月度归档： 2020 年 10 月

　　近日，一条特别的新闻引起大众关注：中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。

　　量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。量子力学是描述微观物理世界的物理理论。在这个神奇的物理框架内，包含了太多不可思议的现象：从微观世界判定薛定谔的猫是既死又活，到相隔千里的两个粒子可以瞬间心有灵犀地纠缠……量子力学奇奥难解，其研究结果总与人们的习惯思维背道而驰。甚至有人感慨：有1000个物理学家，就有1000种关于量子力学的观点。

　　中共中央政治局为啥要集体学习量子科技？

　　首先，量子科技是重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。作为一个具有全球影响力的科技创新大国，我国不能在这一领域竞争中缺席。

　　量子是20世纪最重要的科学发现之一，原子弹、激光、核磁共振等新技术均在量子科学问世后孕育出来，改变了人类历史进程。近年来，量子科技发展突飞猛进，也使之成为备受关注的新一轮科技革命与产业变革前沿。量子计算会颠覆性提高信息运算处理速度，量子通信会大幅度提升通信安全性，量子精密测量和传感技术会在未来的万物互联时代广泛应用……

　　以量子计算机为例。如果把目前传统电子计算机比作自行车，那么，量子计算机就好比飞机。分解300位大数，利用万亿次经典计算机需要15万年，利用万亿次量子计算机仅需1秒。当量子计算机实用化以后，密码分析、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探、人工智能、大数据等领域中需要超大计算量的难题，均可交给量子计算机又快又好地完成。

　　其次，经过多年积累与发展，我国在量子科技领域硕果累累，已经具备了在这一领域争雄的科技实力和创新能力。

　　目前，我国科学家在量子科技领域取得了不少具有国际影响力的世界首创级成果。2012年首次从实验中观测到量子反常霍尔效应，2016年发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，2017年开通世界首条千公里级量子保密通信干线“京沪干线”，2017年研制出世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机……

　　这些成果是我国科技工作者在量子科技上奋起直追的结果。国际权威期刊《自然》杂志曾评价称：“墨子号”量子卫星研究成果标志着中国在量子通信领域的崛起，从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅。

　　再次，我国量子科技发展仍存在不少短板，发展面临多重挑战。

　　当今世界正经历百年未有之大变局，科技创新是其中一个关键变量。具体到量子科技领域，我们仍需加强顶层设计与前瞻布局，健全政策支持体系，加快基础研究突破与关键核心技术攻关，培养造就高水平人才队伍，促进产学研协同创新。这些工作不能仅依靠科技工作者努力奋斗，更需要有各级党委和政府的战略判断、高度支持与统筹协调，需要各级政府部门高度重视科技创新发展，学习新知识，掌握新动态。

　　我们期待着，在世界新一轮科技革命与产业变革中，中国能抢占科技发展国际竞争制高点，构筑发展新优势——量子科技将成为其中最璀璨的明珠之一。（佘惠敏）

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　　日前，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。量子科技成为舆论关注的热点话题。这一引发广泛热议的新晋“网红”究竟是“何方神圣”，为何会受到全世界高度关注，在现实生活中又有何应用前景？经济日报记者带您一起走近量子科技。

　　认识量子科技先要从量子说起。量子是什么？根据量子理论，量子是构成物质的最基本单元，是能量的最基本携带者，不可分割。一个事物如果存在最小不可分割的基本单位，我们就可以说它是量子化的，并把最小单位称为量子。所有人们熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子，都是量子的一种表现形态。

　　什么是量子

　　中国科学院物理所研究员曹则贤在2020年跨年科学演讲中曾打过这样一个比方：我们生活中可以见到的、感知到的事物，包括光与能量的最小单位都能称之为量子。就像我们远处看鱼群是乌泱乌泱的一片黑，但是放大了看就是一条条鱼，这就可以说是鱼群的量子。

