摘 要：量子科技是一个国际竞争非常激烈的战略领域。中、美、欧等都围绕量子科技进行谋划布局，不断加大研发投入。量子力学是微观上关于物质现象和运动规律的理论体系，兼具抽象性、严格性、非常识性等特点，量子隧穿和量子纠缠是量子力学中的两个典型现象。现代信息技术的根本源头，多数都可追溯到量子力学领域的一系列重大科学发现。未来信息技术或者说第二代量子技术，涵盖量子计算、量子通信、量子精密测量和量子物理基础四大方面。如果通用量子计算机研制成功，并与其他量子技术结合起来，人类社会将进入量子信息时代。量子技术革命是我国首次有基础、有能力深度参与的一次技术革命，是中华民族伟大复兴道路上的重大历史机遇，必须牢牢抓住。
关键词：量子科技；量子力学；量子隧穿；量子纠缠；量子计算机
作者简介：薛其坤，男，山东蒙阴人，国家最高科学技术奖获得者，中国科学院院士，南方科技大学校长。
文章来源：《中国浦东干部学院学报》2026年第2期。
一、量子科技研究和应用的国内外形势
2020年10月16日下午，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。习近平总书记在主持学习时指出：“量子力学是人类探究微观世界的重大成果”；“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”。他强调：“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。安排这次集体学习，目的是了解世界量子科技发展态势，分析我国量子科技发展形势，更好推进我国量子科技发展。”5年半前的这次集体学习，表明党中央高度重视量子科技的研究和应用，并从战略高度出发对其进行了谋划布局。
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十五个五年规划纲要》提出，“十五五”时期经济社会发展要实现“科技自立自强水平大幅提高”的目标，具体体现为“基础研究和原始创新能力显著增强，重点领域关键核心技术快速突破，产出一批重大原创性、标志性、引领性科技成果”。《“十五五”规划纲要》的第二篇“建设现代化产业体系 巩固壮大实体经济根基”和第三篇“加快高水平科技自立自强 引领发展新质生产力”中，都有关于量子科技的相关表述。第二篇第五章“培育壮大新兴产业和未来产业”提到，要推动包括量子科技在内的六大未来产业成为新的经济增长点。第三篇第八章“加强原始创新和关键核心技术攻关”提到，要瞄准世界科技前沿强化系统布局，实施人工智能、量子科技、生物科技、新能源等科技战略部署。
从5年半前党中央开始谋划部署量子科技发展，到今年《“十五五”规划纲要》正式发布，量子科技已经成为一个必须要认真研究、系统布局、全力突破的重要领域。
在中国加紧推动量子科技发展的同时，美国也在紧锣密鼓地进行相关部署。2018年9月，美国发布《量子信息科学国家战略概述》，提出量子信息科学将引领下一场技术革命，给国家安全、经济发展、基础科研等带来重大变革。美国于2018年出台《国家量子计划方案》，2019年出台《国家国防授权法案》，2022年出台《芯片与科学法案》。这些法案都把量子科技放在非常重要的位置。美国推行10年期国家量子计划，建立国家量子信息科学委员会，在白宫建立量子协调办公室。美国国家标准与技术研究院、美国国家科学基金会、美国能源部也积极设立和推进量子科技相关项目。尽管商业化推进得没有那么快，但美国在量子科技领域投入巨大，前五年（2019—2023年）总投入已达37亿美元。
