奇妙的量子世界

■潘建伟

20世纪物理学有两个重大发现，即普朗克的量子论和爱因斯坦的相对论。量子论与相对论的研究和应用一开始就与信息技术紧密相关。这两大重要物理发现在本质上奠定了20世纪和本世纪科学技术的基础，带来了人类物质文明的巨大进步。

量子及其特性

所谓量子，是构成物质的最基本单元，也是物质、质量、能量的最基本携带者，具有不可分割性。像分子、原子、光子等构成物质的最基本单元，统称为量子。量子有一个非常奇怪的特性，叫量子叠加。什么是量子叠加？经典事件里可以用某个物体的两个状态代表0或1，比如一只猫，或者是死，或者是活，但不能同时处于死和活状态中间。但在量子世界，不仅有0和1的状态，某些时候像原子、分子、光子可以同时处于0和1状态相干的叠加。比如光子的偏振状态，在真空中传递的时候，可以沿水平方向振动，可以沿竖直方向振动，也可以处于45度斜振动，这个现象正是水平和竖直偏振两个状态的相干叠加。正因为有量子叠加状态，才导致量子力学测不准原理，即如果事先不知道单个量子状态，就不可能通过测量把状态的信息完全读取；不能读取就不能复制。这是量子的两个基本特性。

量子还有一个特性，叫做“量子纠缠”。比如甲、乙两人分处异地，两人同时玩一个游戏——掷骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6的概率随机得到1到6结果的某一个；同时，乙在另一地掷骰子，尽管两人每一次单边结果都是随机的，但每一次的结果却是一模一样的，这就是“量子纠缠”。最早提出这个概念的是爱因斯坦。爱因斯坦当时认为怎么允许两个客体在遥远的两地之间会有这种诡异互动呢？因此质疑量子理论的完备性。后来为了检验这种现象，科学家做了大量试验，发现这种纠缠性质确实存在。而且在验证过程中，科学家慢慢发展和掌握了对单个粒子状态进行人工制备和对多个粒子之间的相互作用进行主动操纵的能力，在这个基础上，诞生了量子信息科学。量子信息科学有三个应用方向，一是量子通信，即实现无条件安全通信手段；二是量子计算，超高速并且可以有效揭示复杂物理系统的规律；三是量子精密测量，测量精度超越经典极限，用于高精度导航、定位等。

量子信息科技应用

第一个应用是量子密钥分发。例如甲、乙二人要进行安全通信，甲发出的光子信息状态有水平、竖直、45°等，如果有窃听，第一，窃听者不能把光子分成信息一模一样的两半，因为光子不可分割；第二，窃听者不能复制信息，因为单次测量测不准；第三，窃听者把光子截获，乙收不到信息，也就不存在窃听。无论怎样，根据量子力学原理，窃听都可以被发现，一旦被发现，原有密钥立即作废。甲就可以把没有被窃听的密钥传送过去，利用产生的密钥进行一次一密完全随机的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以实现安全量子密钥分发，实现不可破译的保密通信。

第二个应用叫做量子隐形传态。量子的这个特性类似传说中的“瞬间移动”。比如需要我从合肥到北京开会，所有的交通工具都不能实现马上到达。这时候在合肥和北京分别有一个装置，两个装置里的粒子处于纠缠态，那么在合肥我身上的粒子跟装置里的粒子做一种联合测量，通过经典通信把每一次的测量结果发到北京，在北京对相应粒子做某种操纵，就可以在北京用同样多的分子、原子把我重新构造出来，这个过程是以光速进行的。所以，利用量子纠缠的方式，可以把量子信息本身从一个地点传送到另一地点。这就是量子的隐形传态。值得注意的是，传到北京的我包含了我所有的物质和信息，在合肥的我已经消失了，所以不是我的复制品，我还是独一无二的。这个技术要真正实现还需要很多时间，但是这个理念可以用在量子网络中，让信息在量子网络中传递，就可以构造所谓的量子计算和量子模拟。量子计算具有超强的计算能力，比如利用万亿次经典计算机分解300位的大数需要15万年，利用万亿次量子计算机，只需要1秒。同理，在大数据和人工智能里，求解一个亿亿亿变量的方程组，利用目前最快的亿亿次“天河二号”大概需要100年左右，但是如果利用万亿次的量子计算机，只需要0.01秒。其应用是非常广泛的，不仅可以解决大规模的计算机难题，破解经典密码、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探，而且可以揭示新能源、新材料机制，惯性约束核聚变、高温超导、量子霍尔效应等。现在是大数据时代，近3年产生的数据比之前几千年的总和还要多。美国情报部门在 “9·11”事件发生后，对所接收的数据进行分析，结果发现，如果事先有足够分析的话，就可以知道9月11日那些恐怖分子会开展什么活动，发生什么事，但是当时因为数据太大来不及分析，大到需要100年才能分析完，如果需要提前100年来预测“9·11”就没有意义了。所以，如果造出量子计算机，对大数据中有效信息进行挖掘，是非常有效的。

