量子信息科学在应用领域的颠覆意义

从目前的成果来看，中国在量子通信领域已经走在世界前列；美国则在量子计算上取得重大进展。

要理解量子计算，可以先想像一下下面这样的场景。你被要求5分钟内在国家图书馆某一本书的某页上找到一个大写字母“X”，这几乎是不可能的，因为那里有5000万册书。但是如果你处于5000万个平行现实中，每个现实都可以查看不同的书籍，你肯定能在其中某个现实中找到这个“X”。在这个假设中，普通计算机就是像疯子一样的那个你，需要5分钟内找遍尽可能多的书。而量子计算机却能将你复制出5000万个，每个只需翻找一本书即可。这有点像《西游记》中的孙悟空拔毛化作5000个孙悟空，各自去打5000个妖怪，而不是一个孙悟空面对5000个妖怪逐个去消灭。

8月中旬，中国将发射全球首颗量子通信卫星。就在国内紧锣密鼓地准备卫星发射之际，位于大洋彼岸的美国，正式对外宣布，要求学术界、工业界和政府尽快就量子信息科学（QIS）议题进行交流，以保证量子信息研发的关键需求得到满足。中美两国在量子信息科学领域里的竞争似乎已经拉开序幕。

在白宫的官方博文中，还引用了美国国家科学技术委员会（NSTC）于7月份提出的报告《推进量子信息科学：国家的挑战与机遇》。报告中，美国国家科学技术委员会对量子信息科学的重要性，前瞻性进行了阐述，还介绍了美国在量子信息科学的研究发展状况。该委员会认为量子计算能有效推动化学、材料科学和粒子物理发展，未来可能最终会颠覆众多科学领域，人工智能也当属其中之一。

量子力学描述的是在单个原子或次原子粒子尺度上，物质与能量行为和相互的作用。我们能够在大尺度上直观地理解粒子的集体效应，但量子行为则通常显得奇异和反常。这些特殊的量子现象包括量子叠加 （系统同时包含所有的可能测量结果，一旦某个测量发生，则结果将为定值）和量子纠缠（多粒子的叠加态，它们的属性相互关联影响）。

利用这些特性来处理信息，将量子现象和信息科学相结合，将为诸多领域带来独特而令人期待的新机会，比如测向、计量学、导航、通信、基础物理学、模拟技术以及计算领域等等。

8月4日，《Nature》封面杂志文章公布了一项量子计算机重大进展：一种小型可编程重新配置的量子计算机问世。

量子通信是根据量子力学原理，提供一种全新方式对信息进行编码、存储、传输和逻辑操作，并对光子、原子等微观粒子进行精确操纵，以确保通信安全和提升计算速度等。因为量子具有纠缠的现象，能相互联系。简单来说，就是一个量子比特的行为能瞬间影响到另一个量子比特。这样的特性意味着，你不可能实现对一个未知量子比特的精确复制。因为一旦信息被人挟持，量子会自动发生变化，接收者也因此能察觉，而偷窥者也看不到原貌。将这样的技术运用军事、金融领域可保证信息的安全。

中国目前是该领域的领先者，如果8月份的量子通信卫星能成功发射，中国将成为全球第一个实现卫星和地面之间量子通信的国家，加上今年下半年建成的地面光纤量子通信网络，国内将初步建成广域量子通信体系。

量子计算的可能性最早由物理学家理查德·费曼提出。他曾对量子计算有过这样的描述：“如果你自以为已经理解了量子物理学，实际上你并未真正理解它。”简单的理解就是，普通计算机只能按照时间顺序一个个地解决问题，而量子计算机却可以同时解决多个问题。

除了量子计算和量子通信外，量子信息科学还在测向和计量学、模拟技术等领域具有颠覆意义。

实际上，量子信息科学已经在推动测向和计量学的发展。用于惯性导航的原子干涉计也可以作为比重计使用，比如对地球系统进行检测，或是确定地下矿藏的位置。利用金刚石点缺陷的磁强计既可以在人体周围使用，也能够在工业或军事所需的极端环境中运行。量子模拟器使用易控的量子系统来调查其他难以直接研究量子系统的属性，比如复合材料。材料计算是能源研究科学计算的第二大工作。量子模拟器的潜力在于为这些计算科学的问题提供高效解决方案，而这些问题往往受限于传统高性能计算机的固有能力。在有关报告中，量子模拟目前还没有用于解决传统计算机难以应付的问题，不过在未来十年中，它有机会在其他领域发挥功用。比如化学、材料科学和物理学。