美国不断强化量子科技战略，并根据国际形势发展变化进行更新调整。2023年6月，美国国家量子计划咨询委员会（NQIAC）发布了国家量子战略评估及更新计划报告，提出了3大发现、4大核心建议和9项具体建议。美国国家科学基金会陆续启动了新的资助计划。美国有非常完善的国家实验室体系，在美国能源部管理的17个国家实验室中，有12个都进行了量子科技研究布局。一些承担特殊任务的敏感机构，也部署了与其职能相关的量子科技研究项目，比如美国海陆空三军的实验室均在2020年左右部署了量子研发计划。
总的来看，美国把量子科技作为科技发展优先领域。2020、2022、2024年，量子信息技术连续三次入选白宫发布的“关键和新兴技术清单”。在白宫发布的历年《政府研发预算的优先事项和跨领域行动》备忘录中，人工智能和量子信息科技的优先级均位居前列。特朗普政府提出的2026财年预算案显示，在联邦研发经费全面削减的情况下，人工智能和量子信息科技是极少数经费投入继续增加的优先领域。美国对量子科技的重视可见一斑。
在量子科技领域，以美国为首的西方国家通过打造国际联盟，与我国开展对抗竞争。2019—2024年，美国先后与11个国家签署了量子领域合作协议，这使我国科学家在参与国际合作方面遇到困难。2024年，北约发布量子技术战略并成立跨大西洋量子共同体，以确保量子技术优势。2025年6月，七国集团（G7）峰会将量子技术和人工智能列为核心议题，并达成《量子技术未来共同愿景》，强调加强可信赖国家间的合作。
此外，美国还频繁出台相关政策措施，加强对我国的封锁扼制。美国商务部要求对量子信息技术有关交易进行审查，并对量子计算机及相关材料进行出口管制。2023年8月9日，时任美国总统拜登签署行政命令，提出在半导体与微电子、量子信息技术和人工智能等三个领域对中国进行限制。
2025年，美国出台了被称为人工智能时代“曼哈顿计划”的“创世纪计划”。该计划将先进制造、生物技术、关键材料、核裂变与核聚变、量子信息科学以及半导体与微电子等作为六大战略领域，提出利用人工智能重构科研范式，加速技术突破。
与半导体、微电子等相关的信息技术革命被称为第一次量子革命，以量子计算机为核心的现代科技革命被称为第二次量子革命。为应对第二次量子革命，欧盟在2018年启动了量子旗舰计划，以建设量子互联网作为最终目标。2025年7月，欧盟委员会发布《量子欧洲战略：变化世界中的量子欧洲》，围绕量子研究与创新、量子基础设施、量子产业生态、空间与军民两用量子技术、量子技能人才培养等进行规划布局。
目前，全球量子科技研发仍以政府投入为主导。美国有很多相关初创公司，但实现盈利的不多。在美国，除了政府之外，信息技术领域的头部企业强势介入了量子科技研发。IBM仅在量子计算机方面的研发人员估计就超过1000人，自2018年起，IBM、谷歌、微软等都在量子科技研发方面投入巨资。全球40多个国家和地区都制定了相关战略和政策，保证量子科技研发投入。
根据麦肯锡公司的预测，到2035年，全球量子产业总规模可能达到800亿美元，其中70%—80%将集中在量子计算领域；量子产业可能释放的经济价值将达到2万亿美元，与人工智能在同一量级。
二、量子力学的相关知识
物理学是研究物质和时空的基本结构、相互作用以及运动规律的科学。作为物理学的分支之一，量子力学是微观上关于物质现象和运动规律的理论体系，是人类迄今创造的最基础、最精确和最深奥的科学理论之一，兼具抽象性、严格性、非常识性等三个特点。它描述的对象很广，小到原子、原子核、核子、电子、夸克，大到肉眼可见的超导体。量子力学和相对论、DNA双螺旋结构并称为“二十世纪的三大科学发现”。
从1900年德国物理学家普朗克提出“量子”概念，到1925年确立量子力学的基本理论体系，经历了1/4个世纪。其中，普朗克、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克以及爱因斯坦等物理学家作出了重要贡献，他们都获得了诺贝尔物理学奖。
