【菜科解读】

就在人工智能（AI）受到万千宠爱之际，全球科学家、政治领袖、企业巨头的目光已默默投向下一个前沿技术——量子计算。

它被视为AI之后具有转折点意义的革命性技术，一场围绕量子计算的全球竞赛正在进行中。

将快进式发展

什么是量子计算？它为何能被视为AI之后最具颠覆性的技术？

简单来说，量子计算是利用量子力学原理、通过量子比特（qubit，也称量子位）来处理数据和信息。

相比经典计算机——笔记本电脑、台式机甚至超级计算机等，基于量子计算创造的量子计算机有望解决更复杂的问题。

因为量子位可同时以0和1的状态来处理和存储信息，而经典计算机所依赖的二进制位不能同时兼具0和1的形式。

兼顾两头的优势使得量子计算机可以同时进行多种计算，并且能够以指数级速度处理数据和信息。

而且，计算任务越复杂，量子计算的优势就越突出。

南加州大学工程学教授丹尼尔·利达尔解释道，量子计算机擅长并行计算，即同时执行许多计算。

而这种计算方式通常需要多台经典计算机协同操作才能实现。

利达尔补充说，量子计算机还可以在几小时内破解网络密钥，而经典计算机可能需要几十亿年才能完成同样的任务。

众所周知，ChatGPT的问世引爆人工智能新时代，显示生成式人工智能（Generative AI）的飞速发展。

在科学家眼中，代表计算技术革命性飞跃的量子计算也会迎来相似的发展历程。

香港大学量子信息与计算机科学系教授朱力欧·克贝拉说，AI的快进态势可能很快就会出现在量子计算领域。

克贝拉表示，量子计算机有望代表本世纪最引人注目的科技成就之一，它将成为彰显人类智慧的里程碑。

赋能千行百业

当今世界，在各种尖端技术中，人工智能与量子计算被公认为最具颠覆性的两大技术。

两者结合更被认为将带来颠覆性的创新，包括可能催生更强大的人工智能，加快奇点的到来。

谷歌首席执行官皮查伊曾说过，人工智能与量子计算可以相互赋能，加速彼此发展。

两者合作的成就堪比列侬和麦卡特尼联手为流行音乐所作的贡献。

对人工智能来说，量子计算被形容为火箭燃料，将给AI发展带来重大突破。

一方面，它能加速人工智能模型的训练和推理过程，大大提升AI自我学习以及解决复杂问题的速度与能力。

举例而言，量子计算引入了可以重新定义神经网络和机器学习技术的专用算法，有望显著提高AI处理问题的效率和准确性。

另一方面，量子计算还能帮助破解AI算力瓶颈。

业界普遍认为，算力能级决定了生成式AI发展的前途。

而量子计算可以弥补AI算力不足的缺陷。

因为AI领域的算法大部分属于并行计算的范畴，而这恰恰是量子计算的长处。

量子计算不仅可以赋能AI，还能与其他更广泛的行业融合，形成量子计算+。

咨询公司麦肯锡在去年一份报告中确定了四个最有可能收获量子计算早期红利的行业：汽车、化工、金融服务和生命科学。

报告称，到2035年，量子计算技术预计将为这四个行业带来总计1.3万亿美元的附加价值。

当前，一些车企已经开始与量子计算领域的先驱合作。

比如，戴姆勒正与IBM展开合作，大众汽车联手加拿大量子计算公司D-Wave Systems，现代汽车与美国量子计算公司IonQ结为合作伙伴。

IonQ联合创始人兼首席技术官金俊生（Jungsang Kim，音译）说，量子计算有助于改进电池技术，其优越性将大大超越化石燃料，也能真正帮助遏制全球变暖。

量子计算的黄金前景不止于此，它还能助力医疗保健、药物研发、通信、环保、物流等各领域的发展。

以医疗领域为例，量子计算可以加速处理和分析医学数据，为治疗癌症及个性化医疗提供支持。

