系列报导之①
本年春节档的大热片子《流离地球2》不只承载了人们关于将来社会的神驰与妄想，更为重要的是，它展示了当下科学手艺开展的现实历程。此中，贯串全片的智能量子计算机MOSS备受注目。凭仗超强的算力和自我意识，它可以合成调度多种复杂的计算资本，让数万座行星策动机协同运做，以称心“数字生命”方案的需要。如许的量子计算机，实的只存在于科幻片子中吗？
事实上，跟着量子手艺的开展，量子计算正逐渐走出尝试室，逐渐利用到收集信息平安、大数据和人工智能、化学生物造药、金融工程、智能造造等范畴，将在国防建立和国民经济开展中发扬浩荡感化。在哥本哈根大学攻读量子信息学博士研究生的陈然在承受南都记者摘访时表达，“一旦我们对量子比特的造备和掌握到达必然精度，它就能产生远大于现有计算机的计算才能。”
那是一门在大部门人看来非常笼统、难以理解的学科。陈然坦言，“量子手艺研究有太多反曲觉、反常识的工具。我在理解量子的过程中，也犯了良多错误。进修量子手艺是一个不竭推翻本身的过程，需要多根究。”将来，量子手艺的快速开展，将会带来更多的利用机遇，陈然期看，假以时日，本身参与的量子手艺研究，可以实正地派上用场，在社会上发扬它的价值。
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百度自研的乾始超导量子计算机内部视图，受访者供给。
量子力学最难的是理解公式背后的物理含义
量子手艺是量子物理与信息手艺相连系开展起来的新学科，包罗量子通信和量子计算、量子传感等范畴。量子通信次要研究量子密码、量子隐形传态、远间隔量子通信的手艺等等；量子计算次要研究量子计算机和合适于量子计算机的量子算法。
陈然与量子手艺的初度接触，来自他的本科专业密码学。假设说，传统的密码系统是基于数学的数字的组合，量子密码手艺就是基于物理学的光子和量子力学的研究原理构成的一种密码手艺，其不确定性和无法例性，让量子密码比传统密码更难被破译。
研究者习习用如许一个例子来描述量子手艺在密码学中起到的感化：传统意义上，两小我共享一把密钥，为互相之间的通信加密，但那永久无法提防有第三方中间人窃听信息的风险。而量子力学的不成克隆性（无法在不毁坏原有信息的根底上复造信息）能包管通信平安性——使通信的两边可以产生并分享一个随机的、平安的密钥，用来加密息争密动静。一旦有第三方中间人试图对密钥做分发窃听，通信的两边便会察觉，形成高误码率，从而使窃听被发现。
“那也是我其时接触量子密码学时听到的第一个案例，其时我就觉得十分神异。”那令陈然产生兴致：“量子手艺能够供给更强的算力以及更平安的加密算法，实现本来无论若何做不到的工作。很想领会背后是什么机理。”
关于如许一门在大部门人看来非常笼统、难以理解的学科，陈然在进修期间碰着过更大的挑战，是若何往理解数学公式背后的物理模子和含义。“有关量子计算或者量子信息的那一套理论，描述量子力学的法例，每一条都能够用数学公式十分斑斓地写出来，但它的物理阐明，或者说公式背后的物理意义，在理解过程中随便犯良多错。”于是，在校期间，他通过与同窗、教师交换研讨，参与各类讲座、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。
为了让理论进修和现实项目可以更好连系，2020年，陈然加进百度量子计算研究所，在深进进修“量子纠缠”“量子叠加态”原理的同时，有时机参与到一些详细项目中，通过量桨、量易伏做一些小规模的尝试展现量子算法的优胜性。
“练习和我在学校做研究一个更大的差别，就是能够用到实正的量子计算机。”陈然说，因为在学校更多时候只能停留在理论研究，不消考虑量子计算机详细是怎么运行的，能够假设它就是一个完美的机器。但现实利用时，它会呈现各类问题，需要校准、需要调试。“量子计算机十分懦弱，它的噪声十分大。有时候给它一些很复杂的计算使命，它也会错得十分离谱。所以我们就是要十分小心，在用的过程中需要不竭改进本身的算法。”
固然陈然已经拿到心仪的博士登科通知书远赴欧洲陆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，陈然和广阔用户不管身处何地，都可以通过手机长途毗连上百度自研的“乾始”超导量子计算机和协做单元供给的其它类型量子计算机，实现随时随地挪用量子算力，让“人人皆可量子”那一目标成为一件触手可及的事。
量子手艺令手机验证码生成“实随机数”
量子计算是一种遵照量子力学法例调控量子信息单位停止计算的新型计算形式，那种原理使得量子信息单位的形态能够处于多种可能性的叠加形态。量子计算机最根本的信息单位是量子比特。跟着量子比特数目标增加，关于n个量子比特而言，量子信息能够处于2^n 种可能形态的叠加，共同量子力学演化的并行性，能够展示比传统计算机更快的处置速度。
我们天天每时每刻都可能在和量子接触。就拿群众最熟悉的手机验证、图像处置等来说，每当我们注册登录网站核实身份信息，输进手机验证码（随机数）都是绕不外的一步。随机数已成为信息时代的一种重要根底资本。一般来说，数字的随机性包管了协议的平安性。但有几人晓得，我们如今口中的“随机数”，现实上并不是实随机？