普朗克被称为“量子之父”。1900年，他在德国物理学会年会上提出“量子”概念。他假定电磁波的能量不是连续变化的，而是一个最小能量的整数倍，这个最小的能量就是“量子”。能量量子的大小等于普朗克常数（6.62607015×10-34焦耳·秒）与电磁波频率之积。
如何去理解“量子”概念呢？量子就是物质和物理量变化的最小单元。假设有一个高度为4米的斜坡，在牛顿力学框架下，一个人从斜坡的最底端往上爬，他所要经历的高度是连续变化的。但如果把斜坡变成4个台阶，他所经历的稳定高度就是1米、2米、3米、4米，即台阶高度的整数倍。也就是说，他经历的稳定高度或者说稳定的物理状态就不再是连续的。又比如说一家人养了100头牛，这里牛的数量的最小单元是1，不可能说养了8.3头牛。所谓量子，简单理解就是这个最小单元。
在宏观尺度上，世界上没有两头完全一样的牛，也没有两个完全一样的硬币或者瓶子。尽管我们试图把它们做得一模一样，但实际上做不到。而在微观尺度上或者微观世界内，则可以存在完全相同的东西，包括电子、光子、原子、离子、分子等。上海的水分子、北京的水分子和南极的水分子都是绝对一样的，不同地区的电子也是一模一样的。这些完全相同的东西，就叫做全同粒子。所谓量子纠缠，只能发生在两个全同粒子之间。
量子世界还具有非常识性甚至诡异性。先来谈谈波粒二象性。电子是一个带负电的有质量的小球，非常微小，肉眼看不到，但能够通过科学仪器观测到。也就是说，电子具有粒子性。同时，电子也是一种电磁波，具有波动性。1927年，美国物理学家Davisson和Germer观察到镍单晶中的电子衍射现象，用一个非常巧妙的实验证明了电子的波动性。两人在1937年获得了诺贝尔物理学奖。我们对微观粒子的完整描述是不太好理解的：电子既是粒子又是波，似乎是个矛盾统一体。然而这就是我们对微观粒子的一种完整描述。
光也是一样，它既是波，又是粒子。可见光的波长是400—760纳米，而爱因斯坦解释光电效应，提出光和电子一样是个小球，只是不带电而已。所以光既是电磁波，又是粒子（光子），它也具有波粒二象性，这是我们对光的准确描述。
如果进一步延伸，那么人也一样，既是粒子，也是波。不过，按照德布罗意公式，人或者其他宏观物体对应的波长非常短，量子效应非常微弱，所以一般不需要考虑人或者宏观物体的量子效应。
量子世界的一些现象非常诡异。比如说，电子和传说中的崂山道士一样具有“穿墙”本领。这里可以举一个例子：用两条金属丝分别连接电池的正负极，当两条金属丝还没有连起来的时候，电是无法进行回路流动的，这叫断路。但如果不断拉近两条金属丝的距离，直至1纳米的时候，此时电子会从一头跳跃到另一头，产生电流。这时，如果把二者的距离增加或者减小0.1纳米甚至更短的距离，电流会发生很大的变化。这就给我们提供了一个测量长度的灵敏技术。电子的这种“穿越”本领，称为量子隧穿。
接下来讲量子纠缠和幽灵般的长程相互作用。这里可以拿地球和月亮的关系来说明。地月之间的距离约为36万公里，光都要走1秒多。从宇宙观察者的角度看，在时空扭曲导致的引力场作用下，地球和月球“纠缠”在一起从而构成了一个系统。与此类似，相距遥远的两个电子，比如在地球的电子和在月球的电子，也可以通过某种场而纠缠在一起，从而构成一个系统。地球上的电子状态发生变化，会导致月球上的电子状态的变化，这两个变化不存在时间差，从而造成“超光速现象”。量子纠缠的这种特性，是量子通信的基础。微观世界的一些现象让人感到困惑，而物理学家能做的就是证明这些现象是真实发生的、可以验证的，同时还可以基于这些现象开发新的技术应用，从而证明我们对这种现象的描述是正确的。
三、量子力学对现代信息技术的推动作用
量子力学对人们的日常生活、经济发展和技术发展都产生了巨大的推动作用。先从最基本的测量技术讲起。如何测量时间？古人用日晷、水钟、沙漏等测量时间，后来又出现了摆钟、石英钟。其中高精度的石英钟，误差可以做到1年只差1秒。后来出现的电子表，其实也是依靠石英晶体振荡现象工作的。如果制作工艺足够精良，它的误差甚至可以小到100年才差1秒。而量子技术的发展对时间的精准测量产生了非常重要的作用。
