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量子大趋势：全球量子竞赛正在成为一场新的“太空竞赛”

时间：2023-02-18 来源： 浏览：

量子大趋势：全球量子竞赛正在成为一场新的“太空竞赛”

中译出版社 麻省理工科技评论APP
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MIT-TR-China

源自麻省理工学院，关注新兴科技的过去、现在和未来。

收录于合集

新书速递

《量子大趋势》
张庆瑞 著
中译出版社

2023年1月

内容简介
量子力学的发展历史波澜壮阔。当前，量子科技处于加速度的关键时刻，量子技术在国家和全球范围内取得的进展超出了预期。可以预见，基于量子技术的量子竞争，将会改变人类现有的生产和生活方式，甚至影响世界格局。
本书概述了“第二次量子科技革命”的重要性，简单介绍了量子计算机、量子通信与量子传感器的出现，进而形成量子物联网的未来产业，以及现代公民应该具备哪些基本量子素养以面对时代的崭新变局。并且，作者敏锐地注意到，量子科技时代的应用研究与教育的新特色。在这本书中，作者就如何将量子科技教育纳入现代教育，如何将其从中学延续到大学，提出了方案，并以实验作为支持。通过本书，读者将对未来量子科技产业及其对人类社会的影响有所了解，并能够将晦涩、深奥的量子知识转化成生活常识。
作者简介
张庆瑞，曾任台湾大学代理校长，目前任中原大学物理学系讲座教授，主要研究量子计算及其应用、自旋电子学、拓扑绝缘体与二维电子系统的自旋传输、磁性体的动态翻转机制等。他长期从事物理学的教学与研究，尤其注重物理学的工业应用，是国际电气和电子工程师协会会士（IEEE Fellow）、美国物理学会会士（APS Fellow），目前担任中原大学-富士通计算中心主任。他在磁学、电子学、量子信息等领域多有建树，其在工业领域的贡献获得了业界的高度赞赏，颇具权威性。
名人推荐
·朱嘉明 经济学家、横琴数链数字金融研究院学术与技术委员会主席
  正是在量子科技从理论进入实践这个激动人心的时候，张庆瑞教授《量子大趋势》一书的出版，是及时的。在量子科技领域，这是最值得阅读的一本著作，在阅读的过程中使人体会一种学习的享受。
·曹则贤 中国科学院物理研究所研究员
新时代的人要有量子科技的意识，哪怕仅仅是出于量子科技受益者的自觉！相信本书必将有助于量子科技概念在中国大地上的推广与普及。
·薛其坤 南方科技大学校长、清华大学教授、北京量子信息科学研究院院长
不管是正在从事量子力学研究的参与者，还是其他领域的旁观者，阅读本书不仅能对量子科技有更深一步的认识，为迎接正在降临的量子时代做好准备，同时还能从这本书的字里行间得到美的熏陶。
·刘扬伟 富士康科技集团董事长
“量子世纪到了，相信它、学习它、使用它。”正如张教授在书中所述，如何认知量子发展的现象以及背后逻辑，并搭上“第二次量子科技革命”高速列车，加以创新应用创造价值，我相信在这本书里，大家都能有所收获。
·郭国平 中国科学技术大学教授、本源量子首席科学家
张教授在文中多处鲜明表达着量子技术革命给予中国一次“换道超车”机遇的观点，要有“八百科技铁骑”突破全球科技封锁，再建量子时代的“汉唐盛世”的豪情，这让身为中国第一代量子拓荒者的我们热血沸腾、倍感鼓舞，诚如当前学界、产业界形容的，量子技术是数百年来中国在科技领域中鲜有的能从原点起去参与国际竞争的赛道。每一个量子科技工作者都要有“为国守赛道”的担当。

