量子世界

一個事物如果存在最小不可分割的基本單位，我們就可以說它是量子化的，并把最小單位稱為量子。

日前，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習。量子科技成為輿論關注的熱點話題。

認識量子科技先要從量子說起。量子是什么？根據量子理論，量子是構成物質的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。一個事物如果存在最小不可分割的基本單位，我們就可以說它是量子化的，并把最小單位稱為量子。所有人們熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現形態。

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什么是量子

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中國科學院物理所研究員曹則賢在2020年跨年科學演講中曾打過這樣一個比方：我們生活中可以見到的、感知到的事物，包括光與能量的最小單位都能稱之為量子。就像我們遠處看魚群是烏泱烏泱的一片黑，但是放大了看就是一條條魚，這就可以說是魚群的量子。

量子指的是物質不可再分的基本單元。通俗來說，如果把能量等物理量一份份往下分，分到無法再分的小塊就是量子。例如，光量子就是光能量的基本單元，不可能再分為半個、1/3個光子。事實上，我們在物理課上所學到的分子、原子、電子等，都是量子的不同表現形式。

1900年，德國物理學家馬克斯·普朗克提出量子理論，開啟了研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支。120年來，全球幾代科學家孜孜以求，在量子理論、量子科技及其應用等領域開疆拓土。

在宏觀世界中，牛頓經典力學可以幫助我們理解和測算物體的運動、速度等規律。但在量子微觀世界中，許多規則卻與我們的認知截然不同。其中的兩個基本原理就是“疊加”和“糾纏”。

疊加原理，最經典的理論莫過于神秘莫測的“薛定諤的貓”。根據量子力學理論，物質在微觀尺度上可以同時存在多種狀態和多個位置的“疊加”。

為了解釋疊加狀態，奧地利物理學家薛定諤在1935年提出了經典理論：將一只貓關進裝有少量鐳和氰化物的箱子里，如果鐳發生衰變，就會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死;反之，貓就存活。在量子世界中，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加，“可憐的”貓咪便處于死貓和活貓的疊加狀態。

更為神奇的是，如果想要測量量子，它便會從疊加狀態變為確定的狀態，就像是如果有人懷著好奇心去打開箱子，便只能看到一只死貓或者活貓。

一個量子可以“疊加”多種狀態，多個量子則會產生“糾纏”的奇妙反應。兩個處于量子糾纏狀態的粒子，就像雙胞胎的心靈感應一樣。無論相隔多遠，當一個量子的狀態發生變化，另一個量子也會超“瞬間”發生變化。對于詭異的糾纏現象，愛因斯坦在當時也難以作出解釋，將其稱之為“鬼魅般的超距作用”。

中國科學技術大學副研究員、科普專家袁嵐峰在媒體上這樣撰文解釋：量子的本意是個數學概念，簡言之就是“離散變化的最小單元”。什么叫“離散變化”？袁嵐峰這樣撰文解釋：我們統計人數時，可以有一個人、兩個人，但不可能有半個人、三分之一個人。我們上臺階時，只能上一個臺階、兩個臺階，不能上半個臺階、三分之一個臺階。這些就是“離散變化”。對于統計人數來說，一個人就是一個量子。對于上臺階來說，一個臺階就是一個量子。如果某個東西只能離散變化，我們就說它是“量子化”的。

與我們認識的宏觀世界不同，人們發現在量子這一微觀世界中許多實驗現象違背常識，完全無法用經典物理學詮釋。比如，根據經典物理學，一個客體的狀態（用0和1表示）就像最簡單的二進制開和關，只能處于開或者關中的某一個狀態，即要么是0要么是1，這就好比一只貓，要么是生要么是死，不能同時“又生又死”。

然而，這一理論并不適用于量子世界。在量子世界中，一只貓可以處于又生又死的疊加狀態。這種所謂的量子相干疊加正是量子世界與經典世界的根本區別。更為神奇的是，這種疊加狀態極其脆弱，一旦有人去測量，它就會立刻從疊加狀態變為確定狀態。