同时，通过模拟分子结构和化学反应，量子计算还能加速药物研发过程。

去年，美国生物技术公司莫德纳（Moderna）宣布与IBM合作，将利用后者的量子计算和生成性AI技术来推进信使核糖核酸（mRNA）疫苗和疗法。

离现实应用有多远？

被量子计算蕴藏的无限潜力所吸引，一场激烈的量子竞赛也在全球范围展开。

各国政府和企业在量子计算领域都在投入巨大资金和人力。

不过，专家表示，尽管量子计算已在实验室中显现巨大潜力，但是距离现实场景的应用还有很长一段路要走。

比如，研制一台功能齐全的量子计算机就是一项异常艰巨的任务。

因为量子位本质上相当脆弱，极易受到温度、噪音或电磁场变化的影响。

一旦受到环境影响，量子位就会陷入退相干状态，即丧失量子相干性，从而限制量子计算的速度和效率。

这些都使得硬件开发面临复杂局面，后续运行维护成本也会相当高昂。

正如有评论戏谑，短期内没有人会带着量子笔记本电脑去工作。

此外，量子计算也会带来安全挑战，尤其是网络安全威胁。

因为量子计算可以攻克数据加密技术。

不过，也有观点指出，未来量子计算机生成的新型密钥可能比当前加密技术更安全。

分析人士认为，总体来看，尽管在硬件稳定性、网络安全等方面存在挑战，但量子计算仍在蓬勃发展。

作为一种开创性技术，未来，量子计算结合人工智能，有望为人类打开一个全新世界。

星地一体：墨子号、京沪干线与量子中继的野望

我们已经掌握了 QKD 的核心——BB84 协议和诱骗态。

你可能觉得：“太好了，那我把光纤从北京拉到上海，Alice 和 Bob 不就能愉快地通话了吗？” 理想很丰满，现实却很骨感。

光纤是有损耗的。

一个光子在光纤里跑，每跑 15 公里，能量就会损失一半（3dB损耗）。

如果 Alice 在北京发射光子，经过 100 公里的传输，大概只有 1% 的光子能活着到达天津。

如果距离拉长到 1000 公里，光子能到达的概率大概是 。

这什么概念？ 哪怕 Alice 用每秒发射 100 亿个光子的机关枪狂扫，她也要几百万年才能让 Bob 收到一个光子。

在经典通信中，信号弱了我们可以加“放大器”。

但在量子世界，不可克隆定理把这条路堵死了。

怎么办？ 既然不能强攻，那就智取。

今天，我们将揭秘人类为了把量子密钥送向远方，所构建的三种宏伟架构。

我将全景式地解析目前人类解决这一问题的三大路径：可信中继（以京沪干线为例）、卫星量子通信（以墨子号为例），以及未来的终极方案——量子中继。

死结 —— 为什么不能用放大器？ 在讲解决方案之前，我们必须深刻理解困难在哪里。

经典的中继器（Amplifier） 你的家中宽带、跨海电缆，之所以能传几千公里，是因为每隔几十公里就有一个放大器（Repeater）。

原理：它像一个大嗓门的传话人。

听到微弱的声音（衰减的信号），把它记录下来，复制一份，然后用更大的音量（增强功率）喊给下一站。

本质：复制 + 增强。

量子的死穴 不可克隆定理 量子信号（单光子）承载的信息在于它的叠加态。

你想放大它？你就得先复制它。

物理定律说：NO。

你不能在不破坏它的情况下复制它。

如果你试图测量它再重新发射（类似经典中继），你就破坏了量子态，把原本的安全密钥变成了无效的随机数，甚至会被误判为黑客攻击。

所以，传统的“光放大器”对 QKD 来说是剧毒。

光子一旦跑不动了，就真的死在路上了。

权宜之计 —— 可信中继 (Trusted Relay) 既然光子一次跑不了 2000 公里，那让它跑 100 公里总行吧？ 这就诞生了目前工程上最成熟、也是“京沪干线”采用的方案——可信中继。

