郭光灿院士：量子技术将如何彻底重构经济生活？

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作者：郭光灿，中科院院士、中国科学技术大学教授
一只猫是死的还是活的？这个二选一的简单问题却成物理学界一个著名的难题，它就是“薛定谔的猫”，在量子世界中，它是生死叠加的状态。你能想通吗？想不通很正常，因为这是量子世界，是物理学最前沿的研究领域。19世纪末，经典物理学已经趋于完善，它几乎完美地揭示了整个世界的运行规律，还催生了无数改变世界的技术和发明。但是，1900年，著名英国物理学家威廉·汤姆生·开尔文勋爵在展望二十世纪的物理学时表示，在物理学晴朗的天空上，还有两朵小小的令人不安的乌云。然而没想到，就是这两朵小小的乌云，却蕴藏着颠覆人类传统认知的巨大能量，其中一朵乌云后来为我们打开了神奇的量子世界！量子究竟是什么？它有哪些令人匪夷所思的特性？我们能用它做些什么？2016年，我国将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空，量子这个物理学最前沿的概念一夜之间成了社会热点。2019年初，IBM最新的量子计算机惊艳亮相。量子时代是否即将来临？发达国家在量子领域如何布局？我国的量子研究处在什么阶段？关于量子技术，大众观念存在怎样的误区？

郭光灿，中科院院士，中国科学技术大学教授，中科院量子信息重点实验室主任，长期从事光学和物理学的教学和科研工作，是中国量子光学和量子信息的开创者和奠基人，创建了我国第一个量子信息实验室。

一、什么是量子？它有什么特性？

什么叫量子？凡是运动规律遵从量子力学的那些客体，统统叫量子。

量子和我们所说的经典世界遵从的物理定律不同。那些遵从牛顿力学、电动力学经典物理的，叫做经典世界，这是一个大家很熟悉的世界，经典世界里的量都是确定的，所以我们生长在一个确定的世界里，而量子世界是一个不确定的概率性的世界。这两个世界有多大差别？比如说这个空间里有一个粒子，那么按照经典世界来描述，就是“在这个时间这个粒子在空间的哪一个位置”，这些描述都是完完全确定的，如果不确定的话，那么我们的导弹打飞机怎么打呢？只有它的轨迹是确定的，才能到哪儿就打哪儿。但是量子就不一样了，量子是不确定的。这个世界里面、这个空间有一个量子，这个量子可能是光子，可能是电子，可能是夸克，要问这个粒子在空间哪一个位置？量子力学告诉你它是不确定的，概率的空间上哪一点都可以找得到它，这个叫概率性，所以它是概率分布的。还有更不同、更奇怪的，比如一个粒子从空间的一点到另一点可以有几条路？这就像我要从合肥到北京，我可以选择坐高铁，也可以坐飞机，那就是有两条路。我到了北京以后，你问我怎么来的，如果我买的是高铁票，那么我坐高铁了就一定坐不了飞机，所以我就是走了一条路。这在经典物理上是确定的，我的运动轨迹是确定的。但要是量子的话，假设我是个量子，我从合肥到北京有两条路，有高铁，有飞机。我一旦过来了，你问我怎么来的？我说，我既坐高铁又坐飞机，两条同时来，为什么？因为量子是概率的，是不确定的，这是它的特点，这就很奇怪，但是自然界就是存在这种性质的粒子，它就按这种规律行事。所以我们不能不承认，你要去理解它。

（图中为嘉宾讲解时提到的“滑雪漫画”）

就像一幅滑雪的漫画中所表现的，滑雪都会留下痕迹，左边那个人，他滑雪的痕迹到了大树底下，树的两边都留下了痕迹，所以右边这个人回头一看，他就想不清楚了，这家伙是怎么过去的？两边都滑过去了。那么左侧这个人就可以看作是量子，量子不走一边，量子是两边一块儿走，它是不确定的。经典的这个人（图右侧）他想不通，因为他只能走一边不能走两边，因为经典世界一定是确定的，量子世界是不确定的，所以，量子会给我们很多新奇的体会。那么这些量子世界和经典世界不同的所有的性质，我们统统叫它量子性，比如说不确定性、概率性，还有量子纠缠、量子不可克隆等等，所有这些都叫量子性。