美國物理學家、諾貝爾獎獲得者穆雷·蓋爾曼曾發出如是感慨：量子力學是一個神秘的、令人捉摸不透的學科，我們誰都談不上真正理解，只是知道怎樣去運用它。

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量子通信無條件安全

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量子理論誕生100多年來，催生了許多重大發明，核能、激光、半導體等科技得以問世，進而發展出計算機、互聯網、手機等重大應用，改變了人類文明進程。今天，量子科技發展具有重大科學意義和戰略價值，是一項對傳統技術體系產生沖擊、進行重構的重大顛覆性技術創新，將引領新一輪科技革命和產業變革方向。

雖然聽起來很神秘，其實量子科技距離我們并不遙遠。比如，信息時代的關鍵核心技術，晶體管、固態硬盤、掃描電子顯微鏡等，即是第一代量子技術的代表性成果。今天，量子科技發展具有重大科學意義和戰略價值，將引領新一輪科技革命和產業變革方向。

中國科學院物理研究所研究員范桁介紹，量子科技主要包含三方面內容，量子計算、量子保密通信與量子精密測量。其中，量子保密通信主要表現為量子密鑰分發。量子精密測量主要以利用量子效應實現超越經典方法的精密測量為主，具有廣泛應用價值。量子計算是量子科技重要組成部分，也是最具挑戰的目標，被認為是下一代信息產業制高點，意義重大。這三方面內容也是世界各國量子計劃的主要組成部分。

目前，應用最為成熟的當屬量子通信。所謂量子通信，簡單說就是利用量子力學相關原理解決信息安全問題的通信技術。其中，一個著名原理就是量子糾纏。一般情況下，量子體系中一個物理量的值并不能預先確定，而是依賴于采取何種測量基;進一步，對處于量子糾纏的兩個粒子，對其中一個粒子的測量結果會瞬間確定另一個粒子的狀態，不論它們相距多么遙遠。這一被愛因斯坦稱作“鬼魅般的超距作用”，便是量子通信的理論基礎。

傳統通信方式建立在加密算法或者加密技術基礎之上，如果計算能力足夠強大破解了加密算法，就有被竊聽風險。量子的獨有特性，使其具有不可克隆、測不準等“先天優勢”。用量子做成的“密鑰”來傳遞信息，加密內容不會被破譯，竊聽者必然會被“抓包”，這為破解信息加密“瓶頸”提供了解決方案。

2016年8月，中國發射了自主研制的世界上首顆空間量子科學實驗衛星——“墨子號”。《自然》雜志曾評價道，在量子通信領域，中國用了不到10年的時間，由一個不起眼的國家發展成為現在的世界勁旅，將領先于歐洲和北美。

近年來，中國量子通信技術取得多項突破性進展。“墨子號”的發射為通過太空“量子傳密”提供了可能。實驗表明，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比地面光纖信道高1萬億億倍，衛星平均每秒發送4000萬個信號光子，一次實驗可生成300千比特（kbit）的密鑰，平均成碼率達1.1千比特/秒（kbps）。

與此同時，中國科研人員還利用量子衛星在國際上率先成功實現了千公里級的星地雙向量子糾纏分發等成果。2017年，全球首條量子保密通信骨干網“京滬干線”項目通過總技術驗收。

今年，中國科學家在量子通信領域同樣取得諸多成果——

3月，中國科學技術大學潘建偉團隊等研究人員實現了500公里級真實環境光纖的雙場量子密鑰分發和相位匹配量子密鑰分發，傳輸距離達到509公里，創造了新的世界紀錄。

5月，中國科研團隊在國際物理學權威期刊《現代物理評論》上發表論文，系統闡述了量子密碼的原理、理論和實驗技術，為量子密碼的廣泛應用以及標準化制定奠定了基礎。

今年9月，郭光燦院士團隊與奧地利同行合作，首次實現了高保真度的32維量子糾纏態，顯著提高了量子通信的信道容量，創造了當前世界最高水平。

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量子計算潛力無限

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除了量子保密通信，科學家們密切關注的另一個重要應用是量子計算機。

在古代，人們就已制造出了可做一定計算的器具與機器。比如，中國發明的算盤，歐洲早期發明的各種計算器械。現代意義上世界第一臺計算機名為埃尼阿克，它重達27噸，占地150多平方米，在1945年建造成功，目的是計算炮彈彈道。馮諾依曼1945年明確提出了存儲程序通用計算機方案，規劃了電子計算機架構，使得計算機可以被廣泛應用。