“如今所有的随机数都是算法生成的。”陈然说，“现实上，随机数都是由算法来生成的，数字之间并不是完全无关。从理论上来说，当你找到了随机数生成的法例，你就能够揣测以后呈现的随机数。”换句话说，随机数也存在被破解的可能。但操纵量子物理原理，却能够产生具有内禀随机性的实随机数，几次呈现随机数的成果，互相之间完全独立，没有任何关系，也找不到办法揣测或破解。
那就意味着，操纵量子力学特征的生成随机数，协议的平安性会得到进一步的进步。那也为科学仿实、密码学等范畴供给了极大的助力。基于那一原理所创造的量子随机数发作器因具有不成揣测性、不成反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。
图像识别也是量子手艺最切近现实生活的利用前景，详细场景包罗人脸识别、主动驾驶识别路障、医学图像处置（CT揣度病症）、AI画图等。此外还有量子模仿，也就是用量子计算机往模仿一个分子、原子，从而得知分子、原子的一些诸如能量、化学势等性量。“将量子手艺利用于那些场景，已经被理论验证是可行的。”陈然说。
“在应对海量的数据处置与阐发需求时，传统的图像识别手艺经常会碰着性能方面的问题，假设要识别内容良多、图片很大，要专业芯片处置，就会消耗掉良多计算资本。”陈然阐明，“因为量子比特跟典范比特差别，能够处于0和1的叠加态，包罗更多的信息，也具有更强大、更高效的信息处置才能。如今实现高精度的图像识别需要大量的计算资本，但是用很少的量子比特就能够到达同样的精度。”
量子手艺快速开展，将会带来更多的利用机遇
在陈然看来，虽然量子手艺是一门构成已久的学科，但早年间不断处于“坐冷板凳”的阶段，“各人不睬解那个概念，也不晓得它有什么用，曲到2011年前后量子通信手艺获得了打破，量子的概念才火起来。2016年8月16日，世界首颗量子科学尝试卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射，第一次实正把量子科学带到了群众的面前。”
2022年，有关量子纠缠理论的研究斩获了诺贝尔物理学奖，令那门前沿手艺得到史无前例的话题讨论热度。在博士肄业期间次要研究量子纠缠的陈然，如许理解他眼里的“量子纠缠”：“其实就是很强烈的一种联系关系，能够理解为超越了时间和空间，不管两小我分隔多么远，都能够让两束光发作量子纠缠，而且连结那种形态——假设我对我手上的光子做出一个操做改动，那么不管两小我间隔多远，我都能够立即晓得对方手上的光子将会发作何种改变。”
当前，受限于硬件程度，学界关于量子的研究更多停留在尝试室阶段。陈然坦言，“如今量子比特的造造工艺还很不成熟，十几个量子比特的造价也远高于万万个典范比特。所以我们的工做更像是展现了量子计算的潜力：一旦我们对量子比特的造备和掌握到达必然精度，他就能产生远大于现有计算机的计算才能。”
量子手艺被视为三大最重要的前沿数字手艺之一，已成为列国争相投进规划的重要范畴和合作焦点。在我国，量子通信、量子计算机等屡次被列进顶层纲要规划中。例如《“十四五”数字经济开展规划》明白：重点规划下一代挪动通信手艺、量子信息等新型手艺，鞭策信息、生物、素材、能源等范畴手艺合成和群体性打破。2022年12月的中心经济工做会议指出，加快新能源、人工智能、生物造造、绿色低碳、量子计算等前沿手艺研发和利用妥帖。
百度量子手艺立异开展背后是高量量专利的多年积存和强力支持。目前，百度量子相关国内专利申请的公开量已经超越170件，涵盖量子算法与利用、量子通信与收集、量子加密与平安、量子架构与软件、量子芯片与硬件、量子测控与纠错等多个标的目的核心专利。
依托于百度人工智能（AI）生态和高量量量子专利规划，百度已成立北京人工智能财产常识产权运营中心量子计算中心，聚焦量子财产，以自主常识产权办事量子财产立异，鞭策量子范畴专利手艺财产化落地，带动量子财产上下流协调开展和合成立异，加速实现“量子财产化、财产量子化”。
百度自研的乾始超导量子计算机内部视图，受访者供给。
有业内人士指出，就量子手艺从理论到现实的停顿而言，近年来适用量子器件和手艺的开展获得了严重停顿。量子手艺操纵量子的特殊现象来创造新的手艺和设备，在许多范畴具有普遍的利用前景，在计算、通信、传感、模仿等范畴都有看产生严重影响。虽然要足够实现量子手艺的潜力还有良多工做要做，良多工程或者手艺上的困难需要征服，但已有一些量子设备和手艺能够贸易化或接近贸易化，成为利用的关键曙光。
陈然认为，“将来1~2年，量子手艺快速开展，将会带来更多的利用机遇，也会催生更多那一范畴新兴的创业公司。可能等我结业的时候，如今看来还无法落地的场景已经可以落地了。”他期看，假以时日，本身参与的量子手艺研究，可以实正地派上用场，在社会上发扬它的价值，“我也很等待见证量子手艺在批示、处理详细现实问题时，能有多好用。”
摘写：南都记者 傅晓羚