1900年，德国物理学家普朗克第一次提出量子的概念。他当时在解决黑体辐射的紫外灾难问题，他说，如果我们假定辐射场，辐射场包括电磁场、光场，在经典物理里面辐射场能量是连续的，如果我假定能量不连续，是一份一份的，那个实验我就可以用“普朗克公式”解释。量子的概念就这么第一次提出来，所以普朗克是第一个打开量子世界大门的科学家，也是我们量子领域的开宗鼻祖。在他之后，有很多优秀的物理学家共同创立了一个能够了解整个量子世界运行规律的理论，这个理论就叫做量子力学。量子力学是现在人类最成功的理论，量子力学能够把所有的量子、粒子的行为都预言出来，所以我们对量子的理解已经超越了普朗克当时的概念。他当时说辐射场的最小能量单元，后来我们叫光子，光子是量子，但量子不一定只有光子，电子、原子和夸克、微观粒子都是量子，因为它们都具有共同的性质，它们的行为都受到量子力学的指引。所以，我们现在对量子的理解更深刻了。

最近几十年，科学家们在做一件事，我们能不能把量子世界这种奇怪的量子性开发出来，来为我们经典世界的人服务？能不能开发出一种技术，拿到我们经典世界来，让我们能够拿这种技术来工作？这是可能的，不但可能，而且量子世界所开发出来的技术，比在经典世界里开发出来的技术还要好，性能还要好得多。我们的经典技术现在发展得非常快，从电脑、互联网到5G、人工智能，这些经典技术发展到一定程度，它的性能到了极限，就没法再提高了。经典技术的发展一定有一个极限，这个极限是物理定律限制它的，这叫物理极限，你突不破的。那再往下走还有没有可能？有，这就要靠量子，因为量子器件、量子技术的性能远远超过经典技术。所以，量子为人类提供一种新的技术，一旦经典技术到头了，没法再往下发展了，人类往下一步跨越，就得靠量子技术，所以量子技术是下一代人类的新技术，这就是我们的量子的概念。那么，量子技术的时代是不是已经到了？它什么时候来？这是大家很关切的问题。

量子计算机被认为是当今最有前景的前沿技术之一，因为量子计算机可以比传统计算机处理更多的数据，并有望改变整个世界。在2019年的国际消费类电子产品展览会上，IBM公司研制的最新量子计算机惊艳亮相。这项被公认的颠覆性高科技是不是即将走进我们的生活？“量子霸权”又是什么? 在这场关乎未来的信息生产力的大角逐中，谁在领跑？谁在跟跑？

二、通往量子时代该如何布局？

量子计算机有什么优点？电子计算机的特点是串行运算。就是说它的数据库里每一个时间就存一个数据，它是确定的，你要解问题就要操控它，操控一次就把这个数据变成另一个数据，再操控一次就变成另一个数据，直到把程序算完为止，再快的计算机也是这么做的。这样算有快有慢，但是最后都是一步一步往下串，这叫串行运行的模式。量子计算机把0和1同时包在里面计算，所以它的特点是概率的，是不确定的。那么量子存储器，一个时间可以同时存多少个数据？答案是2的N次方的数据。N是什么呢？就是量子存储器的数目，它随着数目指数上升，操纵一次就可以把这么多2的N次方的数据变成另外新的2的N次方数据，所以每一步操作是并行运行的，这是天然的量子性决定的它的特点。

量子计算机是并行运算，并行运算处理数据能力就会极强。有多强呢？我们大家都记得一个故事。古代印度有一个传说，说国王想奖赏他的宰相，因为他的宰相发明了国际象棋，国王问他需要什么奖赏，宰相把64格的棋盘拿出来，他说我要第一格放一粒麦子，第二格放两粒，第三格放四粒，以后每一格都是前面的一倍，按照这样放满了就行了。国王一听，觉得很简单，能够满足他，然后就开始放麦子，才放了一半，全国麦子一袋接一袋运来都没有放完。因为这个问题可不是简单指数增长的问题，64个格子看上去好像很小，但按照指数增长不得了，要把棋盘的麦子放满，需要整个地球花五百年生产的麦子才够！现在的量子计算机就在以指数增长的速度超越电子计算机。

