通常我们认为量子科技的实际应用上，目前除了通信领域之外，能在其他行业投入实用还非常遥远。至今还有人不断在上问量子计算机是不是骗局，其实，量子科技在我国工业上已经开始进入实际应用的试点验证阶段。
01
“祖冲之三号”惊艳亮相
日前，中国科研团队在量子计算领域取得重大进展，中国科技大学潘建伟、朱晓波团队在预印本平台arXiv上传论文，发布了我国自主研发的具有105个量子比特的超导量子计算机“祖冲之三号”。
这篇论文的标题为《使用105量子比特“祖冲之三号”处理器建立量子计算优势的新基准测试》（Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor），朱晓波、潘建伟为论文通讯作者。中国科学技术大学、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院上海科学研究中心等共9家科研机构的共154名科研人员参与了本次研究。
据介绍，“祖冲之三号”的量子比特数相比拥有66个量子比特的“祖冲之二号”提升至105个，计算能力显著提升，其处理器由两个使用倒装芯片技术集成的蓝宝石芯片组成。
论文中给出了两种不同的场景来进行计算成本估计。一种场景是以Frontier超级计算机实际的内存量 9.2 PB（1PB = 1024TB，是衡量计算机存储容量的单位）为基础进行考虑。另一种场景则是把Frontier的实际内存和它所有的存储容量加起来，得到762.2PB来进行估算，不过后者在实际中并不现实，因为通常很难将所有存储都完全当作内存来使用，会受到计算机架构、数据管理等诸多因素限制。无论在哪种情况中，祖冲之三号都展现出了远超传统超算的实力。
实验数据显示，“祖冲之三号”的性能超越谷歌72比特“悬铃木”处理器6个数量级，为目前超导量子计算的最强优越性。“量子计算优越性”是指量子计算机需要在特定的问题求解上，表现出超越经典计算机的能力，从而解决连超级计算机都无法在短时间内解决的计算任务。
在国内量子计算领域达成里程碑之际，海外进展亦频频涌现。就在上周，谷歌推出量子芯片Willow，首次实现“低于阈值”（在增加量子比特数量的同时减少误差）的历史性成就。从实验数据来看，Willow性能应与“祖冲之三号”内置处理器相当。
除此之外，亚马逊旗下云计算平台AWS亦于近期公布Quantum Embark（量子启航）咨询项目计划，旨在帮助客户了解用例、确定需要关注的相关量子技术，并最终就未来资源和长期量子路线图做出决策，为量子计算时代做好准备。
不过相较于谷歌、亚马逊等还停留在实验层面上的量子芯片产品或方面，我国量子计算科技实际上早已在工业领域落地。
02
量子变电站
11月29日，在2024年量子科技和产业大会上，国家电网宣布：国内首座量子应用示范变电站在安徽合肥候店建成并投入实用，站内集中示范了18类85台（套）电力量子“黑科技”应用成果，是国内首座应用覆盖量子测量、量子通信和量子计算三大方向的在运变电站。该示范站将持续验证量子技术成果在电力生产中的实际性能，为量子技术产业发展和技术攻关提供方向和趋势，为电力安全、经济、可靠运行提供新的手段和支撑。
以后合肥高新区的“世界量子中心”附近就能用上量子电力了，不知道对音响发烧友来说，量子电和火电、水电听起来有什么不同。
03
量子测量设备
在这座量子变电站中，我们看到了很多之前从未听闻的量子设备。
比如，利用量子效应提升电网各环节测量精度，提供全新运行监测手段的量子测量设备。包括量子电流互感器、量子一体式直流电能表、量子无损探伤仪、量子激光雷达、开关柜多参量传感器等，其中不少是首台套创新设备。
变电站中输送的电流不单电压高电流通常也非常大，电流互感器依据电磁感应原理，将高压一次大电流，通过一定的变比转换为低压二次小电流，从而便于人们进行测量，实时了解电网运行真实情况。
电力系统中传统的大电流测量主要采用电磁式电流互感器，电磁式电流互感器相当于二次侧短路的升压（降流）变压器，它的中心是个闭合的铁芯，两端绕有串联线圈，大电流一端匝数很少，im钱包官网下载测量仪表端匝数很多且阻抗很小，通过电磁感应公式和两个线圈的匝数比就能算出大电流一端的数据。
电流互感器的工作原理
