擁抱量子科技革命

楊先碧

1900年，德國科學家普朗克提出“量子”的概念。自那以后的120年里，量子科技快速發展，改變世界的新成果不斷涌現。現在，我們正在擁抱第二次量子科技革命，它將推動人類文明再上新臺階。

身邊的量子科技

1900年之前，物理學家認為物理量的變化是連續的。1900年，德國科學家普朗克認為物理量的變化是一份份的，按照整數進行變化，由此提出了“量子”的概念，深刻地改變了人們的傳統觀念。

量子力學幫助我們理解宇宙萬物，從光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子構成的凝聚態物質，量子力學都起了重要的作用。20世紀30年代以來，量子力學與核科學、信息學、材料學等學科交叉融合發展，催生了第一次量子科技革命。

自從量子科技問世以來，已經先后孕育出電子顯微鏡、原子鐘、激光器、半導體、芯片等新產品，為以信息技術為代表的高新技術打下了堅實的基礎。早在20世紀90年代，諾貝爾獎得主萊德曼就指出，量子科技貢獻了當時美國國內生產總值的1/3。因此，量子科技并非遙不可及，而是已經深入我們的日常生活。

進入21世紀以來，量子科技革命的第二次浪潮正在興起，催生量子計算、量子通信和量子精密測量等一批新興技術，將極大地改變和提升人類獲取、傳輸、處理信息的方式與能力。

量子通信

未來將是智能化的社會，智能汽車、智能機器人、智能家居都將進入尋常百姓家。但在整個社會智能化之前，需要先解決信息安全的問題，這個問題的破解方法就是發展量子通信。

量子通信是使用量子態攜帶所要傳送的信息，并把量子糾纏作為信道，將該量子態從A地傳送到B地的一種通信方式。量子通信利用單個光量子不可分割和量子不可克隆的特性，確保量子信道內傳遞的信息不會被竊取，是迄今為止唯一被嚴格證明的絕對安全的通信方式。

量子通信主要分為量子隱形傳態和量子密鑰分發兩種模式。量子隱形傳態在國內外均處于實驗室基礎研究階段。在量子隱形傳態中，遙遠兩地的通信雙方首先分享一對糾纏粒子，其中一方將待傳輸量子態的粒子和自己手里的糾纏粒子進行分辨，然后將分辨的結果告知對方，對方則根據得到的信息進行相應的操作。

由于密碼被破譯而損失慘重的事情，每年都在發生，所以科學家正在著手建立一種無法破譯的加密技術，它就是基于量子力學的量子密鑰分發技術，也稱量子密碼。量子密鑰分發是現階段量子通信最主要的應用方式，目前已經進入實用階段。

在量子通信領域，我國已處于國際領先地位。2016年，我國發射了世界上首顆量子衛星“墨子號”。我國之所以要發射量子衛星，是因為如今人們已開發成功的量子通信技術，其極限距離僅有300千米，需要借助數量龐大的中繼站才能構建一個長距離的量子通信網絡;而通過天上的量子衛星，能輕而易舉地構建遠距離乃至全球范圍的量子通信網絡。

2017年，我國建成全球首條商用量子保密通信線路—一“京滬干線”，它長達2 000多千米。從最早的安徽蕪湖及合肥城域網，到世界首條量子保密通信干線“京滬干線”，在過去10年里，若以鐵路、公路等交通基礎設施類比，國內量子保密通信網絡經歷了從“地鐵網絡”到“高鐵網絡”的發展。

量子計算

量子科技的另一個未來重要應用是制造量子計算機。1981年，諾貝爾物理學獎得主費曼首次提出量子計算機的概念。無論在基礎理論還是在具體算法上，量子計算都是具有超越性的。因此，對量子計算的相關研究及量子計算機的具體研制，已成為世界科學領域最閃亮的“明珠”之一。

2007年，加拿大一家公司宣布研制成功擁有16位量子比特的量子計算機：之后，微軟、谷歌、IBM、英特爾等巨頭紛紛宣布進軍量子計算機科研和應用領域。在量子計算領域，我國整體上與發達國家處于同一水平。

2013年4月，中國科學院院士薛其坤領銜的實驗團隊，在耗時4年、試驗了上千個樣品后，終于找到一種叫作“磁性拓撲絕緣體薄膜”的特殊材料，在世界上首次從實驗中觀測到“量子反常霍爾效應”。這個效應可用來開發新材料，可讓未來的量子計算機體積越來越小，即使干億次的超級計算機也有望做成現在的平板電腦那么大。

2018年，郭光燦院士等人推出當時國際最強的64位量子虛擬機，打破了當時采用經典計算機模擬量子計算機的世界紀錄。2020年9月，郭光燦院士等人研發出超導量子計算機“悟源”。這是一臺脫離實驗室環境后也能穩定運行的超導量子計算系統，也是國內率先實現工程化的量子計算機。

未來的量子計算機功能非常強大，不僅可以攻克密碼分析、氣象預報、金融分析、石油勘探等傳統研究領域內的難題，還可以解決藥物設計、新能源開發、新材料研制、高溫超導、人工固氮等高新科技領域內的難點。

量子精密測量

所謂量子精密測量，是利用量子技術進行高精度測量。傳統測量技術最小只能探測到微米量級，而量子精密測量可以精細干倍、萬倍，將測量精度推至納米甚至皮米量級，測量技術將迎來革命性進步。

量子精密測量對精準導航、量子計量、量子成像、引力波探測等領域具有重要意義，它的應用涵蓋軍事、科研、醫療、地質、能源、災害預防等。比如，英國國防科學與技術實驗室正在研究量子定位系統，即QPS。目前人們常用的GPS在水下會失靈，所以潛艇下沉后會失去GPS信號，此時要用加速計來導航，但目前的加速計并不精確，而用QPS可以解決這個難題。

在量子精密測量領域，我國整體上相比發達國家還存在一定的差距，但近年來發展迅速。最近，中國科學家潘建偉團隊和美國、德國的科學家合作，在單光子源器件上觀察到強度壓縮。這是科學家首次直接觀測到單光子源的強度壓縮，為量子精密測量奠定了堅實的科學基礎。

總的來說，近年來不斷突破的量子科技正在開啟新的機遇之門。加快量子科技的發展，對促進社會經濟高質量發展、保障國家安全具有非常重要的作用。

（責任編輯：白玉磊）