来！一起考虑下我们未来 | 量子科学诞生120周年

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120年前的深冬，量子科学诞生，现代物理的蝴蝶振动翅膀。


120年后，还是在这个深冬，我们纪念量子科学诞生120周年，见证量子科技改变了人类经济社会形态，并愈发强劲地影响世界的未来。


近年来，我国持续加大对量子科技的研究投入，技术创新日益活跃。中国电科秉承科技自立自强、科技报国的不变初衷，在世界量子科技赛道上同台竞技，让量子技术从实验室演示性研究迈向实际应用。


量子计算：或将超越超级计算机


量子计算最大的特点是利用量子态的叠加特性进行计算。量子比特数，是衡量量子计算机性能的重要指标之一。每增加一个量子比特，量子计算机的运算能力将以指数倍增加。

有报道指出，针对特定问题，一台30个量子比特的量子计算机的计算能力和一台每秒万亿次浮点运算的经典计算机水平相当，是今天经典台式机速度的1万倍。

在中国电科量子实验室，量子计算机基本原理和架构获得突破，已经研制8比特超导量子计算机原理样机，实现了10比特transmon超导量子芯片的设计加工，量子比特退相干时间达到微秒量级，同时发布了20比特量子计算模拟平台，实现20比特量子操作系统。目前，100比特超导量子计算机工程已经完成立项审查和总体方案设计评审，第一台工程结构样机具备展示状态；正在研制超低稳微波线缆、MK级稀释制冷机、量子计算机操作系统、多通道集成微波调控设备、超导量子芯片封装、量子芯片制造装备等，并积极构建量子计算机专利保护体系。

“我们确实看到了在经验世界中看不到的现象，形象地说就是一只由20个人造原子构成的‘猫’，薛定谔猫态。”在短短187纳秒之内（人眨一次眼所需时间的百万分之一），20个人造原子从“起跑”时的相干态，历经多次变身，最终形成同时存在两种相反状态的纠缠态。这“璀璨”的187纳秒，见证了人类在量子计算研究道路上迈出的全新一步。


量子通信：窃听者不仅听不懂，还会被发现


当量子计算机颠覆传统密码体系时，量子技术也为信息安全提供了一个守护神，那就是一种理论上无法破解的密码——量子密码。

有矛必有盾。资深的科幻迷都知道，量子态的一大神奇之处，是一旦出现了观测者，其状态便会发生改变。因此，对量子通信的窃听行为，就会改变光子的状态，进而使通信双方意识到被“偷窥”，可通过取消信息发送，或改为发送的信息，使得窃听者只能得到一段无效的信息。

2017年，中国电科发布了高速量子随机数发生器，实时产生速率超过5.4G比特每秒，极限值突破117G比特每秒，刷新了高速量子随机数发生器纪录，成为同期世界上产生速率最高的量子随机数发生器。

作为量子保密通信核心设备之一，量子随机数发生器的发展一直受到行业的关注。中国电科发布的高速量子随机数发生器具有“真随机、超速率、小型化”等特点，共获得５项发明专利，其输出的量子随机数比特率比传统技术高３至４个量级，处于国际领先水平，可广泛应用于量子通信产业和信息安全产业。同时，中国电科还研制了连续变量量子密钥分发系统和量子密钥管理系统等系列量子保密通信样机，构建了覆盖量子态制备、传输控制、探测及数据处理等关键环节的自主知识产权保护体系。


量子测量：超越传统统计极限的测量精度


测量是物理学的核心，不断提高测量的精度一直是物理学家的追求，也是物理学中永恒的话题。

量子精密测量，就是利用量子力学的基本规律寻求更精密的测量手段。为此，中国电科在量子探测、量子成像、量子导航等方面开展了大量前沿性基础研究和关键技术攻关，先后突破近红外单光子探测器阵列、多光束发射与接收、精密光束指向与扫描、点云数据融合等一系列关键技术，研制了国内最大阵列规模的阵列单光子探测系统，实现全天时、超衍射极限三维成像；中国电科还相继开展了以宽光谱可调谐纠缠单光子源、单光子探测器综合特性参数测试技术和超导单光子探测器研制。目前已具备单光子探测器探测效率、暗计数、线性度、后脉冲概率、时间抖动、死时间等相关特性参数的测试能力，具备国际领先的技术指标。其中，单光子探测器特性参数测量系统，可提供探测效率、后脉冲概率、死时间等特性参数的高精度测试校准，有效保障了量子保密通信、量子雷达等型号工程中单光子探测器的量值溯源需求。

全天时高分辨率三维成像

激光抽运铯束管：原子钟的物理核心


不久前，一种在140亿年后误差还不到十分之一秒的新型铯原子钟问世。

该原子钟的设计，就是以量子纠缠原子为中心。其中，名为激光抽运铯束管的量子频标器件，是世界一级时间频率标准工程化小型铯原子钟的物理核心，有了它，铯原子钟才能称为“原子钟”。

作为量子技术的直接应用，中国电科自主研发的激光抽运铯束管利用铯原子超精细基态能级跃迁，为铯原子钟提供了量子鉴频信号。可以说，铯束管直接决定了铯原子钟的性能，是铯原子钟输出高稳定度时间频率信号的根本，可实现“测量一天时间误差仅纳秒量级”的极致目标。

激光抽运铯束管具有原子束准直度高、原子跃迁频率漂移低、原子荧光检测效率高等特点，信噪比、频率稳定度等主要指标达到国际先进水平，线宽指标国际领先，有力地推动了铯原子钟的国产化进程。

目前，满足国家标准时间体系、卫星及地基导航用基准守时系统、高速通信用标准频率参考源等迫切需求的激光抽运铯束管，已获得广泛应用，从基础与器件层面推动了我国PNT领域的发展。
 
还有7天，我们将迎来2021年新年，开启21世纪20年代的大门，人类也将全方位进入到科技主宰一切的新时代。

量子科技，未来已来。

 材料来源/科技质量部 记者/李晓辉 校对/何爽






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