目 录

第一章

量子霸权已经降临

第一节   知识应用推动的历次科技革命 · 003

第二节   “第二次量子科技革命”出现的背景与特色 · 009

第三节   后硅谷时代的全球量子科技竞赛 · 013

第四节   量子计算机的分类与产业近况 · 018

小   结 · 020

第二章

从量子论到量子力学

第一节   思想起源及时代背景 · 031

第二节   原子模型的演化过程 · 042

第三节   量子力学的崛起 · 046

第三章

高维度的数学空间

第一节   量子态与复数空间 · 063

第二节   向量空间与希尔伯特空间 · 067

小   结 · 072

第四章

可逆量子运算

第一节   可逆与不可逆过程 · 077

第二节   “麦克斯韦妖”与熵的关系 · 083

第三节   信息熵的意义与影响 · 086

第四节   可逆的量子计算机 · 092

小   结 · 095

第五章

量子比特与量子计算机

第一节   量子的特性 · 101

第二节   量子图灵机 · 105

第三节   量子比特 · 110

第四节   量子逻辑门与预言机 · 118

第五节   低温电子学 · 124

第七节   量子计算机的种类 · 132

第八节   量子纠错与容错 · 135

小   结 · 137

第六章

量子算法

第一节   什么是算法 · 143

第二节   量子算法 · 146

第三节   如何开始量子计算 · 164

小   结 · 169

第七章

量子计算应用

第一节   量子计算现况 · 175

第二节   量子计算应用领域 · 181

小   结 · 199

第八章

量子计量学与量子传感器

第一节   特殊的生物量子传感 · 205

第二节   计量与传感 · 206

小   结 ·  219

第九章

量子通信与量子互联网

第一节   加密传输的重要性 ·  225

第二节   量子加密 ·  231

第三节   量子通信 ·  236

第四节   量子互联网 ·  244

小   结 ·  248

第十章

量子教育与世界未来

第一节   量子常识与知识 ·  253

第二节   量子游戏与量子科幻 ·  255

第三节   量子教育 ·  263

第四节   后硅谷时代的量子新世界 ·  267

小   结 ·  271

附录一   全球主要国家或地区量子科技发展现状  ·  277

附录二   全球主要公司的量子科技发展现状

序言
在历史上，1922 年是物理学的重要转折点。在这之前，量子理论仅仅是包含一系列假说或提出某些类似古典结构的理论，还不足以解释新的实验现象；在这之后，由于三位新一代科学家的贡献，量子力学理论得以诞生，并呈现迅猛发展的势态。这三位新一代科学家是德国的沃纳·海森堡（Werner Heisenberg，1901—1976 年）、奥地利的埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger，1887—1961 年）和英国的保罗·狄拉克（Paul Dirac，1902—1984 年）。其中，以薛定谔为代表的“波动力学”，以海森堡为代表的“矩阵力学”和“不确定原理”，以及狄拉克的“狄拉克方程”和“量子辐射理论”，都为量子力学的发展提供了新的理论平台。1927 年，第五届索尔维会议（Conseils Solvay）在布鲁塞尔举行，29 名来自世界各地的顶尖科学家，包括尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885—1962 年）、阿诺德·索末菲（Arnold Sommerfeld，1868—1951 年）、沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli，1900—1958 年）、阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955 年）等老一代科学家以及以海森堡、狄拉克、薛定谔为代表的新生代科学家齐聚一堂。在这次会议上，他们的理论不断更新，形成了对量子力学的全新认知，深刻影响了之后半个多世纪量子力学的演变和发展。
量子力学既是颠覆性的物理学革命，也是深刻的思想革命。在过去的 90 多年间，量子力学与爱因斯坦相对论不断地颠覆人们对现实世界的常识性观念，解释牛顿物理定律所不能解释的一切自然和物理现象，帮助人们重新建立思考从宏观世界到微观世界、从宇宙演化到生命科学的思想框架，使人们接受人类本身就是“量子人”这样的事实。如今不得不承认，“这个理论中没有一个预言被证明是错误的”。
量子力学的发展历史波澜壮阔，常常被划分为两个阶段：“第一次量子科技革命”和“第二次量子科技革命”。
“第一次量子科技革命”始于 20 世纪初，截止于 20 世纪八九十年代。之后，“第二次量子科技革命”开始。“第一次量子科技革命”完成了量子力学理论框架的构建，描述了量子力学的基本特征，实现了量子力学与数学、化学、生物学和宇宙学的结合，同时为核武器、激光、晶体管等技术提供了理论依据。
开始于 20 世纪末的“第二次量子科技革命”的核心是实现量子科技的全方位突破，致力于开发基于量子力学本身的量子器件和技术，包括公认的量子计算、量子通信和量子精密测量三大领域。其中，超导量子计算技术和光量子计算技术最具挑战性。在“第二次量子科技革命”中，发生了一系列具有里程碑意义的事件。2008 年 9 月，在瑞士和法国的交界——侏罗山，有条总长17 英里 a（含环形隧道）的隧道，世界上最大、能量最高的粒子加速器——质子加速对撞的高能物理设备在此正式启动测试。这次测试是研究人员将一个质子束以顺时针方向注入加速器中，让其加速到 99.9998％光速的超快速度。截至 2010 年，参与该项目的科学家表示，该质子束可能已经“接近”希格斯玻色子。希格斯玻色子也被喻为“上帝粒子”，在大爆炸之后的宇宙形成过程中扮演过重要角色。