　　中国科学技术大学副研究员、科普专家袁岚峰在媒体上这样撰文解释：量子的本意是个数学概念，简言之就是“离散变化的最小单元”。什么叫“离散变化”？袁岚峰这样撰文解释：我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半个人、三分之一个人。我们上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，不能上半个台阶、三分之一个台阶。这些就是“离散变化”。对于统计人数来说，一个人就是一个量子。对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化，我们就说它是“量子化”的。

　　与我们认识的宏观世界不同，人们发现在量子这一微观世界中许多实验现象违背常识，完全无法用经典物理学诠释。比如，根据经典物理学，一个客体的状态（用0和1表示）就像最简单的二进制开和关，只能处于开或者关中的某一个状态，即要么是0要么是1，这就好比一只猫，要么是生要么是死，不能同时“又生又死”。

　　然而，这一理论并不适用于量子世界。在量子世界中，一只猫可以处于又生又死的叠加状态。这种所谓的量子相干叠加正是量子世界与经典世界的根本区别。更为神奇的是，这种叠加状态极其脆弱，一旦有人去测量，它就会立刻从叠加状态变为确定状态。

　　美国物理学家、诺贝尔奖获得者穆雷·盖尔曼曾发出如是感慨：量子力学是一个神秘的、令人捉摸不透的学科，我们谁都谈不上真正理解，只是知道怎样去运用它。

　　量子通信无条件安全

　　虽然听起来很神秘，其实量子科技距离我们并不遥远。比如，信息时代的关键核心技术，晶体管、固态硬盘、扫描电子显微镜等，即是第一代量子技术的代表性成果。今天，量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。

　　中国科学院物理研究所研究员范桁介绍，量子科技主要包含三方面内容，量子计算、量子保密通信与量子精密测量。其中，量子保密通信主要表现为量子秘钥分发。量子精密测量主要以利用量子效应实现超越经典方法的精密测量为主，具有广泛应用价值。量子计算是量子科技重要组成部分，也是最具挑战的目标，被认为是下一代信息产业制高点，意义重大。这三方面内容也是世界各国量子计划的主要组成部分。

　　目前，应用最为成熟的当属量子通信。所谓量子通信，简单说就是利用量子力学相关原理解决信息安全问题的通信技术。其中，一个著名原理就是量子纠缠。一般情况下，量子体系中一个物理量的值并不能预先确定，而是依赖于采取何种测量基；进一步，对处于量子纠缠的两个粒子，对其中一个粒子的测量结果会瞬间确定另一个粒子的状态，不论它们相距多么遥远。这一被爱因斯坦称作“鬼魅般的超距作用”，便是量子通信的理论基础。

　　传统通信方式建立在加密算法或者加密技术基础之上，如果计算能力足够强大破解了加密算法，就有被窃听风险。量子的独有特性，使其具有不可克隆、测不准等“先天优势”。用量子做成的“密钥”来传递信息，加密内容不会被破译，窃听者必然会被“抓包”，这为破解信息加密“瓶颈”提供了解决方案。

　　向着安全通信的梦想努力奔跑——我国于2016年8月份发射的“墨子号”量子科学实验卫星，在2017年星地量子密钥分发的成码率已达到10千比特/秒（kbps）量级，成功验证了星地量子密钥分发的可行性。目前，经过系统优化，密钥分发成码率已经达到100千比特/秒（kbps）量级，具备了初步实用价值。

　　1120公里！2020年，“墨子号”量子科学实验卫星再立新功：科学家们利用“墨子号”作为量子纠缠源，向遥远的两地分发量子纠缠，在国际上首次实现了千公里级基于纠缠的量子密钥分发——为量子通信走向现实应用奠定了重要基础。

　　“量子通信克服了经典加密技术内在的安全隐患。因为，其安全性不依赖于计算复杂度，这是原理上无条件安全的一种通信方式。”中国科学院院士潘建伟称。

　　量子计算潜力无限

　　除了量子保密通信，科学家们密切关注的另一个重要应用是量子计算机。

　　在古代，人们就已制造出了可作一定计算的器具与机器。比如，中国发明的算盘，欧洲早期发明的各种计算器械。现代意义上世界第一台计算机名为埃尼阿克，它重达27吨，占地150多平方米，在1945年建造成功，目的是计算炮弹弹道。冯诺依曼1945年明确提出了存储程序通用计算机方案，规划了电子计算机架构，使得计算机可以被广泛应用。

