系列报道之①
今年春节档的大热电影《流浪地球2》不仅承载了人们对于未来社会的憧憬与幻想，更为重要的是，它展现了当下科学技术发展的现实进程。其中，贯穿全片的智能量子计算机MOSS备受瞩目。凭借超强的算力和自我意识，它能够融合调度多种复杂的计算资源，让数万座行星发动机协同运作，以满足“数字生命”计划的需要。这样的量子计算机，真的只存在于科幻电影中吗？
事实上，随着量子技术的发展，量子计算正逐步走出实验室，逐步应用到网络信息安全、大数据和人工智能、化学生物制药、金融工程、智能制造等领域，将在国防建设和国民经济发展中发挥巨大作用。在哥本哈根大学攻读量子信息学博士研究生的陈然在接受南都记者采访时表示，“一旦我们对量子比特的制备和控制达到一定精度，它就能产生远大于现有计算机的计算能力。”
这是一门在大部分人看来十分抽象、难以理解的学科。陈然坦言，“量子技术研究有太多反直觉、反常识的东西。我在理解量子的过程中，也犯了很多错误。学习量子技术是一个不断推翻自己的过程，需要多思考。”未来，量子技术的快速发展，将会带来更多的应用机遇，陈然希望，假以时日，自己参与的量子技术研究，能够真正地派上用场，在社会上发挥它的价值。
百度自研的乾始超导量子计算机内部视图，受访者提供。
量子力学最难的是理解公式背后的物理含义
量子技术是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科，包括量子通信和量子计算、量子传感等领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等；量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。
陈然与量子技术的初次接触，来自他的本科专业密码学。如果说，传统的密码系统是基于数学的数字的组合，量子密码技术就是基于物理学的光子和量子力学的研究原理形成的一种密码技术，其不确定性和无规律性，让量子密码比传统密码更难被破译。
研究者习惯用这样一个例子来描述量子技术在密码学中起到的作用：传统意义上，两个人共享一把密钥，为互相之间的通信加密，但这永远无法防范有第三方中间人窃听信息的风险。而量子力学的不可克隆性（无法在不破坏原有信息的基础上复制信息）能保证通信安全性——使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，用来加密和解密消息。一旦有第三方中间人试图对密钥做分发窃听，通信的双方便会察觉，造成高误码率，从而使窃听被发现。
“这也是我当时接触量子密码学时听到的第一个案例，当时我就觉得非常神奇。”这令陈然产生兴趣：“量子技术可以提供更强的算力以及更安全的加密算法，实现原来无论如何做不到的事情。很想了解背后是什么机理。”
对于这样一门在大部分人看来十分抽象、难以理解的学科，陈然在学习期间遇到过最大的挑战，是如何去理解数学公式背后的物理模型和含义。“有关量子计算或者量子信息的这一套理论，描述量子力学的规律，每一条都可以用数学公式非常优美地写出来，但它的物理解释，或者说公式背后的物理意义，在理解过程中容易犯很多错。”于是，在校期间，他通过与同学、老师交流研讨，参与各种讲座、论坛，来纠正之前错误的认知，对量子科学的理解也得以进一步深化。
为了让理论学习和实际项目能够更好结合，2020年，陈然加入百度量子计算研究所，在深入学习“量子纠缠”“量子叠加态”原理的同时，有机会参与到一些具体项目中，通过量桨、量易伏做一些小规模的实验展示量子算法的优越性。
“实习和我在学校做研究一个最大的不同，就是可以用到真正的量子计算机。”陈然说，因为在学校更多时候只能停留在理论研究，不用考虑量子计算机具体是怎么运行的，可以假设它就是一个完美的机器。但实际使用时，它会出现各种问题，需要校准、需要调试。“量子计算机非常脆弱，它的噪声非常大。有时候给它一些很复杂的计算任务，它也会错得非常离谱。所以我们就是要非常小心，在用的过程中需要不断改善自己的算法。”
虽然陈然已经拿到心仪的博士录取通知书远赴欧洲继续攻读量子信息的博士学位，但通过百度研发的量易伏手机端APP，陈然和广大用户不管身处何地，都能够通过手机远程连接上百度自研的“乾始”超导量子计算机和合作单位提供的其它类型量子计算机，实现随时随地调用量子算力，让“人人皆可量子”这一目标成为一件触手可及的事。
量子技术令手机验证码生成“真随机数”
量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，这种原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态。量子计算机最基本的信息单元是量子比特。随着量子比特数目的增加，对于n个量子比特而言，量子信息可以处于2^n 种可能状态的叠加，配合量子力学演化的并行性，可以展现比传统计算机更快的处理速度。
