剛剛過去這一周，“量子科技”這個原本稍顯“冷門”的詞刷屏了。量子科技是什么？
習近平總書記在中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行的第二十四次集體學習上是這樣說的：“量子力學是人類探究微觀世界的重大成果。量子科技發展具有重大科學意義和戰略價值，是一項對傳統技術體系產生沖擊、進行重構的重大顛覆性技術創新，將引領新一輪科技革命和產業變革方向。”
繼人工智能、區塊鏈之后，量子科技成為中共中央政治局又一個集體學習的前沿科技領域。
對于這一前沿科技領域的研究，青島的嘗試始于2004年。
顧永建
這一年，師從中國科學院院士、量子信息學家郭光燦的顧永建，從中國科學技術大學博士畢業，來到中國海洋大學，成為了青島研究量子科技的“第一人”。
青島量子科技的研究有哪些成果？量子科技將如何投入應用？現任中國海洋大學信息學院教授、副院長的顧永建給出的答案是兩個字：海洋。
“瞄準”海洋，量子科技精準賦能
在青耕耘16載，顧永建通過引進人才、在國內較早為本科生開設量子信息課程、培養研究生等方法，現已形成了30多人的研發團隊，讓青島的量子科技研究往前邁進了一大步。
2018年，圍繞量子科技在海洋領域的應用，中國海洋大學牽頭成立了海洋量子技術協同創新中心，聘任郭光燦院士為專家委員會主任，中國科學技術大學、華中科技大學、國防科技大學、山東大學、北京計算科學研究中心等單位的12位國家杰青、長江學者等專家為委員。
這個中心的關注領域與顧永建團隊的研究方向高度契合——以海洋為特色需求，以海洋量子通信與量子感知、量子計算和量子智能為研究和發展方向，基于量子信息原理、技術和成果研發海洋量子通信和傳感技術、海洋量子計算和量子智能的量子算法和量子軟件，推動海洋信息感知和傳輸、海洋大數據處理和計算的量子化、智能化及高性能實現。
現在，“瞄準”海洋領域，顧永建團隊已經在量子科技領域做出了成果。
量子通信，讓海洋數據“無條件”安全
要探討量子科技的意義，顧永建提到的第一個應用方向是量子通信。基于量子力學的特性，量子通信在信息安全和信道容量等方面突破了經典技術的瓶頸。
這是量子科技領域最接近應用的一項技術。在量子通信領域，近幾年的標志性應用是我國首顆量子衛星“墨子號”發射成功。中國量子衛星首席科學家潘建偉院士曾這樣形容“墨子號”：如果說地面量子通信構建了一張連接每個城市、每個信息傳輸點的"網"，那么量子科學實驗衛星就像一桿將這張網射向太空的"標槍"。當這張縱橫寰宇的量子通信"天地網"織就，海量信息將在其中來去如影，并且"無條件"安全。
顧永建用最通俗的語言給記者“翻譯”道，“墨子號”連接了天、空和地面的量子通信，而青島的量子通信關注的是沒有被覆蓋的領域——水下量子通信。
“大洋水下有很多諸如傳感器、航行器、潛艇等海洋監測設施，它們探測和了解海洋，將收集的數據回傳以供研究。這些數據需要高度保密。”顧永建說，“作為科技領域最先進的保密手段，量子通信在水下科研儀器的數據安全傳輸上將大有可為。”
到目前，顧永建團隊對水下量子通信的一些關鍵技術研究已取得突破并開始承擔重要研制任務。“下一步，我們將繼續發力水下量子通信技術的研究，為真正實現量子通信對空、天、地、海的全面網絡覆蓋作出貢獻。”顧永建說。
來自前瞻產業研究院的數據顯示，2019年，我國量子通信整體市場規模為325億元，同比增長了19%。雖然目前市場規模不大，但長期來看，量子通信有望引領量子互聯網的革命，出現量子物聯網、量子云計算等先進形態。
量子計算，為海洋科研大提速