“但是，現有計算機基于微處理器芯片摩爾定律，這無疑會碰到技術瓶頸，于是人們開始思考建造一種全新計算機——量子計算機。”根據范桁的介紹，量子計算機的運行遵循量子力學原理，以量子比特為基本信息單元，以量子糾纏、相干疊加和量子測量為特色，其發展也將遵循經典計算機類似的軌跡。“不過，我們現在看到的量子計算機原型機功能比較單一，只能模擬某些特定量子過程，或者解決某些簡單問題。”范桁說。

近年來，在量子計算領域，世界各個科技發達國家群雄逐鹿，IBM、谷歌、微軟等企業你追我趕，通過不同技術路徑實現對更多量子比特的操縱。去年10月，谷歌研究人員在《自然》雜志發表論文稱，已成功演示“量子霸權”，讓量子系統花費約200秒完成傳統超級計算機要1萬年才能完成的任務。

所謂“量子霸權”，即量子計算機在某個特定問題上的計算能力超過傳統計算機，解決傳統計算機在合理時間范圍內無法解決的復雜難題。盡管多方對于谷歌的研究成果仍存質疑，但毫無疑問，量子計算機已經接近超越傳統計算機的運算能力和應用前景。

不僅如此，與經典算法相比，人們已知運行于量子計算機的某些量子算法具有明顯優勢。比如，肖爾算法和格羅夫量子搜索，它們都在信息安全方面具有重要應用，這些算法的實用化運行將迅速對現有信息安全體系造成全面沖擊。在實用性方面，量子搜索算法可以期望應用于大數據;量子退火算法可以應用于優化問題，比如物流和交通優化等;量子模擬可以被應用于量子化學和量子物理研究，比如生物合成和藥物篩選等;量子模擬向量網絡態可應用于機器學習和神經網絡等。既然如此強大，量子計算機何時能從夢想照進現實？范桁坦言，量子計算機的研究剛剛起步，距離實用化需要的成千上萬個量子比特仍有較大距離。此外，量子計算機的建造兼具工程與科學特色，不可控因素較多，技術上也有瓶頸需要克服。因此，需要各領域專家聯合攻關，在集中資源重點突破的同時，兼顧多種技術路線。

比如，IBM等高科技公司逐漸擺脫了單純科研探索模式，以實用化、集成和綜合性為目標，其研發涵蓋軟硬件各個方向，實現方案大多選擇了超導量子計算方案，以提供云量子計算服務，培養量子計算生態作為一個重要的目標。

通過科學家的奮力追趕，在量子計算領域，中國整體上與發達國家處于同一水平線。近年來，多支科研團隊在量子計算領域取得階段性成果。去年年底，潘建偉等學者與德國、荷蘭的科學家合作，在國際上首次實現了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，在四大關鍵指標上均大幅刷新國際紀錄，逼近實現量子計算研究的重要目標“量子霸權”。

而在企業方面，百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業也相繼出臺了量子計算研究計劃。今年9月，中國企業自主研發的6比特超導量子計算云平臺正式上線，全球用戶可以在線體驗來自中國的量子計算服務。

當前，在量子科技領域整合科技資源、集中力量突破，已在主要發達國家中形成廣泛共識。歐美發達國家的政府、科研機構和產業資本正在加速進行戰略部署，大幅度增加研發投入，對中國取得的局部領先優勢發起強烈沖擊。

近年來，我國科技工作者在量子科技上奮起直追，取得一批具有國際影響力的重大創新成果。經過30多年努力，中國已崛起為國際量子科研版圖上的重要力量，在多個戰略方向上實現領跑或進入第一陣營。

對此，潘建偉指出，量子科技是事關國家安全和社會經濟高質量發展的戰略性領域，必須將創新主動權和發展主動權牢牢掌握在自己手中。特別需要面向長遠目標，通過國家層面的頂層設計和前瞻布局，整合優勢資源形成自主創新的體系化能力。

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◎ 來源|綜合經濟日報、人民日報海外版