新华网科普丨量子不神秘：零基础带你解锁微观高科技

量子科技，这几个字一出，有人觉得高深莫测，有人觉得自带科幻滤镜，甚至还被一些人跟玄学扯上了关系。其实，它没那么玄乎。简单说，量子科技就是基于量子力学原理发展起来的新一代碘伏性信息技术，并且已经是全球科技竞争的核心赛道。那么，量子到底是什么？它的哪些特性有如此大的能量，能被我们拿来用？不妨跟着北京航空航天大学教授周苗的思路，把这些事捋一捋。

量子到底是什么？

我们生活在宏观世界里，水加热是逐渐升温，个子长高是慢慢拔高，距离拉远是连续拉长——所有变化都是平滑、连续的，没有一个固定的最小单位。但在微观世界里，能量和物质的变化却是跳跃式的、不连续的。量子，正是这些微观物理量里不可再分割的最小基本单元。光的最小单元是光子，而能量的最小单位就是量子。

经典物理的规则管着我们看得见、摸得着的宏观世界，而量子力学，则是用来解释原子、光子、电子这些微观粒子运行规律的核心理论。它也是量子计算、量子通信、量子精密测量等所有量子技术的根基。

三大量子核心特性

量子叠加：同时存在的“双重状态”

宏观世界里，事物的状态是唯一的：灯要么开要么关，开关状态非0即1。但量子不同，它可以同时处于多种状态的叠加。什么意思？就是它在被观测之前，可以同时具备0和1两种可能性。这正是量子计算的核心优势——传统计算机1个比特只能处于1种状态，而1个量子比特可以同时处于多种状态。利用这种叠加特性，由N个量子比特组成的系统，能够同时表征2的N次方个基态的组合状态，算力呈指数级增长。这是经典计算机永远无法突破的性能上限。

量子纠缠：隔空联动的“微观默契”

两个相互纠缠的量子，无论被分隔多远——哪怕相距数千公里乃至上万公里——只要其中一个量子的状态发生改变，另一个就会瞬间同步变化，不受距离和速度的限制。爱因斯坦把这种效应称为“幽灵般的超距作用”。这一特性彻底碘伏了传统信息传输的逻辑，它正是量子通信实现超远距离传输与高效联动的核心基础。

量子不可克隆：天生的“安全护盾”

量子世界有一条铁律：未知的量子态无法被精准复制。更关键的是，任何窃听或探测行为都会扰动量子态，导致传输信号发生改变。这条物理定律意味着：量子通信不存在“偷偷窃听”的可能。只要有人试图窃取信息，通信双方就能立刻察觉。这种能力，是传统加密技术无法比拟的。

三大量子硬核赛道

很多人听说过“量子”这个名词，但不一定清楚它到底能解决什么问题。其实，当前量子科技的落地应用，主要聚焦三大核心赛道：量子计算、量子通信与量子精密测量。这三项技术，恰好对应人类亟待突破的三大难题——实现更快的运算速度、更安全的信息传输，以及更精准的测量能力。

量子计算：超级“并行大脑”

普通电脑和手机，就像单线解题的学生，一次只能处理一个问题。面对复杂海量的数据，只能排队逐一计算；遇到超级难题，就要耗费难以想象的漫长时间。而量子计算机依托量子叠加与纠缠特性，可以在特定问题上实现计算加速。无论是新药分子模拟、极端天气预测、新材料研发，还是特定密码分析，它都为经典超算难以高效处理的问题，提供了新的解决思路。

作为我国自主研发的光量子计算原型机，“九章四号”可精准操纵3050个光子。在执行高斯玻色取样任务时，生成一个样本仅需25微秒。而使用目前世界上最强大的超级计算机和最好的经典算法，完成同样任务需要超过10的42次方年——经典超算要亿亿亿亿亿亿年才能完成，量子优势比达到10的54次方量级。另一方面，祖冲之系列走的是超导量子路线。最新迭代的祖冲之3.2号搭载了107比特超导量子处理器，单、双比特门保真度（数值越高，运算出错率越低、稳定性越强）均达到全球领先水准，持续刷新着我国超导量子计算的性能纪录。

4月10日拍摄的“九章四号”量子计算原型机局部。新华社记者 周牧 摄

量子通信：自带“防窃听妙招”

我们日常使用的手机通信、网络传输，都依赖代码加密。但再复杂的密码，只要算力足够、技术到位，就存在被破解、窃听的风险。量子通信则实现了物理层面的绝对安全，其核心依托量子纠缠与量子不可克隆特性。量子信号就像一架平衡很脆弱的精密天平，一旦有人试图探测、窃听或复制信号，哪怕只是极其微弱的干扰，都会瞬间打破这种平衡，改变量子的原有状态。此时，通信双方能第一时间察觉异常，从根源上杜绝信息泄露与篡改的风险。

我国研制的全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，突破了地面光纤传输距离的限制，率先实现了千公里级星地量子密钥分发与量子隐形传态，真正打通了量子通信天地互通的全新链路。而作为全球首条2000公里级广域量子保密通信骨干网络，“京沪干线”串联北京、上海等二十余座城市，已稳定投入商用，为涉密传输、金融交易、电力调度等关键领域，筑牢了物理级安全的信息屏障。

量子精密测量：微观“超级尺子”

传统测量设备，就像普通卷尺、体温计，精度有限，难以捕捉细微变化。而量子作为高度敏感的微观单元，外界哪怕一丝温度、重力或磁场的微小变化，都会引发量子态的改变。基于这一特性研发的量子传感器与测量设备，堪称精度拉满的“微观超级尺子”。其测量精度较传统设备提升数百甚至数千倍，能捕捉到以往人类仪器完全无法感知的细微变化。

我国国产量子陀螺仪精度领先，无需依托GPS卫星信号即可实现长时间、高精度自主导航；国产量子重力设备能精准捕捉地下重力的细微差异，无需钻探深挖就能“透视”地下结构；国产量子精密传感医疗设备，则可捕捉人体早期病变的微观信号，比传统体检手段更早、更精准地筛查潜在病变与疑难病症。

说到底，量子科技不是噱头，更不是玄学。它是一套拥有严谨科学理论支撑、经得起实验验证的碘伏性硬核技术。当前，全球量子科技整体处于从实验室研发向产业化落地过渡的阶段，尚未全面普及民用，但核心技术突破与场景落地正在加速推进。未来，量子科技将逐步走进大众生活，彻底改变算力、通信、探测、医疗等诸多领域。