我们每天每时每刻都可能在和量子接触。就拿大众最熟悉的手机验证、图像处理等来说，每当我们注册登录网站核实身份信息，输入手机验证码（随机数）都是绕不过的一步。随机数已成为信息时代的一种重要基础资源。一般来说，数字的随机性保证了协议的安全性。但有多少人知道，我们现在口中的“随机数”，实际上并非真随机？
“现在所有的随机数都是算法生成的。”陈然说，“实际上，随机数都是由算法来生成的，数字之间并非完全无关。从理论上来说，当你找到了随机数生成的规律，你就可以预测以后出现的随机数。”换句话说，随机数也存在被破解的可能。但利用量子物理原理，却可以产生具有内禀随机性的真随机数，几次出现随机数的结果，互相之间完全独立，没有任何关系，也找不到方法预测或破解。
这就意味着，利用量子力学特性的生成随机数，协议的安全性会得到进一步的提高。这也为科学仿真、密码学等领域提供了极大的助力。基于这一原理所发明的量子随机数发生器因具有不可预测性、不可重复性和无偏性等特征，成为量子通信系统中的关键核心器件。
图像识别也是量子技术最贴近实际生活的应用前景，具体场景包括人脸识别、自动驾驶识别路障、医学图像处理（CT判断病症）、AI画图等。此外还有量子模拟，也就是用量子计算机去模拟一个分子、原子，从而得知分子、原子的一些诸如能量、化学势等性质。“将量子技术应用于这些场景，已经被理论验证是可行的。”陈然说。
“在应对海量的数据处理与分析需求时，传统的图像识别技术常常会遇到性能方面的问题，如果要识别内容很多、图片很大，要专业芯片处理，就会消耗掉很多计算资源。”陈然解释，“因为量子比特跟经典比特不同，可以处于0和1的叠加态，包含更多的信息，也具有更强大、更高效的信息处理能力。现在实现高精度的图像识别需要大量的计算资源，但是用很少的量子比特就可以达到同样的精度。”
量子技术快速发展，将会带来更多的应用机遇
在陈然看来，尽管量子技术是一门形成已久的学科，但早年间一直处于“坐冷板凳”的阶段，“大家不理解这个概念，也不知道它有什么用，直到2011年前后量子通信技术取得了突破，量子的概念才火起来。2016年8月16日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射，第一次真正把量子科学带到了大众的面前。”
2022年，有关量子纠缠理论的研究斩获了诺贝尔物理学奖，令这门前沿技术得到前所未有的话题讨论热度。在博士求学期间主要研究量子纠缠的陈然，这样理解他眼里的“量子纠缠”：“其实就是很强烈的一种关联，可以理解为超越了时间和空间，不管两个人分隔多么远，都可以让两束光发生量子纠缠，并且保持这种状态——如果我对我手上的光子做出一个操作改变，那么不管两个人距离多远，我都可以立刻知道对方手上的光子将会发生何种变化。”
当前，受限于硬件水平，学界对于量子的研究更多停留在实验室阶段。陈然坦言，“现在量子比特的制造工艺还很不成熟，十几个量子比特的造价也远高于千万个经典比特。所以我们的工作更像是展示了量子计算的潜力：一旦我们对量子比特的制备和控制达到一定精度，他就能产生远大于现有计算机的计算能力。”
量子技术被视为三大最重要的前沿数字技术之一，已成为各国争相投入布局的重要领域和竞争焦点。在我国，量子通信、量子计算机等多次被列入顶层纲要规划中。例如《“十四五”数字经济发展规划》明确：重点布局下一代移动通信技术、量子信息等新型技术，推动信息、生物、材料、能源等领域技术融合和群体性突破。2022年12月的中央经济工作会议指出，加快新能源、人工智能、生物制造、绿色低碳、量子计算等前沿技术研发和应用推广。
百度量子技术创新发展背后是高质量专利的多年积累和强力支撑。目前，百度量子相关国内专利申请的公开量已经超过170件，涵盖量子算法与应用、量子通信与网络、量子加密与安全、量子架构与软件、量子芯片与硬件、量子测控与纠错等多个方向核心专利。
依托于百度人工智能（AI）生态和高质量量子专利布局，百度已成立北京人工智能产业知识产权运营中心量子计算中心，聚焦量子产业，以自主知识产权服务量子产业创新，推动量子领域专利技术产业化落地，带动量子产业上下游协调发展和融合创新，加速实现“量子产业化、产业量子化”。
百度自研的乾始超导量子计算机内部视图，受访者提供。
有业内人士指出，就量子技术从理论到现实的进展而言，近年来实用量子器件和技术的发展取得了重大进展。量子技术利用量子的独特现象来创造新的技术和设备，在许多领域具有广泛的应用前景，在计算、通信、传感、模拟等领域都有望产生重大影响。尽管要充分实现量子技术的潜力还有很多工作要做，很多工程或者技术上的困难需要克服，但已有一些量子设备和技术可以商业化或接近商业化，成为应用的关键曙光。
陈然认为，“未来1~2年，量子技术快速发展，将会带来更多的应用机遇，也会催生更多这一领域新兴的创业公司。可能等我毕业的时候，现在看来还无法落地的场景已经能够落地了。”他希望，假以时日，自己参与的量子技术研究，能够真正地派上用场，在社会上发挥它的价值，“我也很期待见证量子技术在指导、解决具体实际问题时，能有多好用。”
采写：南都记者 傅晓羚
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