提到量子科技，不能不提的還有量子計算。1981年，美國物理學家費曼曾說：“自然界并不像經典物理學描述的那樣，真見鬼，要想模擬自然，最好用量子力學。”這番話提出了借助量子力學打造一種新型計算機的想法，解決經典計算機無法解決的問題。這就是量子計算機的萌芽。
經典計算機的基本信息單位是比特，一個比特要么是0，要么是1；量子計算機則以量子比特為基本信息單位。量子計算利用量子相干、疊加和糾纏等特性，可以對現有的計算方式進行“革命”。
“在量子力學里有很多與‘直覺’不符的現象，比如一個粒子，可以同時處于兩個位置。”顧永建說，“這就給計算提供了新的、效率更高的量子方案，一個量子比特可以同時處于0和1的狀態，這種并行特性使得量子計算機在處理特定問題上會遠遠超過任何經典計算機。”
去年，科技巨頭谷歌的一項研究登上《自然》雜志150周年版封面，被認為是量子計算領域的里程碑事件：量子計算機用3分20秒完成的一項計算，全球最強大的超算計算機Summit要花1萬年。這被當作是“量子霸權”的標志性事件——量子計算裝置在特定測試案例上表現出超越所有經典計算機的計算能力。
量子計算的優越性在海洋上同樣“奏效”。海洋廣袤無邊，蘊藏著無數研究的“可能性”，在海洋領域的研究也是青島科技創新的“王牌”之一。以中國科學院院士、青島海洋科學與技術試點國家實驗室主任、中國海洋大學副校長吳立新院士擅長的海洋動力學、氣候動力學等研究領域為代表，其背后都需要強大的計算能力支撐。這正是顧永建團隊在海洋研究領域進行量子計算應用的重要意義。
顧永建說，隨著研究的深入，海洋上對于“海浪”“海流”等現象的研究都對大數據、超算能力提出了更高需求。通過量子計算，可以大幅提升海洋動力過程的計算速度，為海洋動力學等領域的研究賦能。
值得關注的是，在量子計算領域，顧永建團隊依托海洋科學與技術試點國家實驗室超算平臺已取得了一些重要成果。
去年，他們助力本源量子研制成功具有完全知識產權的量子虛擬機并部署在國產超級計算機——神威太湖之光超算平臺上，可以進行三種運行模式的虛擬量子計算，他們還研發了解決相關問題的多個量子算法，為海洋動力過程的量子計算奠定了基礎。
此外，對于海洋藥物領域的研究，量子計算也大有可為。顧永建說，利用計算機輔助海洋藥物的研發，能夠加快新藥研發的速度，節省大量的人力和物力。量子計算的強大特性，無疑可以大大提升海洋藥物的研發過程。下一步，該團隊將在海洋藥物篩選的量子算法研制方面進行布局。
人才為“基”，量子科技賦能百業
成果來源于人才。十幾年來，顧永建一直致力于量子團隊的建設，為青島的量子科技研究引入高層次人才。現在在他的實驗室里，匯聚了不少畢業于新加坡國立大學、北京大學等知名高校的年輕高層次人才。
顧永建（左）與肖芽在實驗室。
畢業于中國科學技術大學的肖芽25歲就在國際頂級期刊《科學·進展》、《物理評論快報》上發表過成果，在基于參量光糾纏的量子光學實驗領域，她的工作被評審專家譽為“代表了線性量子光學的最先進技術”。在顧永建的努力下，肖芽被中國海洋大學“青年英才工程”第三層次破格引進，這意味著青島的量子科技研究在量子實驗領域的水平大幅提高。
在顧永建眼里，量子科技是一項前沿科技，又是一項“基礎”科技，可以給各行各業的研究賦能。他舉例道，在海洋試點國家實驗室的組織下，團隊將邀請中國科學技術大學和華中科技大學的專家共同探索，把量子傳感技術用于海洋領域，以實現對海洋溫度、磁場、壓力等參量的高靈敏度測量。“我希望以我們團隊為紐帶，為青島的量子科技研究引入全國‘智庫’，推動量子科技的發展。”顧永建說。
郭光燦院士曾不止一次地對顧永建團隊說，青島的量子科技研究，就是要在海洋領域做到最好。這也是顧永建的初心所在。(青島日報/觀海新聞記者 耿婷婷 文/圖)
責任編輯：孫源熙