近年来，量子科技在量子精密测量、量子计算、量子通信、量子网络和时间晶体等领域都取得了长足发展。在量子精密测量领域，新型超灵敏量子精密测量技术的突破，开启了暗物质实验的直接搜寻。在量子计算领域，2021 年 11 月，国际商业机器公司（IBM）宣布推出 127 个量子比特处理器“Eagle”，创下了当时全球最高纪录。此外，IBM 在 2022 年 11 月推出具有 433个量子位的“Osprey”量子系统，与前一代 Eagle 量子处理器相比，IBM Osprey 的性能提高了十倍。IBM 预计在 2023 年推出有 1 121 个量子位的“Condor”处理器。2021 年年底，媒体报道了《世界第一个量子计算 OS 取得突破，步入集成电路》《谷歌（Google）80 多位顶级物理学家合作，用量子计算机造出时间晶体》两则新闻。2022 年 6 月，澳大利亚量子计算公司 SQC（Silicon Quantum Computing）宣布推出世界上第一个量子集成电路。这是一个体量在量子尺度上，却包含经典计算机芯片上所有基本组件的电路。在量子通信领域，中国科学技术大学潘建伟研究团队发射了量子科学实验卫星；中国科学技术大学、国科量子通信网络有限公司和上海交通大学等单位组成的联合团队，英国电信与东芝组成合作团队，在量子密钥分发（QKD）、后量子密码（PQC）以及“QKD+PQC”融合方面，都有显著突破。在量子物理领域，荷兰代尔夫特理工大学 R. Hanson 研究团队在实验内构建了一个基于金刚石色心量子比特的三节点量子纠缠网络。在模拟时间晶体领域，谷歌的 Sycamore 量子计算机（Quantum Computer）实现模拟时间晶体，这是一种在周期性循环中永久演变的量子系统，结束了现阶段量子计算机局限于简单计算功能的局面。
当下的“第二次量子科技革命”方兴未艾，甚至激动人心。量子技术在国家和全球范围内取得的进展超出了预期。量子科技处于加速度的关键时刻。量子计算机有望比经典计算机快数千倍，甚至数百万倍，而执行计算的效率远高于目前最强大的经典计算机。在量子计算领域，未来 20 年是关键，2040 年前后将产生可打破当前加密算法的量子计算机。因此，近年来，出现了“量子霸权”和“量子优势”的概念。量子科技显现了其日益重要的前沿地位和战略意义，量子科技革命将成为未来全球算力分配的关键，全球量子竞赛正在成为一场新的“太空竞赛”，构成科学、资本和权力以及科学家、投资家、政治家和企业家前所未有的交集点。
可以预见，基于量子技术的量子竞争，将会改变人类现有的生产和生活方式，甚至影响世界格局。当量子科技的发展与区块链、大数据、云计算、人工智能、加密货币以及智能制造和物联网实现紧密结合后，量子计算将加速人工智能的发展，并将促进深度学习和神经网络的研究，量子技术所实现的复杂分子模拟，很可能改变人类未来的走向。人类已经进入量子力学和量子技术与每个人息息相关的时代。未来，全球传统产业的数字化转型将纳入量子化因素。一个以量子计算、量子通信和量子网络为核心的量子产业体系和产业生态正在悄然形成。
现在问题是，正如物理学家卡尔·萨根（Carl Sagan）所说：“我们生活在一个离不开科学和技术的社会，但却很少有人了解科学和技术。”大部分人很少关注，也很难理解量子力学和量子科技的重大进展和突破。这种情况亟须改变。因此，普及量子力学和量子科技教育，将成为当今各国需要正视和解决的历史性课题。
最近，诺贝尔奖委员会宣布将 2022 年物理学奖颁给法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser）和奥地利物理学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他们“用纠缠光子验证了量子不遵循贝尔不等式，开创了量子信息学”。量子信息学的核心内容包括量子信息论、量子通信、量子计算、量子密码、量子模拟和量子度量。所以，诺贝尔物理学奖委员会主席安德斯·伊尔巴克（Anders Irbäck）说：“越来越明显的是，一种新的量子技术正在出现。我们可以看到，获奖者对纠缠态的研究非常重要，甚至超越了解释量子力学的基本问题。”
正是在量子科技从理论进入实践这个激动人心的时候，张庆瑞教授《量子大趋势》一书的出版，是及时的。本书的特点是：精心和细致的结构设计，对量子科技的科学原理作了系统和深入浅出的介绍，对相关技术做了具有操作性的说明，并配合必要的图解以及颇具文学性的文字。在量子科技领域，这是最值得阅读的一本著作，在阅读的过程中使人体会一种学习的享受。值得强调的是，在这本书中，张庆瑞教授就如何将量子科技教育纳入现代教育，如何将其从中学延续到大学，提出了他的方案，并以他的实验作为支持。最令人触动的是，张庆瑞教授将年轻人和 Q 世代紧密结合在一起，他说道：“这是个有史以来从未碰过的崭新的量子时代的开始，因为一切都是量子新实验，只有自己开垦与探索，量子‘淘金热’远比半导体与网络时代更精彩、更具竞争性。年轻的读者，努力‘翻滚’吧！在这个灿烂的世界量子舞台，在‘量子未来’，年轻一代，不论是在 Z 世代，甚至是在 α 世代，都会创造出比战后‘婴儿潮’那个古典世代更加百倍的辉煌。” 
——朱嘉明

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