所以真的量子计算机做出来，它的能力有多强？速度有多快？这是难以想象的，吸引人的地方就在这儿。但是这么好的东西怎么不做？因为问题来了，量子计算机的优点在于量子特性，而量子特性非常脆弱，一旦做出来量子计算机，它的量子性就破坏掉了，它的优点就没了，那么它的并行运算又回到串行运算了，优势就没有了，所以你要把相干性弄长才行。但是在宏观世界，任何一个物理体系的相干性都比较差，相干时间，就是保持量子性的那段时间是很短的。举一个例子，比如超导量子计算机。科学家花了13年把超导的相干时间提高了5万倍，达到100个微秒，这个是很大进展！在宏观世界里，100微秒太小了，但是在量子世界里，100微秒已经很长了，足够算很多东西了。这种相干性的提高让科学家很兴奋，相干性一突破，量子计算机就有可能比较快地做出来，所以各个国家就开始投入量子计算机的研究。

美国人在2010年提出，要在五年之内，搞几十个量子比特的量子计算机来供科学家做科研用。然后美国所有的军工实验室、高校实验室和各大公司都投入到量子计算机的研制当中，尤其是公司，他们的投入非常大，因为他们的目标就是占领未来的市场。现在闻到这个市场快来了，不再是遥远未来的事了，大家都想抢这块蛋糕。几乎所有大公司都投入了，这个投入对促进量子计算机的发展是很有用的，因为他们有资源，研制量子计算机的速度就可以加快。欧盟也不落后，它花了10亿欧元，搞了一个量子宣言，从去年就开始启动，它把所有的量子技术都作为它的发展对象，其中，他们打算15年以后，做一个实际可用的通用量子计算机。在澳大利亚，整个国家也做量子计算机，它不做超导，而是做硅基的量子计算机。

整个来说，量子计算机处在一个从晶体管向集成电路过渡的阶段，电子计算机就经历过这个阶段，现在量子计算机也差不多走到这个阶段了。最近这几年是研制量子计算机最关键的年份，所以我们会不断听到国际上、国内外在这方面的一些进展。那么究竟量子时代什么时候能到来？我们碰到两个困难。第一个困难，量子器件是我们宏观世界的人要用的，所以是宏观器件，宏观器件又是做量子的，所以实际上，这是人造的量子系统，人造的量子系统它的相干时间就非常短，所以我们要在宏观世界上保持它的量子性不消失掉，一消失了它的功能就丧失掉了，那就又回到经典的时代了。所以我们如何确保它的量子性不消失掉，这是个很大的困难，这个困难阻碍着我们的快速发展。另外一个困难，就是人类要操控量子计算机，比如说我们人类掌握的经典器件，我用经典器件去操纵一个量子比特，让它按照我需要的方式运行，到哪儿去控制它？这就是对于量子世界的调控，这个技术人类还没有掌握的非常成熟。

我们可以命令火星上的一个探测器把矿拿出来做光谱分析，再把分析的数据发到地球，为它们进行精确的控制，这叫经典操控。人类的经典操控技术已经达到非常高的水平，可我们对量子世界才刚开始操控，我们的技术还很落后。2012年，有两个物理学家得到了诺贝尔物理学奖，因为他们操控了单个粒子、单个原子和单个光子，这是很重要的进步，他就操控了一个，就得了诺贝尔奖。而我们现在面临的是量子计算机成千上万的量子处理器，我们要控制它，这个难度很大，所以人类还得有一段时间来学习怎么控制微观世界。量子技术虽然是量子力学预言的产物，原理上肯定是正确的，但是真正要研制成实用的量子还是一个很艰难的过程，不是一朝一夕所能做得到的，这就是现状。

什么时候做到呢？一个时代到来一定有个标志性的东西，这个标志性是什么呢？就是通用量子计算机得到实际应用，到达那个时候我们就可以宣称量子时代到了。

通用量子计算机什么时候做到呢？需要三步走。

第一步，要做一个量子力学操纵的处理器。IBM做到了，他们今年就发布一个器件，这是一个完全按量子力学运行的、用处不是很大的量子处理器，第一步做到了。第二步，要增加量子比特数。现在量子比特数是20个，要增加到100个左右。到了100个以后，量子计算机的运算能力就会远远超过现在电子计算机任何超算中心的能力，这叫量子霸权。霸权这个名字不太准确，但是有点霸气，就是天下它最高、速度最快，没有人能比过它，但是它仍然不是通用的量子计算机。第三步是最终的，就是要把比特数继续增加，现在到了100个，还要做到大概1000个、10000个那样的数，比特数要大大增加，然后还要采取容错、纠错的办法，把相干时间拉得足够长。任何复杂问题在量子计算机都能够运行，都不会死掉，到那个时候才是真正的通用量子计算机，而且你不仅仅要在实验室做成，你要把它做成仪器让大家用，就是能够广泛使用。

