锋面观点 | 量子：从技术迈向产业——上海要去引领和定义

1925年夏天，德国物理学家维尔纳·海森堡发表了一篇论文，奠定了新物理学的数学基础。这项工作常被称为“现代量子理论的出生证明”。2025年是一个重要的里程碑，标志着现代量子力学发展至今已整整一百年。为纪念这一重要时刻，联合国宣布2025年为“国际量子科学与技术年”。

图1  1927年第五次索尔维会议

量子力学是微观世界无可争议的法则，但一个深刻的问题依然悬而未决：一个物体究竟能有多大，才能继续遵循其奇异的规则？20世纪80年代，科学家团队在加州大学伯克利分校的低温实验室中已经证明：量子世界的奇异特性可以在宏观系统中具体实现。40年后，2025年的诺贝尔物理学奖颁给了研究量子力学的三位科学家。他们的成功，体现了深度科技创新不再是孤独理论家的领域，而是结合基础科学、精细实验和实用工程的多学科协同融合。

量子力学是研究极小尺度（原子、电子和光子）的物理学。在这个尺度上，“经典”世界的直观法则不再适用。

在经典世界里，能量是一个严格的守门人。想象一下，你试图把一个球推上一座大山。如果球没有足够的能量到达山顶，它必然会滚下来。它也不可能自发地出现在山的另一边。这座山代表一个势垒（物理学概念，是势能比附近的势能都高的空间区域），且这样的壁垒是绝对的。

而量子世界则遵循不同的规则，一个量子粒子，比如电子，在面对它没有足够能量克服的能量壁垒时，有很小但有限的概率直接出现在另一边，这就是量子隧穿。这里的粒子并非挖了物理隧道。相反，它的波动性意味着它的位置由概率波来描述：波并不会在壁垒处停止，它在穿过壁垒时呈指数衰减，但仍有一小部分波会出现在另一边。

量子比特是量子计算机的基本单位，是具有两个可以代表“0”和“1”的独特状态的量子系统。因此，它可以成为超导量子计算的基础。谷歌的105比特超导量子芯片“威洛”（Willow），以及我国的105比特超导量子计算原型机“祖冲之三号”，都属于超导量子计算。

图2  量子比特

2024年1月6日，由本源量子计算科技（合肥）股份有限公司自主研发的超导量子计算机“本源悟空”上线运行。“本源悟空”搭载了72位自主超导量子芯片“悟空芯”，可一次性下发、执行多达200个量子线路的计算任务。“本源悟空”已为全球139个国家和地区的超1800万用户，完成30余万个量子计算任务。

图3  超导量子计算机“本源悟空”

目前，量子计算机并非取代了经典计算机，它是专门为解决一类特定问题而设计的机器，这些问题对于即使是最强大的经典超级计算机来说也是计算上难以处理的。主要包括以下领域：

——制药与生命科学。这是最有前途的应用之一，主要用于药物发现的分子模拟。量子计算机可精确模拟蛋白质内部复杂的量子相互作用，使研究人员能设计出能完美结合的药物。这能大幅削减新药开发的时间和成本，并实现真正的个性化医疗。

——材料科学。量子计算机能帮助科学家从第一性原理设计新材料。通过模拟原子的量子行为，研究人员可设计更高效的太阳能电池、更高容量的电池、新型工业催化剂，甚至是室温超导体。

——网络安全。量子计算是一把双刃剑。一台足够强大的量子计算机运行秀尔算法（Shor’s algorithm），可以破解保护世界上大部分数字信息的公钥加密技术（比如RSA加密演算法，迪菲-赫尔曼密钥交换，椭圆曲线加密），从金融交易到国家机密。这就迫切需要开发和部署新的加密标准，包括后量子密码学（PQC）和量子密钥分发（QKD），以保护通信免受这种未来威胁。

——金融。金融行业依赖于解决复杂的优化问题，如管理投资组合、评估风险等。量子算法可更有效地解决这些问题，帮助解锁新的交易策略，并提供更准确的实时风险分析。

当前，量子技术在多领域的应用让各国认识到，量子技术是21世纪经济竞争力和国家安全的关键支柱。量子计算机不仅仅是一台更快的计算机，它还是全新的信息处理器。它代表了完整的、复杂的系统，需要同时发明和集成完整的技术栈。包括量子比特硬件、低温系统、高保真度控制电子设备、量子纠错码和全新的算法类别等。

图4  超导量子计算机“祖冲之号”

除了超导量子计算，量子计算比较主流的技术路线还包括光量子、离子阱、中性原子和硅半导体等。另外，量子信息科学除了量子计算，还包括量子物态材料、量子通信、量子精密测量、量子器件等核心方向。因此，量子信息科学的成熟之路本质上更长、更复杂。

在这个新领域，全球顶尖城市具备的人才、资本和基础设施等，为发展量子信息科学提供了充满活力的生态系统。对于像上海这样“敢为先锋”的城市来说，必须更加主动，去引领和定义。为此，建议加强以下几方面的工作：

——培育繁荣的量子生态系统，建立超越机构壁垒的密集协作网络。建立产学研联动机制，让城市扮演召集人的角色，发起高校、研究机构、新型研发机构和企业的联盟。建立量子孵化中心，孵化器提供关键的种子资金、专业实验室使用权和指导，帮助引导研究成果落地及转化。建立国际化的量子机构、论坛，推行量子“外交”，与世界其他领先的量子中心建立正式的合作伙伴关系，促进研究合作、人才交流，也为领域专家提供真正的高水平交流平台。

——共享量子基础设施，为初创企业和学术实验室赋能。建立共享的制造和封装实验室，提供先进的洁净室来制造超导电路，以及封装设施。上海还可利用现有网络基础设施，创建专门用于量子通信协议的试验台。建立共享的低温和测量设施，降低企业进入门槛，加速研发周期。

——建立量子网络安全路线图。量子计算机对当前加密技术构成了威胁，建议上海率先对自身的关键数字基础设施进行战略性过渡，逐渐采用量子加密标准。为量子经济的蓬勃发展创造安全环境。

——打造量子就绪的劳动力，建立全面的、多层次的人才输送管道。促进高校和企业合作，创建量子技术员训练营。促进跨学科高校项目，支持本地高校发展融合物理学、计算机科学、工程学等学科的学位项目，为量子技术及其交叉融合领域培育人才。引进和留住全球人才，通过为特定领域人才在简化签证、居住、子女教育等方面提供支持，创造良好的人才就业和科研环境。

量子领域的不断研究，是人类挑战物理极限、追求科技突破的象征。即使人类最终无法像科幻小说中那样实现人体“穿墙”，但对终极梦想的追求，必将不断拓宽量子力学的应用边界，发展新质生产力，从根本上革新我国的计算、传感和材料技术。

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文章来源：2025年11月3日《国际对标研究报告》，作者楼崇系前滩综研决策AI中心副总监、前滩实验室主任

图片来源：互联网

成文时间：2025年10月31日

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