还有一个应用是量子精密测量。目前世界上最好的经典加速度计，每天误差大概在200米左右，如果为潜水艇导航，100天以后的误差达到几百公里，可能发生撞到海沟或者撞到山上的情况。但是利用量子叠加原理采用量子精密测量手段，航行100天后的位置测量误差会小于1公里。

量子信息科技现状

量子信息技术的基础研究已经比较成熟，相关理论和实验多次获得诺贝尔物理学奖和沃尔夫物理学奖。目前，量子信息技术正由基础研究走向应用基础研究和应用研究。尤其是量子通信，目前已经可以实用。关于未来方向，国际有共同的发展路线图，一是通过光纤实现城域量子通信网络；二是通过中继器连接实现城际量子网络，把很多城市连接起来；如果把信息发射到驻外机构或者国外，或者更加高效遥远地点之间的量子通信，则需要第三个技术，通过卫星中转实现远距离量子通信。当把这三项技术结合起来，就可以构建广义的量子通信网络，从而保证各个节点之间信息传输的安全。

在量子计算、量子模拟和精密测量方面，目前国际上的研究热点是对各种有望实现可扩展量子信息处理的物理体系开展系统性研究，主要从三方面展开：实现高精度、高效率量子态制备与相互作用控制；在此基础上实现更多粒子的量子纠缠，粒子之间纠缠越多，计算能力越强大；同时实现更长的量子相干保持时间，相干时间越长，在计算过程中，量子有效性更能充分开发出来。在这三方面研究基础上，提高量子计算的可扩展性，实现量子计算的基本功能；利用量子模拟探索凝聚态物理机制；实现超高精度精密测量。

我国量子信息科技优势

我国较早展开对量子信息技术的布局：10年前，科技部有专门的“量子调控”重大研究计划；“863计划”也给予支持；国家自然科学基金委员会有 “单量子态的探测及相互作用”和“精密测量物理”重大研究计划。中国科学院的支持更集中一些，对几个特别优势的团队进行重点扶持，比如有知识创新工程重大项目、“量子系统的相干控制”先导科技专项。国防部门也在“预先研究项目”“演示验证项目”方面做了相关布局。“十二五”期间，我国在这方面投入每年5至10个亿，体量可观。

在前期投入基础上，我国已经形成优势团队，像中国科学技术大学、清华大学、南京大学、山西大学等，科研实力都很强。科技部首批三个科学家工作室中，有两个属于量子调控领域，分别是中国科学技术大学量子光学与量子信息科学家工作室和清华大学低维量子物质科学家工作室。这些团队基本上每年都有成果入选国内外年度重大进展，如12次入选两院院士评选的年度中国十大科技进展新闻，1次入选Nature评选的年度十大科技亮点，1次入选Science评选的年度十大科技进展，5次入选欧洲物理学会评选的国际物理学重大进展，5次入选美国物理学会评选的国际物理学重大事件。

我国在2007年、2009年先后突破光纤量子通信安全距离100公里和200公里，2008年在合肥首次实现全通型光量子通信网络，2009年60周年国庆阅兵指挥构建了“量子通信热线”，进行小规模应用。