20世纪30年代，美国物理学家Rabi发现了核磁共振效应。在此基础上，他提出了“原子钟”的概念，即利用原子能级之间的量子跃迁来制造更精确的时钟。20世纪60年代，Ramsey等物理学家基于原子内部的量子状态进行精密测量，推动了时间单位“秒”的重新定义，他也因此获得1989年诺贝尔物理学奖。美国根据这些新发现，在20世纪60年代发展了原子钟即量子时钟，大幅提高了时间精度，当时的误差可小到30万年差1秒。进入21世纪后，原子钟精度继续提高，达到3亿年差1秒。
对时间的准确测量，推动了GPS、北斗等全球定位系统的出现。想定位一辆汽车的位置，用三个卫星就能做到，确定了汽车相对于三个卫星的距离，就可以知道汽车的位置。全球定位依靠的是以光速传播的电磁波，时间测准了就相当于距离测准了。如果时间测量精度达到10-18秒，那么理论上就可以达到0.3纳米的定位精度。目前，世界上最精确的光钟的测量精度进入10-18秒范围，即在宇宙诞生后的138亿年的时间尺度内，误差只有0.24秒。正在研发的原子核光钟，精度还能进一步提高。
再看长度的测量。如何精确测量纳米物体的长度？1纳米是5个碳原子排列起来的长度，用什么尺子来测量它？前面所讲的“穿墙术”即量子隧穿就解决了这个问题。根据实验，物体之间的距离只变化了0.1纳米，测量到的电流就会发生很大的变化。可以说，量子隧穿为我们提供了一个能够精准测量长度的“尺子”。现在，这个“尺子”可以达到0.001纳米即1皮米的精度。基于量子隧穿原理，瑞士的两位科学家发明了扫描隧道显微镜，并于1986年获得了诺贝尔物理学奖。这种显微镜能够让人类清晰地观察到原子，从而使人类可以在原子层面研究物质表面形貌和局域电子结构。
再看重量的测量。过去测量重量用秤砣或者砝码，而全世界的通用质量标准是千克原器（大K）。它是一个用铂铱合金制作的小圆柱体，1889年国际度量衡大会正式将其确定为质量标准。2007年，人们发现在过去100多年间其质量减少了50微克，即“标准”变得不标准了。2019年，国际计量大会宣布采用基于物理常数的方式重新定义千克，发展了基布尔秤（Kibble balance），也可以叫量子秤。基布尔秤利用量子霍尔效应和约瑟夫森效应来精确测量质量，相对精度可达到10-8量级，而且不会随时间发生变化。
就时间、长度、质量、温度、能量、速度、硬度、透明度、电信号、光信号、磁信号、热信号、声信号等而言，只要用到量子技术，测量精度都有可能大大提高，进而催生出很多颠覆性的技术。所以说，量子技术的发展和应用，将使信息探测的“眼睛”更亮、“鼻子”更敏、“耳朵”更灵。
接下来再讲讲信息存储。1988年，物理学家Grünberg和Fert发现了巨磁电阻效应，后于2007年获得诺贝尔物理学奖。这个效应可用一个“三明治”结构来形象地理解：两片“面包”是磁性材料（比如铁），各自带有特定的磁化方向，中间的“火腿”是非磁性材料（比如铜）。当上下两层磁性材料的磁化方向相同时，“三明治”的电阻是小的。如果将其中一片“面包”的磁化方向翻转180度，整个结构的电阻就会增加很多。这种电阻随磁化状态改变而大幅变化的效应，被称为巨磁电阻效应，它是一种量子效应。1997年，IBM的Parkin在此基础上发明了基于巨磁电阻效应的磁头，使硬盘存储密度提高了4个数量级以上。今天，无论是台式电脑还是笔记本电脑中的机械硬盘，都是基于这一科学发现而制造的。大家熟知的数据中心，其数据有超过70%是保存在基于巨磁电阻效应的硬盘中的。
前面介绍的这些量子技术，涵盖了信息技术的五大核心领域：信息处理、信息存储、信息显示、信息传输、信息探测。这些技术的根本源头可以追溯到10多项获得诺贝尔物理学奖的科学发现，主要由26位物理学家的奠基性工作所造就。这充分说明了基础研究对颠覆性技术的源头作用。我们在日常生活中所接触到的许多信息技术本质上都是量子技术，只不过它们属于第一代量子技术。