　　“但是，现有计算机基于微处理器芯片摩尔定律，这无疑会碰到技术瓶颈，于是人们开始思考建造一种全新计算机——量子计算机。”根据范桁的介绍，量子计算机的运行遵循量子力学原理，以量子比特为基本信息单元，以量子纠缠、相干叠加和量子测量为特色，其发展也将遵循经典计算机类似的轨迹。“不过，我们现在看到的量子计算机原型机功能比较单一，只能模拟某些特定量子过程，或者解决某些简单问题。”范桁说。

　　如果世界上有量子计算机，我们现有经典计算机能否实现其功能？范桁分享了国际科研进展。2019年，谷歌宣布实现了53个量子比特的超导量子计算，在处理随机线路采样问题时，其200秒完成的任务经典计算机要用一万年。目前，超导量子处理器芯片已达到50个至100个量子比特，用经典计算机模拟其功能需要用天河或者太湖之光这样的超级计算机。“多增加一个量子比特，经典计算机资源就需要翻番，这个竞争将不具有持续性。因此，量子计算机的功能不可能用经典计算机来替代。”范桁表示。

　　不仅如此，与经典算法相比，人们已知运行于量子计算机的某些量子算法具有明显优势。比如，肖尔算法和格罗夫量子搜索，它们都在信息安全方面具有重要应用，这些算法的实用化运行将迅速对现有信息安全体系造成全面冲击。在实用性方面，量子搜索算法可以期望应用于大数据；量子退火算法可以应用于优化问题，比如物流和交通优化等；量子模拟可以被应用于量子化学和量子物理研究，比如生物合成和药物筛选等；量子模拟向量网络态可应用于机器学习和神经网络等。

　　既然如此强大，量子计算机何时能从梦想照进现实？范桁坦言，量子计算机的研究刚刚起步，距离实用化需要的成千上万个量子比特仍有较大距离。此外，量子计算机的建造兼具工程与科学特色，不可控因素较多，技术上也有瓶颈需要克服。因此，需要各领域专家联合攻关，在集中资源重点突破的同时，兼顾多种技术路线。

　　比如，IBM等高科技公司逐渐摆脱了单纯科研探索模式，以实用化、集成和综合性为目标，其研发涵盖软硬件各个方向，实现方案大多选择了超导量子计算方案，以提供云量子计算服务，培养量子计算生态作为一个重要的目标。中国科学家在超导量子计算方面也有世界性先进成果：中国科学院物理研究所、浙江大学和中国科大等合作，在去年实现了20超导量子比特的薛定谔猫态制备，创造了固态系统纠缠量子比特数世界纪录。“长期来看，量子计算机功能强大，是下一代信息技术制高点，有望影响人类生活的方方面面，国际竞争不可避免。”范桁说。

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　　科技日报乌鲁木齐10月22日电 （通讯员于洋 张俊 记者朱彤）记者22日从西北油田方面获悉，继7月西北油田顺北55X井以井深8725米创亚洲陆上最深定向井纪录后，顺北53-2H井完钻井深8874.4米，再创亚洲陆上最深定向井纪录，超世界第一高峰珠穆朗玛峰29.97米。

　　至此，西北油田已在顺北油气田钻成40口超8000米超深井，标志着西北油田超深井钻井技术持续领先国际，推动亚洲最深油气田高质高效开发。

　　中国石化西北油田分公司所属的顺北油气田超深断溶体油藏地质构造复杂，为亚洲最深油气田，平均深度超7600米，具有井漏、井塌、地层可钻性差、井底温度高等世界级难题，需要采用具有一定斜度的水平井和定向井技术进行开发。