接力赛跑 Alice 想给 2000 公里外的 Bob 送信。

她在中间设了 30 个站点（R1, R2, ..., R30）。

第一棒：Alice 用 QKD 协议（光子）和 R1 生成一个密钥 。

加密传输：Alice 用 加密信息，把密文通过普通光纤发给 R1。

解密与换棒：R1 用 解密，看到原文。

然后 R1 和 R2 做一次 QKD，生成新密钥 。

再加密：R1 用 加密原文，发给 R2。

...以此类推，直到 R30 发给 Bob。

优缺点分析 优点：技术极其成熟，现有的 QKD 设备就能用。

中国建成的世界首条量子保密通信干线“京沪干线”就是这么干的，全长 2000 多公里，连接了北京、济南、合肥、上海。

致命弱点：“可信”二字。

在上面的过程中，每一个中继站 R1, R2... 都把密文解密了，看到了原文。

这意味着：这 30 个站点必须都是好人。

只要其中一个站点被黑客攻破，或者出了内鬼，整条线路的秘密就泄露了。

所以，这些站点必须有重兵把守，物理上绝对安全。

这对于银行、军队专网是可行的，但对于普通民用互联网来说，成本太高。

这是一条“链路加密” (Link Encryption) 的路，而不是真正的“端到端加密”(End-to-End Encryption)。

天外飞仙 —— 墨子号 (Micius) 与卫星 QKD 既然地面光纤损耗大，那我们换个介质行不行？真空是没有损耗的。

地球的大气层只有垂直方向的 10 公里比较厚，穿过这 10 公里后，就是茫茫太空。

如果我们把基站搬到卫星上，让卫星和地面直接用激光通信，那就只有穿过大气层的那一瞬间有损耗，剩下的几千公里真空飞行几乎是无损的。

这就是 2016 年中国发射的世界首颗量子科学实验卫星——“墨子号”的思路。

针尖对麦芒的“APT”技术 卫星 QKD 最难的不是量子原理，而是瞄准。

卫星在 500 公里高的轨道上，以 7.6 公里/秒 的速度飞奔。

地面站的一个望远镜要死死盯着它。

双方要让一束只有硬币大小的激光，跨越 500-1000 公里，精准地打进对方的望远镜里。

这被称为 APT (Acquisition, Pointing, and Tracking，捕获、瞄准和跟踪) 技术。

难度相当于：你在坐高铁，把一枚硬币扔进 10 公里外的一个储蓄罐的投币口里。

墨子号的三种玩法 星地密钥分发（下行模式）： 墨子号作为 Alice，飞过北京上空，给北京站（Bob）发光子。

北京站收到光子，生成密钥 。

此时，墨子号就是一个“飞在天上的可信中继”。

它存着密钥，飞到乌鲁木齐上空，再发一份密钥。

地星密钥分发（上行模式）： 地面站做 Alice，卫星做 Bob。

由于大气湍流主要在近地面，光子一开始就被打散了，所以上行比下行更难。

但好处是源在地面，想换就换。

千公里级量子纠缠分发（E91模式）： 这是最科幻的。

墨子号作为纠缠源，同时向青海德令哈站和云南丽江站（相距 1200 公里）各发射一个纠缠光子。

地面两个站同时收到光子。

结果：两个地面站之间建立了纠缠，直接生成了密钥。

意义：在这种模式下，卫星是不掌握密钥的！卫星只是个分发者。

这意味着即便卫星被敌人控制了，只要它还发纠缠光子，地面通信就是安全的。

这实现了无中继的超远距离安全通信。

终极圣杯 —— 量子中继 (Quantum Repeater) 可信中继需要信任，卫星受天气影响（阴天、白天都很难工作）。

有没有一种方案，既走光纤（全天候），又不需要信任中继站点？ 有。

这就是全人类物理学家梦寐以求的圣杯——量子中继。

它的核心思想是利用“纠缠交换”(Entanglement Swapping)。

这是一种真正的“量子魔术”。

魔术步骤：隔山打牛 假设 Alice 和 Bob 相距很远，中间有个中继站 R。

光子直接从 Alice 飞到 Bob 做不到。

分段纠缠： Alice 和中继站 R 建立一对纠缠：。

中继站 R 和 Bob 建立一对纠缠：。

此时，Alice 和 Bob 毫无关系。

贝尔测量 (Bell Measurement)： 中继站 R 对它手里的两个粒子 和 进行一种特殊的联合测量（贝尔测量）。

奇迹发生的瞬间：在 R 测量的刹那， 和 的纠缠断裂，死亡。

但是，纠缠关系被“转移”了！原本互不相识的 Alice 手里的粒子 和 Bob 手里的粒子 ，突然变得纠缠了。

结果： Alice 和 Bob 之间建立了一条虚构的纠缠链路，尽管他们之间从来没有光子飞过。

中继站 R 只是做了一个媒人，测量完它就退出了。

它不知道密钥是什么（因为它只知道 和 的相对关系，不知道 和 的具体状态）。

为什么还没普及？ 听起来太完美了，为什么现在不用？ 因为缺一个硬件：量子存储器 (Quantum Memory)。

纠缠交换要求两边的光子同时到达 R 进行测量。

但在现实中，光子到达时间是随机的。

我们需要中继站有一个“量子硬盘”，能把先到的光子无损地冻结在那里，等另一个光子到了再一起测。

目前的量子存储器技术还处于实验室阶段（能存几毫秒就很牛了），离工业化应用还有距离。

未来展望 —— 量子互联网 当我们把这三种技术结合起来，未来的图景就清晰了： 骨干网（城际）：使用可信中继（如京沪干线）连接大城市的核心节点，由国家强力部门守卫。