我认为通用量子计算机能实际应用的时候，我们就可以宣称我们已进入到量子技术的时代。但时间还不确定，这可能要十五年、二十年......

一旦量子计算机做成了，我们人类到底能得到什么好处？

第一个例子，它可以破译密码。当前我们广泛公开用的密钥，像银行的密码、老百姓商用的、常用的一些其它的密码，它安全不安全，就取决于你能不能用计算机把一个大数N分成两个素数（质数）相乘。曾经做过把129位数字分成两个素数（质数）相乘的实验，1994年用有1600台电子计算机的工作站，一共花了8个月才把它分出来了。但是如果N拉长，拉到500位，同样的运算能力需要多长时间呢？需要的时间比宇宙年龄还要长，也就是说宇宙毁灭了，我们才破完了这个密码，我们等不起。所以电子计算机时代还可以用这样一种公开密钥，还是安全的。量子出来了就不一样了，如果我们有一个2000个量子比特的量子计算机，哪怕是量子霸权，只要一秒钟我就可以分解了你的数，我再拉长500位，几分钟也能破了。所以一旦量子计算机做成了，现在广泛使用的公开密码全都要破。

第二个例子叫搜寻算法，就是说如果想要在数据库里大量的无规数据中找到一个特定的信息，比如说有N个条目的电话号码本，我忘记想找的号码在哪个位置了，要是电子计算机，它怎么找？它是一个一个找，找一个比较一下，如果不是，就扔掉，这样要找多少次？找N次。如果用量子计算机来找呢？只需要找根号N次，比如说N等于100万，电子计算机要操作100万次才能找到，量子计算机只要找1000次就能找到。而且这个搜寻问题是非常广泛运用的问题，所以量子计算机在这种领域大有可为。

还有一个例子，比如说我们要设计一个能够识别预制病毒活性的RNA(核糖核酸)分子，要设计这个分子，通常怎么做呢？就是我要在计算机模拟各种各样的组合，看哪一个分子最有效，来达到这个目的，都是这么做的，都是大海捞针去摸出来的。原子，化学键它们都是量子的，这个量子用电子计算机模拟是很难的，但是用量子计算机就行，所以量子模拟可以模拟一些电子计算机模拟不了的。像很复杂的物理体系，量子计算机能模拟出来，还有些理论上算出它可能存在，但是自然界根本不存在的东西，也可以用量子计算机模拟研究，所以量子模拟是很有用的，这可能很快就能达到实际应用。量子技术除了量子计算机、量子模拟，还有个量子密码。我们前面说的密码，它的安全性都靠数学难题，但量子密码靠物理，靠量子力学。量子力学是对的，我靠着量子力学的原理，造出一种新的保密方式，这样从物理角度给我们提供了一种信息安全的手段。像量子传感，我们知道有好多传感器到处都用。传感可以测量温度、电场、磁场，比如潜水艇的核动力磁场很敏感，你要能测到它的磁场，你就能发现它等等。这种传感器到处都用，但是这种经典传感器到了一定程度，性能就提不高了，在性能方面，它的灵敏度，它能传感什么量？最大的量是哪个量？再比它再小了，它就不反应了，这就是它的物理极限。而量子传感可以存够好几个量子，提高它的灵敏度，就把量子传感的这种灵敏度、精度大大提高。所以所有这种可能的应用技术都是一代新的量子技术，它都会逐渐来到我们社会，为我们人类服务。

有人说，量子技术可以实现信息“超光速传输”。还有人说，量子技术可以像科幻或者神话里描述的一样，将物体，甚至是人从一个地方瞬间传送到另一个地方。量子技术是否能将人类的想象变成现实？