　　西北油田深化“地质工程一体化”理念，精细地质分层研究和储层预测，通过工程地质论证，决定加深钻进多穿断层后完钻。

　　在钻井工程中，西北油田在顺北53-2H井实施日费制钻井项目管理，通过集成应用广谱型堵漏浆快速穿漏技术、微纳米封堵防塌技术、超深水平井轨迹控制技术等新工艺，保障了顺北53-2H井安全钻穿多套复杂地层，顺利钻至地质目标完钻，较设计节约周期20天，创造了该区域钻井周期最短纪录，提前一年超额完成了该区周期规划目标。

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　　科技日报北京10月21日电 （记者张梦然）你能承受相当于自己体重4万倍的压力吗？英国《自然》杂志21日公开了一项仿生学及机械学重要研究，美国科学家团队揭开了即使是巨大的挤压力也压不死的自然界“力量”——一种名为铁定甲虫的外骨骼超级坚硬之谜，对这种机械连锁和坚韧性的破译，将结合到成功结构中，在人类航空、建筑和机械领域具有重要应用价值。

　　“汽车也压不死”，说的就是铁定甲虫。这是一种栖息在橡树上的物种，主要发现于北美西海岸。这种昆虫不具备飞离险境的能力，但它们长有超级抗挤压的外骨骼前翅（称为鞘翅），也就是说，这种昆虫能经受住捕食者的任何挤压和尖刺攻击。它小小的身体即使被人踩住后在上面转圈，抬开脚后它依然无损，甚至被汽车碾过都能安然无恙。这种自然界的神奇力量，对于想要用标准钢丝针将它们固定在展示盒中的昆虫学家来说，构成了不小的挑战。

　　此次，美国加州大学尔湾分校科学家戴维·奇塞卢斯及其同事，报告了这种独特鞘翅的结构特征和物质组成，它们能让铁定甲虫承受最大149牛顿的力（约为其体重的3.9万倍）。研究团队利用最先进的显微镜、光谱技术和机械测试，在鞘翅中央观察到了一连串形似拼图的连锁关节。研究团队发现，正是这些关节的几何结构以及它们的层状微结构，让铁定甲虫的外骨骼实现了极其出色的机械连锁和坚韧性。

　　为了测试这种几何结构作为强硬机械紧固件、连接不同材质（如塑料和金属）的潜力，譬如航空航天业对涡轮固件（航空发动机的核心部件之一，可将燃烧室喷出的高温高压热能转变为涡轮轴上的机械能，以带动其他附件）的需求，研究人员利用模拟这种结构的金属复合材料，制作了一系列接头。他们发现，与常用的工程接头相比，依据这一几何结构设计的接头强度更大、韧度也显著增强。

　　总编辑圈点

　　大自然的设计，往往鬼斧神工。人类也总是能从自然中获得一些奇妙灵感。我们需要高坚韧度的材料，用各种先进的材料技术，发掘和改造自然界的化学元素。但是，那些不起眼的小虫子，却自带坚硬的外骨骼前翅，不费吹灰之力，就有了人类梦寐以求的铠甲。不过，学习复杂技术，是人类的技能。科研人员用精密仪器研究了这种甲虫的外骨骼，它结构的秘密就此展现。人类破译自然界给动物的天赋密码，从而为更多高精尖设备的研制提供了独特思路。

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　　中共中央政治局日前就量子科技研究和应用前景举行了第二十四次集体学习。习近平总书记主持学习时强调：“量子力学是人类探究微观世界的重大成果。量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。”“要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋。”

　　量子科技为什么重要？

　　首先，量子力学建立以后，就成为整个微观物理学的理论框架，带来了后者一个又一个的成功。

　　量子力学解释了化学。元素周期表、化学反应、化学键、分子的稳定性等，都是量子力学规律所导致。

　　量子力学帮助我们理解宇宙。我们的宇宙跨越各种尺度，从光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子构成的凝聚态物质。量子力学对于认识这些都起了重要的作用，也因此成为现代技术的基础。

