2021年4月14日是第一个“世界量子日”。世界量子日源于全球超过65个国家的量子科学家的共同倡议，旨在促进公众了解并讨论量子科学技术，认识它将如何引领未来的科技革命及如何影响人类社会。

量子力学和相对论是现代物理学的两大基石。从20世纪初普朗克提出“量子论”到20世纪20年代薛定谔波动方程等量子力学基本理论的形成，人类社会经历了“第一次量子革命”，半导体晶体管、激光、核磁共振、高温超导材料等现代技术问世，推动材料、医学、化工等领域实现跨越式发展。20世纪末，科学家在对量子纠缠展开大量实验研究的过程中，实现了对微观体系量子态的精确检测与调控，开启了“第二次量子革命”，结合计算机科学原理，实现信息获取、处理和传输的量子信息技术，将量子理论的研究与应用提升到新的高度。

量子计算是量子信息科学的一部分，是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。这一概念最早由美国物理学家费曼于1981年提出，他构建了一个利用量子体系进行计算的抽象模型，推动了量子理论与计算机科学的结合。1985年，英国物理学家多伊奇设计了量子计算机的雏形，提出了“量子图灵机”，完成了与经典图灵机模型的对应，标志着量子计算机的研究步入轨道。从理论上来说，量子计算机是利用量子力学的基本原理计算、存储和处理量子信息，从而实现量子计算的机器。1994年，美国物理学家肖尔提出了首个量子算法，证明量子计算机可以高效地解决大数分解问题，并可能破解广泛使用的RSA公共密钥体系，引发了全世界的广泛关注。

量子计算的独特优势主要体现在三个方面：一是量子存储器拥有巨大的存储能力，二是量子计算具备真正的并行性和整体性，三是某些量子算法具有加速能力。量子计算构建的新一代计算体系极具应用价值。一方面，其在处理海量数据并行运算方面的优势，可以广泛应用于人工智能、金融建模、密码解析等领域;另一方面，其在模拟原子分子演进方面的优越性，可优化目前生物医药、材料化工、能源开发的计算模拟方式。

近年来，量子计算在理论和实践领域的发展都十分迅速。在理论层面，科学家已经能够演示量子计算机的工作原理、量子逻辑门操作、量子算法和量子编码等，证实了量子计算机的实现在理论上不存在不可逾越的障碍。在实践领域，量子计算机的研发也取得了突破性成就。量子计算机的发展可以分为三个阶段：实现量子优越性、实用化的量子模拟机和可编程的通用量子计算机。首先是实现量子优越性，量子优越性是指量子计算机对于某一问题拥有超越现有经典计算机的计算能力。2019年10月24日，谷歌研发出一款可对53个量子比特进行运算控制的超导量子芯片“Sycamore”，其能够在200秒内对一个53比特的超导电路系统采样100万次，而当时最强的经典超级计算机“Summit”需要花费1万年时间才能得到类似的结果。据此，谷歌宣称其率先实现了“量子优越性”。2020年12月4日，中国科学技术大学潘建伟等学者成功构建了76个光子的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”，其求解5000万个样本的高斯玻色取样仅需200秒，而截至2020年世界最快的超级计算机“富岳”需6亿年。“九章”等效地比谷歌2019年发布的“Sycamore”快一百亿倍，让我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。下一阶段的目标是制造专用的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的、具有重大实用价值的问题，到达这一阶段至少需要操纵几百个量子比特。最后一个阶段是可编程的通用量子计算机，一旦研制出通用的量子计算机，将在许多领域产生颠覆性影响。

量子科技发展具有重大的科学意义和极高的战略价值，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。当前，世界各国高度关注量子科技发展，纷纷加大政策和资金支持，抢占量子科技国际竞争制高点。2020年10月16日，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强调，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。我国的量子科技研究虽然起步较晚，但后来居上，目前已在量子通信及密码技术方面占据世界领先地位。近年来，我国不断加大对量子科技研究的政策和基金支持，促进量子科技的技术研发和产业化落地。量子科技研究领域取得了哪些成就，还存在哪些技术困难？量子科技有哪些具體的应用场景？如何推动量子科技快速发展？本期特别策划聚焦量子科技的现状与发展前景，邀请相关领域的权威专家学者从不同学科视角深入探讨。敬请读者垂注！

——《学术前沿》编者