能力和防欺诈能力；利用量子密钥系统等信息技术形成绝对可靠的网络系统，可在武器装备、敌我辨识、锁定攻击目标等方面形成一体化作战模式。精确模拟量子多体系统的量子模拟为预测材料行为提供了希望——这种能力将允许明确设计和创造具有特定物理性能的新材料，如超硬装甲、超导性、耐高温材料等。
近年来随着地缘政治日益紧张，目前北约发挥量子技术在军事方面的巨大潜力，促使量子技术正从实验室走向未来战场。例如，从2021年3月开始，北约网络安全中心(NCSC)使用英国公司Post-Quantum提供的虚拟专用网络(VPN)进行了安全通信流的测试运行，并表示这是能够抵御量子计算机攻击的安全网络。2022年3月，北约宣布完成了测试：北约网络安全中心由北约通信和信息局(NCI)运营，全天候保护北约网络。
量子计算机
量子隧穿效应，注定了芯片的尺寸存在一个不可逾越的极限。目前看来走向量子芯片是突破经典计算机极限的最佳选项。
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置，相比经典计算机，其运行速度更快、处置信息能力更强、应用范围更广。根据美国国家科学院(NAS)的说法，“目前唯一已知的一种能够比现在的计算机提供指数级加速的计算模型就是量子计算机。”
目前国际上对量子计算机发展的公认路线有三步：第一是实现量子计算优越性，需要相干操纵50个以上量子比特；第二是制成实用量子模拟机，需要相干操纵数百到数干量子比特；最后，制成通用量子计算机，需要相干操纵数百万量子比特。
根据技术路线来划分，量子计算机目前较主流的方向有超导芯片量子计算机、离子阱量子计算机和光量子计算机，其他有微纳光子学系统、甚至是原子和离子系统。
虽然量子计算机还处于相对早期的发展阶段，但量子计算机按照目前进展，会对人工智能(AI)、安全的加密通信、智慧城市、无人驾驶、太空探索、机器学习和自动化和其他学科的未来产生重要影响。
2022年是量子计算的蓄力之年，国内的量子计算机雏形初露尖角，百度推出集量子硬件、量子软件、量子应用于一体的产业级超导量子计算机——乾始。本源量子与晶合科技成立量子芯片联合实验室，建设全国第一条量子芯片生产线——悟空。国外，微软、谷歌、国际商业机器公司（IBM）、英特尔、三星、空中客车、洛克希德·马丁和富士通等老牌企业领导者继续在量子计算方面取得进展，随着100+量子比特设备的推出，需要开发适用于更大规模量子计算机的软硬件相关技术，为未来通用量子计算机的实现打好基础。未来三年，国内外这些量子公司将向1000-4000位量子比特冲刺。
人类将在2030年至2040年的这段时间内开发出能够破解当前加密方法的初始量子计算机原型。这需要系统扩展超过100万个量子比特，才能真正达到我们所期待的量值效用和商业实用性。借鉴于传统计算机的发展历程，量子计算机的研究在克服瓶颈技术之后，要想实现商品化和产业升级，需要走集成化的道路。而集成平台需要多种材料、组件设计和集成策略，这也给科学家们带来了多种挑战。因此今后，量子芯片级的集成对于扩大规模和将实验转化为现实生活中的技术至关重要。
制造一台运行良好的量子计算机难度不亚于登月。但是任何一项前沿技术的攻破最终目的都是让人类生活更美好，生产更高效，生存更持续。从科学探索过渡到现实，仍需要科学家和企业界持续推动量子技术的创新步伐。正所谓，道阻且长，行则将至。
这样意味着新一轮的技术革命悄然打响了。硅基半导体逼近极限时，量子芯片与量子计算，成为大国未来竞争的核心技术。为了抢占量子科技的战略高地，我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要，也特别强调要加快布局量子计算、通信等前沿技术。作为中国半导体弯道超车的绝佳机会，我们唯有站在量子计算的制高点，掌控话语权，任何国家的半导体制裁都将失效。正所谓一位诗人所言：我本体光明，任何审判都毫无意义。
所以，让我们继续保持“埋头苦干、拼命硬干、舍身求法”的大无畏探索攻关精神，同时，团结国际友好力量，秉持人类命运共同体精神，拥抱下一轮信息技术革命。敬请期待未来半导体下一篇量子科技文章：
《量子计算 | 摩尔定律寿终正寝，量子芯片登基大吉，中国或将引领新世代》
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