　　在微观的尺度上，各种基本力的统一是理论物理的重大问题，依赖于量子力学。其他的未解之谜（如暗物质和暗能量）的解决也依赖于量子力学。

　　很多天文现象，例如恒星发光、白矮星和脉冲星、太阳中微子的振荡、宇宙背景辐射，乃至宇宙结构的起源等，都是因为量子力学规律。

　　很多材料性质，比如导体、绝缘体、磁体、超导等，源于电子的量子行为。

　　量子力学带来了丰富的技术和应用，深刻地改变了人类的文明和历史。它让我们拥有了来自原子核能量这一新能源，也让我们更有效利用太阳能。核弹影响了世界历史，核电则是核能的和平利用。

　　量子力学为信息革命提供了硬件基础。激光、半导体晶体管、芯片的原理都源于量子力学。量子力学也使得磁盘和光盘的信息存储、发光二极管、卫星定位导航等新技术成为可能。没有量子力学，互联网和智能手机也不会存在。

　　量子力学也为材料科学技术、医学和生物学提供了分析工具，包括X射线、电子显微镜、正电子湮没、光学和磁共振成像等。

　　所以，量子是我们的老朋友。事实上，20世纪90年代，诺贝尔奖得主莱德曼就指出，量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。现在的比例还要高得多，很难找到与量子无关的新技术。所以说，量子力学是当代文明的一个重要基础。

　　这些较传统的科学技术，建立在量子力学基础之上，发展已经比较成熟。而近年来，有了一些量子科技新领域。基于对单个量子态的操控，量子科学技术出现了新的方向和新的生命力，正在迎来持续量子革命的第二次高潮，也可以说是第二次量子革命。比如，通过用量子态作为信息的载体，量子力学不仅像以前那样为信息技术提供硬件基础，而且还提供了软件基础。

　　这为中国量子力学和量子信息学发展提供了契机。我国在相关领域已经取得不少成就，而且在有些领域已经世界领先。希望能出现更多引领潮流的工作。去年谷歌公司成功研制的一个量子处理器，能够在200秒内完成一项计算任务，是目前超级计算机需要很长时间才能完成的，这就是所谓的量子优势。这样的成果，也应该在中国出现。

　　正如习近平总书记指出的，近年来，量子科技发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域，加快发展量子科技，对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。

　　 （作者：施郁，系量子物理学家、复旦大学物理学系教授）

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　　国际战“疫”行动

　　科技日报特拉维夫10月18日电 （记者毛黎）以色列特拉维夫大学的研究人员日前表示，他们找到应对新冠病毒的“鸡尾酒”抗体药物，它既可以用于治疗新冠肺炎患者，又可以帮助高危人群和抗疫前线人员预防感染。未来数月中，他们将对抗体药物进行临床试验。

　　新冠病毒“鸡尾酒”抗体药物疗法由特拉维夫大学医学院人类抗体研究实验室娜塔莉亚·弗罗因德博士和她领导的团队研发完成。研究团队对以色列新冠病毒患者体内产生的数千种抗体进行了测序，并从两名重症患者的血液中分离和验证了6种抗体。随后，研究人员确认同时使用3种抗体的组合可有效抵抗新冠病毒，为人们提供天然免疫力。

　　研究人员发现，几种类型的抗体同时攻击病毒是血液具有中和病毒能力的原因，混合的抗体能中和新冠病毒。弗罗因德认为，由于抗体是天然的，并且在血液中能保持稳定状态，因此一次注射后预防新冠病毒的时间可持续数周甚至数月。

　　研究人员表示，他们的愿景是在人们期待的疫苗进入市场之前，可利用“鸡尾酒”抗体药物治疗新冠病毒患者，“鸡尾酒”抗体药物的抗体自然产生于患者的免疫系统，这意味着它们可安全使用。

　　除研发出抗体药物外，弗罗因德及其团队还发现，无症状或症状较轻的新冠肺炎患者自身的抗体反应较弱，因此他们可能再次感染该疾病。相比之下，他们研究的所有重症患者均产生了能中和新冠病毒的抗体，这有可能保护其免受再次感染。

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