传统电流互感器在现有超/特高电压环境下可靠性较差，稳定性不足。当电压过高时测量数据不够准确；铁芯容易因磁饱和问题而过热烧毁；无法准确测量故障大电流时的准确数据；还可能因使用不当造成二次绕组（仪表端）开路，这会引发严重漏电事故危及人身安全，这些都会影响电网的稳定运行。
量子电流互感器利用金刚石氮空位（NitrogenVacancy，NV）色心作为传感器核心元件，通过非接触测量磁场的方式对电线中的电子进行读取，使用激光和微波对金刚石NV色心进行量子操控，再经过一定的“解码”手段，能够十分精准地计算出一次大电流。和传统电流互感器相比，它的体积仅为过去的十分之一，重量轻巧，同时不易磁饱和，能实现对电流的高精度测量，且不会出现测量不准确的现象。
晶体中对可见光产生选择性吸收的缺陷部位被称作色心。生活中看到的黄钻、粉钻等都是由于金刚石色心的存在导致的。20世纪由于钻石大卖，不同产地不同杂质含量都会影响金刚石的光谱，在研究金刚石色谱差异的过程中，科学家对色心的氮空位、四族元素空位原理理解逐渐透彻并被应用到科研领域。
将金刚石切割成特殊形状（NV轴与金刚石表面夹角为35°），再把它放入氮离子环境中高温退火。这样金刚石晶格中两个相邻碳原子会被一个氮原子和一个空位取代，并捕获一个电子形成点缺陷，这就制造出了金刚石氮-空位（NV）色心。
这种金刚石NV色心发光缺陷的自旋量子态易受到周围的微波场和静磁场的影响，能够精确反应外界磁场的变化。
根据量子效应，这磁场导致的NV自旋的变化可以使用绿色激光读出和初始化，而使用微波能够对NV的量子态进行操控。因科学家对金刚石NV色心的这种独特物理特性研究更透彻，让它在量子传感领域有着重要地位。
04
量子通信设备
量子变电站，对调度自动化、配电自动化等多种有线/无线多种业务场景进行量子密钥加密，首次采用融合量子加密的国网统一密服平台为无人机巡检、巡检机器人业务提供量子加密应用。
当前为了实现电力调度自动化、配电自动化，需要更多使用自动化系统通过有线或无线方式控制来替代现场的人工操作。但电力安全不仅是技术问题，更是现代社会稳定发展和国家安全的基本保障。必须保证这些操作信号高度可靠，而量子密钥加密从根源上保证了通信不会被窃听和篡改。
量子密钥加密利用量子态的不确定性（量子无法同时精确预测其位置和状态，保证密钥无法被预测）、测量会改变量子态（保证密钥无法窃听）以及量子不可克隆（保证密钥无法复制）来实现理论上无条件的安全通信。
目前，金融、能源、电力等信息安全需求较高的领域已经使用偏振光子（BB84协议）或纠缠粒子（E91协议）来分发密钥，用户通过这些密钥对原文进行传统对称加密，由于任何窃听行为都会影响密钥的量子态，因此通信双方收到密钥就证明信道安全。2017年建成的2000公里长的量子保密通信干线“京沪干线”，经过测试能抵御已知的所有黑客攻击手段，保证1.2万用户的通信安全。
05
量子计算机大规模仿真
量子变电站验证了量子计算机大规模仿真技术，他们使用基于量子计算的专用电网潮流算法，先在超导量子计算机上对示范站区域内电网用电情况进行演算，然后指导真实电网分配与管理。
电网潮流是指在电力系统中，电能从电厂经输电设施传输到用户的过程。在这个过程中，电力系统中的电压、电流、功率等参数会随着电网中各种条件产生不断地变化。
电网潮流计算的目的就是在给定的电网结构和运行条件下，计算出电力系统中各节点的电压、相位角以及功率等参数，用于指导电网科学规划和安全运行，保证电力系统安全、经济和可靠。
他们开发的电力系统离散绝热变分量子潮流算法，通过离散绝热定理辅助大幅度降低了时间复杂度，将简化后的参数输入量子计算机，并使用变分量子算法求解。这种算法使用的量子资源较少，能够在误差不超过1%的情况下完成潮流计算任务。实践表明相比于传统的电力系统潮流算法，量子计算在处理大规模电力系统的优化时优势明显。
当我们还在讨论量子科技有什么用时，量子技术已经在电力行业的测量理论、传感器件、网络安全、大规模仿真等方面体现出颠覆性的突破了。
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编辑｜张毅
审核｜吴新
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