四、量子力学对未来信息技术的推动作用：第二代量子技术
未来信息技术或者说正在发展的信息技术，被称为第二代量子技术。第一代和第二代之间有什么区别呢？就前者而言，是科学家先发现了相关的量子现象，然后再想办法把这些发现成果利用起来。这是一种主动发现和被动应用。就后者而言，是人们在掌握了核心原理的基础上，有针对性地设计出特定的量子体系，并将其转化为实用技术。
第二代量子技术分为四大方面：量子计算、量子通信、量子精密测量和量子物理基础。第二代量子技术将对信息安全、高性能计算、人工智能、超高速超低功耗集成电路、军事目标探测、材料设计和模拟等方面产生重大影响，引发颠覆性技术革命。
目前传统计算机的最高境界是超级计算机。从1947年晶体管问世到今天，已经过了近80年。美国橡树林国家实验室的“Frontier”超级计算机的峰值算力，已达到1.1百亿亿（1018）浮点数/秒。它占地3亩，用了数千万亿根晶体管，日耗电50万度。我国的“天河”“神威”等超级计算机基本也达到了这个水平。那么量子计算机相对于超级计算机有何优势？它能不能代替超级计算机？
量子计算机就是物理上通过量子纠缠或量子叠加原理，同时操控N个量子比特（量子晶体管）的2N种状态实现指数级并行运算、存储及处理量子信息的物理装置。
我们平常使用的计算机，干活的时候就像接力赛一样，它的算力与晶体管的数目具有线性关系。而量子计算机的工作流程则像集体操：每个量子比特都有两种状态，N个量子比特能同时有2N种状态，可以在同一个指令下并行运算。N个量子比特能承载2N量级的比特信息量，所以量子计算机的信息存储量非常大。量子计算机的强大算力，就来自量子叠加/纠缠导致的指数加速原理。一旦量子计算机研制成功，那么现在的超级计算机在它面前就会变得像“算盘”一样。由此可见，量子计算机的发展是非常重要的。
量子比特是什么样的？它的最基本结构是一个“三明治”：上下两层“面包”是铝做的，而铝在零下272度左右会变成超导体；中间的“火腿”则是氧化铝。这个“三明治”，就是超导量子晶体管的核心结构。经由这个“三明治”结构，1962年英国物理学家约瑟夫森发现了约瑟夫森量子效应。约瑟夫森因此获得了1973年诺贝尔物理学奖。而约翰·克拉克、米歇尔·H.德沃雷和约翰·M.马蒂尼斯等3位量子物理学家，于1985年把这样一个“三明治”结构发展成了宏观量子电路，导致了超导量子比特的实现。他们因为在电路中实现宏观量子力学隧穿效应和能量量子化方面的贡献，获得了2025年诺贝尔物理学奖。可以说，基础科学发现和物理技术突破，共同推动了量子计算机的发展。
由于超导的宏观量子隧穿效应发生在趋近绝对零度的极低温条件下，所以量子计算机不能像一般的电脑那样在室温下工作，必须用庞大的制冷设备将其冷却到极低温度。因此，未来的通用超导量子计算机的体积会非常庞大，无法小型化。所以，将来不会出现量子笔记本电脑和台式机，这就像汽车永远代替不了飞机、飞机也代替不了汽车一样。
目前，除了刚才讲的基于“三明治”结构的超导量子计算机外，还有很多其他技术方案，比如冷原子、离子阱等。但到目前为止，还没有找到一个决定性的解决方案。通用量子计算机的研制面临很多技术难关，比如量子相干时间和保真度等，攻克它们估计至少需要10—20年的时间。通用量子计算机的研制难度极高，挑战人类的最高智慧，因此也是国家科技实力的象征之一。一旦通用量子计算机研制成功，人类社会将进入量子信息时代。
五、结束语
量子技术是战略必争领域，关乎国家的核心竞争力，必须高度重视。量子技术革命是我国首次有基础、有能力深度参与的一次技术革命，是中华民族伟大复兴道路上的重大历史机遇，必须牢牢抓住。我们要紧密团结在以习近平同志为核心的党中央周围，努力拼搏，力争打赢量子技术战争。
