探索｜量子科技掀起前沿技术新浪潮

sanasnoz

来源：交汇点新闻客户端

交汇点讯 量子通信、量子计算、量子材料、量子精密测量……在量子科技领域，一场激烈的竞赛正在展开。量子科技已成为全球科技大国群雄逐鹿的新一轮科技革命和产业变革前沿阵地。 究竟什么是量子科技？量子科技为何如此重要？如何抢抓量子科技发展机遇？记者就此采访了南京大学物理学院院长王伯根教授以及南京大学物理学院温锦生教授。



近在身边，量子科技为何如此重要

在19世纪末，经典物理进入黄金时代，经典力学、经典电动力学和经典热力学构筑起了一座华丽而雄伟的物理学大厦，很多物理学家甚至都认为物理学已经接近完美，剩下的工作只是在这座大厦上小修小补——除了盘旋于其上方的两朵乌云：迈克尔逊-莫雷实验与以太漂移说相矛盾，以及黑体辐射理论中的“紫外灾难”。 “而恰恰是这两朵乌云后来导致了现代物理学大厦的两大支柱——量子力学与相对论的诞生。”王伯根教授介绍说。我们现在都已经知道，量子力学与相对论是二十世纪物理学最重要的两大进展。自二十世纪初量子力学诞生以来，包括普朗克、玻尔、爱因斯坦等100多位科学家由于量子物理的研究而获得诺贝尔奖。

量子化是量子力学的主要特征之一。什么是量子呢？通俗地说就是当一个物体存在最小的不可分割单元时，我们就说它是量子化的，并把这个最小单元称为一个量子。温锦生教授接着科普说，这个概念由德国物理学家普朗克在1900年研究黑体辐射时率先提出——能量存在最小单元即“能量子”（量子），它的传播是不连续的，而是一份、一份的。除了能量以外，电荷、粒子自旋等物理量也是量子化的。

“量子科技并不是刚刚出现的新学科领域，它的发展已逾百年。”温锦生教授表示，量子科技并不小众，距离民众并不遥远。“但网络上的量子眼镜、量子电磁炉、量子围巾并不是真正的量子产品，跟量子科技没有直接关系。” 王伯根教授说，量子科学是区别于经典物理定律，在量子力学基本原理的基础上重新构建的具有颠覆性的观察、认识和理解微观世界的方法和理论。事实上，在第三次工业革命中已经实现的很多伟大创新，很大程度上应该归功于量子科技的发展。人类对量子科学的认识、发展和运用，催生了信息时代的核心技术，比如计算机CPU中的晶体管、以及激光、硬盘、卫星定位导航等。“比如基于量子力学原理的的巨磁阻效应，让人类拥有了能够存储海量信息的硬盘；量子力学发展所催生的半导体晶体管，造就了今天的计算机、手机；量子力学原理在计时领域的运用，制成了原子级别精度的铯原子钟，让人类实现了精准卫星定位；基于宏观量子现象的超导电性，已发展出核磁共振、磁悬浮列车等产品……” 清华大学副校长、中国科学院院士薛其坤也曾表示，量子科技在未来不但会使我们计算机的计算能力提高，通信速度更快，还将带来更灵敏的传感技术和更高的信息精度。对未来的数字技术，量子力学将从原理上提供支撑并引发新的技术革命，这与传统技术带来的渐进性发展截然不同。 “未来10-20年，量子科学的很多应用，可能现在都不能想象。”王伯根教授和温锦生教授都很肯定地表示。未来，以量子科技作为支撑，计算机的计算能力，通信的速度与安全，传感技术的灵敏度与信息精度，都将得到根本性的提高。基于自旋、超导电性、拓扑物态等受量子力学支配的新奇微观和宏观量子现象发展的新型量子器件，将引领新一轮的科技变革与产业革命。例如，传统半导体工业的发展已经到了瓶颈期，传统加工工艺已经逼近量子极限，“过去单位面积上可以容纳的晶体管数目每经过2年左右会增加一倍，如今器件尺寸已经很难继续变小，要从根本上突破，取决于量子基础理论和量子器件的源头创新。”温锦生教授补充说。