三、有关量子技术的误区有哪些？

有关量子技术的误区来源于有两个。

第一个，量子本身就很神奇、很奥妙。因为我们的人处于经典世界，我们熟悉的是经典物理。我们对量子奇奇怪怪的性质，根本就觉得它不可能，但是它又是自然的客观存在。一个量子世界，它的性质并不是人们觉得奇怪就不存在了，它的确是客观存在的。所以量子本身就很神秘，我们不好理解，这是容易产生误区的一个原因。

第二个原因是人为的，就是我们的宣传误导了。我们讲两个例子，第一个例子，量子纠缠可以实现超光速的通信。说量子纠缠好神秘，通过超光速不需要时间，这个说法从哪儿来的？是从纠缠来的。纠缠这个名词是学界很早提出来，但纠缠真正引起大家广泛兴趣跟讨论的是因为爱因斯坦的贡献。爱因斯坦1935年和两个年轻人写了一篇文章，这篇文章的目的是要质疑量子力学对不对。虽然爱因斯坦本人对量子物理的发展很有贡献，但是他后期对量子世界那种概率性、不确定性是非常讨厌的。他有一句名言说，他不相信上帝创造世界是按掷骰子的办法来创造，他说怎么可能是概率的呢？不应该，所以他一直质疑量子力学对不对，他开始挑量子力学的毛病，质疑量子力学逻辑上有没有错误。但是他每次都失败，他发现量子理论本身很自洽，要挑它的逻辑性错误是不可能的，所以1935年他改变了争论的策略，不挑量子力学逻辑性的错误，当然他也挑不出来，而是开始挑量子力学完备不完备。什么叫完备不完备？量子力学虽然是一个完整的理论，但这个理论有没有能力把世界的现象都搞清楚呢？为什么搞不清楚？因此他就从量子力学的基本原理出发，推导出一个奇奇怪怪的现象，他认为这个现象绝对不可能存在，毛病就出在量子力学理论上，爱因斯坦认为它不够完备，不足以描述世界，才出来一个怪东西。他想采取这个办法，那这个怪东西是什么呢？它跟纠缠有关系。我们有两个例子A和B，A自旋要么向上，要么向下，只有两种可能，那它自旋到底是向上、向下？不一定，不确定，所以它就有50%的概率向上，50%的概率向下，因为量子世界就是不确定的，B也是这样，只有向上、向下。现在爱因斯坦要造一个A和B共同的系统，这个系统非常特殊，就是不管A和B的自旋在哪儿，它们两个自旋总是相反，我把A送到地球，B送到远方的月球。为什么爱因斯坦要送那么远呢？他说这样A和B就没有发生关系了，我作用A不会影响到B。然后爱因斯坦就问说，如果我在地球上测量A了，发现它向下，那么月球上那个B不需要时间，马上就要向上，为什么呢？因为它们两个总是相反，这是它们共同的性质，不管你是月球还是地球，它们两个的性质，它们的自旋总是相反的，这是A和B的性质，是共同的性质。就是说，A已经是向下了，那么B肯定向上，如果A不测量，那么B有一半概率向上，有一半概率向下。如果先测量A，B发生了变化，那应该有个什么东西过去才会变。我们现在不做这样的实验，我把A和B同时测量，没有先后，没有因果了，我不需要任何信息传过去，或同时不传什么，发现得到的结果一样，A只要向下B一定向上，A要向上B一定向下，这个很自然的，它们总是相反。这个性质使它们纠缠，纠缠就是这个性质。说这里并没有超光速，如果不信的话，我们可以再把实验再做大一点，我做100对纠缠，我将100个A放到地球，100个B放在月球，然后同时测量A和B，测量出A的向上、向下是随机的，有向上、向下完全随机数，你看不出什么来，B也是随机的，有50%的概率向上，50%的概率向下，平均来说看不出名堂。但是你把A和B这两个随机数碰到一块儿，你就发现很奇怪的现象。凡是A、B成一对的总是相反，A在这个随机数上是向上，在那个随机数是向下，所有的都如此。这说明什么？说明它们两个是完全关联的，是一种量子关联。所以纠缠幽灵的本质，就是量子关联，量子关联所发生的瞬时变化，不需要传递任何信息，根本就没有信息的传递，没有信息的传递就谈不到超光速的信息，对不对？所以说，爱因斯坦当初提的这个实验是为了证明量子力学不完备，没有想到最后给量子力学证明了一个叫“非局域现象”。