2010年，在合肥启动了国际上首个规模化城域量子通信网络，共计46个节点。2012年在北京建立了金融信息量子通信验证网，已经投入使用。中共十八大在中南海、京西宾馆、人民大会堂投入永久使用。目前，城域量子通信技术已经比较成熟。要实现广域量子通信网络，一方面需要用中继器将城域网络连接起来。在这方面已经得到国家发改委支持，启动了“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网工程，正在建设千公里级高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，建成大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台；另一方面需要卫星。早在2005年我国实现13公里自由空间量子纠缠分发，随后又在八达岭实现了16公里自由空间量子隐形传态，这些实验验证了光子在穿透大气层后，其量子态能够有效保持；随后实现了100公里级自由空间量子通信，这是在青海湖做的实验。这个实验验证了即使星地链路损耗非常高，也是可以进行量子通信的。最后利用气球的高空平台，验证各种卫星运动姿态下星地量子通信可行性。我国在自由空间量子通信方面也具有国际领先地位，为实现星地量子通信打下比较好的技术基础。2011年，中科院启动“量子科学实验卫星”战略性先导科技专项，将在国际上首次实现高速星地量子通信，并连接地面光纤网络，初步构建广域量子通信体系。

2012年，Nature杂志点评年度十大科技亮点时说：“这标志着中国在量子通信领域的崛起，从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅，将领先于欧洲和北美……”在量子通信方面，我国良好态势得以保持的话，产业化方面有望领先于欧洲和北美。

在量子计算和精密测量方面，我国在多光子纠缠操纵方面一直处于国际领先地位，保持着纠缠光子数目的世界记录。目前为止，在原理性演示范围，我国学者在各种系统里几乎验证了所有重要量子算法。其中在国际上首次实现拓扑量子纠错，发表在Nature纪念图灵诞辰100周年特刊。所以量子计算方面，NewScientist（新科学家杂志）评价：“中国科学技术大学——因而也是整个中国——牢牢地在量子计算世界地图上占据了一席之地。”这里只是一席之地，前面说的是领先。这说明我们只在某一个方向上有一个比较好的优势。

借他山之石攻玉

我国量子信息科技到了深化发展、快速突破的应用研究阶段。在这方面，国际上已经体现了这样一种趋势。第一，科研机构密切协同，多学科交叉。最有代表性的两个中心分别在欧洲和美国。在欧洲，剑桥、牛津大学有联合中心，瑞士也有联合研究中心，和德、法、奥地利科学家一起，构成欧洲量子光学与量子信息杰出研究团队。在欧盟支持下，几十个小组分工明确进行相关研发。10年中，该团队在量子调控与量子信息领域已经得到2个诺贝尔物理学奖、3个沃尔夫物理学奖。在美国，哈佛大学与MIT合作组建联合中心，加州理工有量子计算研究中心，加拿大几个大学合作也有相关中心。最有代表性的机构是美国国家标准与技术研究院 （NIST），10年中有5位诺贝尔物理学奖获得者。

第二，政府大力支持与投入。比如NIST，每年运行经费9亿美元；DARPA、美国空军、美国国安局，情报高等研究计划署也在这方面做了大量投入。欧盟有相关的专项支持，2014年英国启动了国家量子技术专项，投资27亿美元支持4个小组开展相关研究。相比之下，我国5年投入大概只有几亿美元，而且分散在各个小组，不像国外投入比较集中，且有序分工。

第三，企业介入。一些公司和大学合作，如Google、NASA、UCSB成立了量子人工智能实验室。IBM发布未来芯片研究，5年内投资约30亿美元，开展量子计算、神经网络、硅光子技术等相关研究。量子通信方面目前计划更多，企业已经很具体地介入。像美国一家大型研发公司BATTELLE的商用量子通信网络，已经在建一小规模网络，计划用5到10年进一步建立连接Google、IBM、微软等公司的数据中心，总长达1万公里左右环美国的量子通信网络。

协同创新的探索我国起步比较晚，且短期科研项目支持力度有限，仅能以 “有限目标、重点突破”的方式维持少数优势研究方向的常规发展，难与发达国家的科技资源整合力度和支持力度相抗衡；另外，企业在战略性科技投入方面相比发达国家有较大差距。像华为、阿里巴巴虽然也开始组织这方面工作，但是投入很有限，因为企业还没有充分享受高科技带来的好处，所以动机不是特别强烈。在这方面，需要发挥我国制度优势，以“两弹一星”模式统筹力量、协同攻关，实现基础研究、关键技术创新与集成、工程化产业化开发的有效链接，实现跨越式发展。

总之，经过10年左右努力，希望形成天地一体化的全球量子通信基础设施、完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统，目标是构建基于量子通信安全保障的未来互联网（“量子互联网”）。通过10到15年努力，量子计算机的计算能力可以和“天河二号”相媲美，而且耗电量只是“天河二号”的几万分之一或者更低。