广域网（跨国/跨海）：使用量子卫星星座。

当你需要和地球背面的朋友通话时，呼叫天上的卫星，它帮你建立连接。

局域网/未来网：随着量子中继和量子存储的成熟，我们将构建真正的量子互联网。

届时，不仅是分发密钥，我们甚至可以传输量子态，连接各地的量子计算机，形成全球算力网络。

结语 从北京到上海，从地面到太空，从经典中继的“接力跑”到量子中继的“隔空移物”。

我们看到了人类为了突破距离限制所付出的巨大智慧。

现在，我们已经有了安全的密钥（BB84/诱骗态），有了传输网络（京沪干线/墨子号）。

那么，这套昂贵的系统到底能怎么用？ 仅仅是用来加密电话吗？ 不。

它将彻底重构我们的金融、政务、区块链乃至日常生活的信任基石。

明日预告：不仅仅是加密 —— QKD 的真实应用场景明天，我们将不再谈物理，而是谈商业和应用。

银行怎么用 QKD 转账？ 电网怎么用 QKD 防止断电？ 量子随机数怎么让彩票更公平？ 甚至……量子区块链？ 让我们看看这项技术是如何落地的。

我们明天见！

墨子号、东方超环、深空探测！合肥硬科技组团上春晚

2月14日 总台马年春晚合肥分会场的 幕后采访 为大家“剧透”了 春晚上的合肥“硬科技” 中国科学技术大学潘建伟院士团队、万元熙院士和中国科学院核聚变大科学团队、深空探测实验团队纷纷亮相，并带上了“墨子号”、人造太阳“东方超环”、嫦娥四号与嫦娥六号探测器等“科技好礼”。

潘建伟院士团队与“墨子号” 在幕后探班中，潘建伟院士团队正在忙着拍摄准备。

团队及节目为观众送上了一份“科技好礼”——“墨子号”。

墨子号是我国研制的首颗空间量子科学实验卫星，也是世界上第一颗量子科学实验卫星。

它在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，初步构建了“天地一体化”量子保密通信体系。

从2003年萌发量子卫星通信的想法，到2017年“墨子号”预定科学实验任务全部完成，潘建伟等中国科学家经过了14年的努力。

承载了千里共婵娟的通信梦想和中国速度的算力未来。

中国“墨子号”量子科学实验卫星首席科学家潘建伟在中国科学技术大学的办公室内与“墨子号”量子卫星模型合影（2018年12月13日摄）。

新华社记者 张端 摄 万元熙院士团队与“东方超环” 采访中，万元熙院士和中国科学院核聚变大科学团队持着“东方超环”模型登场。

“‘东方超环’是万元熙院士主持设计并建造的、世界上首台全超导托卡马克装置。

”团队通俗介绍了人造太阳“东方超环”：“人造太阳”就是在地球上建一个大装置，模拟太阳的核聚变环境，实现核聚变反应，替代传统能源发电。

“东方超环”指向的正是人类清洁能源的终极梦想。

全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）。

张正朋 摄 这一听起来不可思议的大工程，在2025年初迎来了关键突破和重大节点：“东方超环”成功突破1000秒1亿度高约束运行模式，是聚变研究从基础科学研究迈向工程实践的重大拐点。

“这一突破就像一道强光，照射到每个人的心里，当时我们在EAST（即“东方超环”）控制室，每个科研人员都备受鼓舞！”团队成员表示。

1月20日拍摄的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）控制大厅。

新华社记者 周牧 摄 最后，万元熙院士为观众送上新春祝福：“愿每一个人心怀热爱，追逐梦想。

” 深空探测实验团队与“嫦娥奔月” 人类从未停止对月亮的憧憬和对宇宙的探索，在合肥就有着一个探秘深空的实验室——深空探测实验室。

“我们主要开展深空探测领域战略性、前瞻性、基础性技术研究，简单来说，就是在为人类走向更远深空寻找第二家园，探索可能的技术路径。

”团队成员在节目中自我介绍。

深空探测实验室深度参与、全面支撑嫦娥六号月球背面采样返回、嫦娥七号月球南极环境与资源勘查、嫦娥八号、天问三号火星采样返回等国家航天重大工程和任务实施。

幕后采访中，深空探测实验团队携嫦娥四号与嫦娥六号探测器向观众问好。

“嫦娥4号探测器，7年前首次着陆在月球背面，就是它为我们揭开了月球背面的神秘面纱。

”团队成员介绍。

嫦娥六号则在2024年带回了人类第一份月球背面的样品。

深空探测实验室。

马二虎 摄 这些硬核科技 在总台春晚中将以什么形式呈现呢？ 科学家和科技工作者又将讲述什么故事？