量子关联是量子力学非常基本的性质，所以现在提供很有用的工具，叫EPR效应，这是量子力学的一个基本的效应。什么叫EPR效应？我做了一个比拟，比如说一个母亲在北京，她女儿在深圳结婚，生孩子，孩子生出来那一瞬间这个在北京的母亲就自动变成外婆，这就是EPR的效应。也就是说，尽管她女儿没有告诉她，她妈妈也不知道她女儿生孩子，但是，这件事情一定是同时发生的。她女儿都变成母亲了，她母亲在身份上肯定要往上升一级，变成外婆，这就是关联。什么关联？母女身份的关联。不管两个分得多开，也一定是关联的，她生孩子的瞬间，她的身份一定马上就变化了，跟这个纠缠一样。纠缠是两个粒子是总是相反的，我在哪儿测量，它一定变。所以，科学的对纠缠的理解，就是没有任何信息的传递，也不可能拿这种纠缠开发到我们世界里做超光速通信，这是绝对做不到的。

第二个例子，说量子技术可以将人瞬时地送到另外一个星球，有人说我们到纽约去，以后不用买飞机票，一下子就过去了，这多方便。但这到底能不能做到？绝对做不到！他们有什么根据说出这句话呢？是根据一个实验，叫做“量子隐形传态”。

什么叫做“隐形传态”？就是说，一个电子，它携带一个量子信息，要把量子信息传到远方，同时信息的载体不传过去，这是很难的。在经典世界里，我说话的信息传到你那儿，它的载体就是声波；电台放到你家里，它的载体是无线电波，所以信息传递都要载体。“隐形传态”提出，不把载体送走就可以把信息传过去，这一般都做不到。但有个物理科学家说做得到，把经典跟量子一块儿来用就可以做，所以确实能够把一个电子的信息传到远方去，放到另外一个电子身上和另一个原子身上都可以，但这个里面需要两个条件，一个是纠缠、一个是经典通信。

只要用到经典通信就绝对不可能超光速，那经典有没有超光速？经典通信是必须的，因为没有经典通信，这个过程根本做不成。要是做成了，一定是有经典通信，有经典通信就不会超光速，所以“隐形传态”，你把一个态传到那儿去，绝对不可能超光速。提出这种说法就是对这个实验没有理解清楚，所以他认为，人好像就可以过去了，没有。所以这个绝对不可能是技术上不完整，而是原理上根本做不到。

这两个例子，在外面影响非常大，把量子力学、量子信息搞得更神奇、不可比。当然还有些比较简单的，比如，现在市场已经有好多量子产品了，你可以到处听到广告，像量子水、量子按摩、量子鞋垫、量子医学什么等等都有，这些全部是假的！量子按摩是不是量子的？得看它是不是用量子力学的原理按摩，它根本用不着，怎么能叫量子呢？这就看它有没有需要用量子力学的规律来做运行，如果根本沾不上边那全部都是假的。所以，这些完全是商业炒作，大家不要上当。撒贝宁在《开讲啦》说，凡是用钱能够买到的量子产品全是假的，我认为他讲得很对。现在没有一个量子产品能够到广大群众、到千家万户那里去让大家用，还没有到这个时候。这种宣传不实，这是把把量子科学变成玄学了，因为说到超光速，人家就想起灵魂，然后就想起妖魔鬼怪，然后想起宗教等等，凡是世界上搞不清的内容全都归到量子纠缠去，好像那样子才能解所有的问题，不是的。量子纠缠是量子世界独有的现象，超过了量子世界，就没有纠缠这个概念。所以把人体的一些活动，什么生理的活动什么都归到量子纠缠，这是不对的。

量子力学是人类到现在为止最成功的理论，凡是量子力学预言的东西，到现在所有实验都得到证明。量子信息技术也是量子力学推导出来，所以原理上一定是正确的，尽管技术上比较难，但只要慢慢做，就一定能做成。一旦量子技术到来了，人类社会就会进一步发展，生产力会发展到一个新的阶段，我们把这个阶段称为“第二次量子革命”。所以，我们现在正在迎接“第二次量子革命”的到来，量子信息技术就是未来新一代的技术！

来源：中国经济大讲堂

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