前沿扫描，量子科技领域广阔

量子科技领域十分广阔，包括量子通信、量子计算与量子模拟、量子精密测量、以及量子材料、量子调控、量子力学基本原理和物质基本结构等现代物理学及相关交叉学科的多个方面。 王伯根教授介绍，依托于包括物理学院、现代工学院、电子学院等在内的大物理学科，南京大学在量子科技研究方面有着深厚的历史积淀和前瞻性的战略布局，是国内最早的两个量子调控研究基地之一，目前已在拓扑物态研究、高温超导电性、人工微结构的量子调控、原子制造、量子材料类脑智能硬件、量子通信、量子计算和量子模拟、量子精密测量、量子材料等多个量子科技的前沿领域开展研究，取得了一系列重大原创性成果。 “量子通信、量子计算与量子模拟、量子材料、量子精密测量等是量子技术的目前可以寄予厚望的几大主要发展方向。”王伯根教授介绍说，在量子通信方面，南京大学祝世宁院士团队以光学微结构材料近40年的研究积累为基础，在单光子、双光子及高维纠缠态的产生和操控方面取得突破，成功制备出高维度量子纠缠光源，对于发展具有更高信息容量和速率的量子信息处理技术具有重要意义。该团队还将微结构光子集成技术与无人机结合，首次实现了基于无人机的量子纠缠分发实验，并演示了其在白天、夜晚、雨天等多气象条件下工作的能力，为进一步发展基于无人机等移动平台的量子通信网络打下基础。此外，南京大学相关团队还在光的波粒二象性的叠加调控、硅基光量子芯片、超导量子计算与量子模拟等领域取得一系列突破。 以量子材料为例——这是量子科技发展的重要物质基础。“比如国际上方兴未艾的拓扑量子材料领域，就是希望通过找到更多拓扑量子材料，并探究其奇特物性，为构建下一代新器件和新应用提供可能。”温锦生教授告诉记者，近年来，南京大学研究团队在拓扑物质态探索方面已经实现了从0到1的理论突破，站在了相关研究领域的国际最前沿，将拓扑的概念由绝缘体推广到金属体系，开启了国际上对拓扑半金属态的研究热潮，并建立了拓扑量子材料数据库。 再比如，目前大家都十分关注的我国半导体工业“卡脖子”问题。如果我们能用量子科技实现对物质原子的操控，开发一种全新的原子制造技术，将为我国极端微制造行业提供一个全新的路线，这也是量子科技在未来制造业中的一个拥有广阔前景的切入点。王伯根教授说，南京大学在原子制造的基础研究方面富有特色，建设了宏量制备团簇离子新装置，设计了多种原子尺度的量子器件。 南京大学研究人员还能像搭乐高一样，在原子世界里将性质迥异的多种二维材料按照不同的顺序进行堆垛，制造出自然界并不存在的新型结构材料，设计和实现了多种类脑智能原型器件与系统。这些基于量子材料的类脑智能硬件，可以模拟我们的“眼睛”和“脑回路”等，将为物联网、边缘计算、人工智能等应用的快速发展提供助力。

“领先”和“短板”，中国都将继续快进

量子科技对于国计民生、国防安全、社会进步和经济繁荣具有重大战略意义。近年来，量子科技的发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。我国虽然在量子科技方面起步较晚，但是我国科技工作者奋起直追，只争朝夕，取得了一批具有国际影响力的原创性成果。 王伯根教授说，“目前我国在光纤和自由空间量子通信、基于光与冷原子的量子计算和量子模拟、针对定位与导航的精密时间测量、量子材料的拓扑物态研究以及基于人工微结构的量子调控等领域已经处于领跑地位。”与此同时，我国在量子科技的不少领域也存在“短板”，比如说核心元器件高端制造设备，极端精密测量设备等方面还亟需加强。 未来，量子科技发展的突破口在哪儿？王伯根教授说，量子科技的发展需要多学科支撑，高技术产业支撑，需要吸纳有实力的高新技术企业的参与。下好量子科技“先手棋”，应大力推动高校、科研单位与企业之间的合作，打通产业链和创新链之间的阻隔，提升成果转化的效率，有效促进我国产业的转型升级；也应进一步深化科技管理体制改革，完善评价体系，激发科技队伍的巨大潜能。 清华大学副校长、中国科学院院士薛其坤也曾表示，对量子科技发展进行部署时，应考虑到产学研协同，考虑到从基础研究到应用之间的密切结合，这样可以提高效率，加快研发速度。 科技工作者，应利用好量子科技发展的战略机遇期，共同营造出量子科技发展蓬勃向上、百舸争流的局面。温锦生教授说，“我们科技工作者一定要不畏艰难险阻，勇攀科学高峰，加快基础研究突破和关键核心技术攻关，争取在量子科技领域再取得一批世界水平的原创成果。” 王伯根教授表示，“接下来南京大学将进一步发展人工微结构光场调控在量子信息技术中的应用，在大规模集成光量子芯片方面寻求突破。推进量子计算和量子模拟等方面的实用化进程；在量子材料方面，发现具有更大实用价值的超导、拓扑、自旋电子学等新型材料，进一步开展基于量子力学新原理的量子器件研究，开发更多的先进制造装备。” 除了着眼于应用的基础研究，量子科技的研究还将进一步探索微观物质世界的物理规律。 王伯根教授介绍，由于希格斯粒子赋予了基本粒子以质量，所以在基本粒子的研究中扮演了非常重要的角色，对它的粒子性质开展研究有助于我们理解宇宙演化和质量起源等重要问题。南京大学研究团队在希格斯粒子的发现和性质研究中做出了重要贡献，未来将重点布局双希格斯粒子产生机制的研究，有望在数年内观测到双希格斯粒子的产生，促进人们对于物质基本结构和宇宙早期演化规律的理解。 交汇点记者 杨频萍 蔡姝雯