拥抱量子科技革命

杨先碧

1900年，德国科学家普朗克提出“量子”的概念。自那以后的120年里，量子科技快速发展，改变世界的新成果不断涌现。现在，我们正在拥抱第二次量子科技革命，它将推动人类文明再上新台阶。

身边的量子科技

1900年之前，物理学家认为物理量的变化是连续的。1900年，德国科学家普朗克认为物理量的变化是一份份的，按照整数进行变化，由此提出了“量子”的概念，深刻地改变了人们的传统观念。

量子力学帮助我们理解宇宙万物，从光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子构成的凝聚态物质，量子力学都起了重要的作用。20世纪30年代以来，量子力学与核科学、信息学、材料学等学科交叉融合发展，催生了第一次量子科技革命。

自从量子科技问世以来，已经先后孕育出电子显微镜、原子钟、激光器、半导体、芯片等新产品，为以信息技术为代表的高新技术打下了坚实的基础。早在20世纪90年代，诺贝尔奖得主莱德曼就指出，量子科技贡献了当时美国国内生产总值的1/3。因此，量子科技并非遥不可及，而是已经深入我们的日常生活。

进入21世纪以来，量子科技革命的第二次浪潮正在兴起，催生量子计算、量子通信和量子精密测量等一批新兴技术，将极大地改变和提升人类获取、传输、处理信息的方式与能力。

量子通信

未来将是智能化的社会，智能汽车、智能机器人、智能家居都将进入寻常百姓家。但在整个社会智能化之前，需要先解决信息安全的问题，这个问题的破解方法就是发展量子通信。

量子通信是使用量子态携带所要传送的信息，并把量子纠缠作为信道，将该量子态从A地传送到B地的一种通信方式。量子通信利用单个光量子不可分割和量子不可克隆的特性，确保量子信道内传递的信息不会被窃取，是迄今为止唯一被嚴格证明的绝对安全的通信方式。

量子通信主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两种模式。量子隐形传态在国内外均处于实验室基础研究阶段。在量子隐形传态中，遥远两地的通信双方首先分享一对纠缠粒子，其中一方将待传输量子态的粒子和自己手里的纠缠粒子进行分辨，然后将分辨的结果告知对方，对方则根据得到的信息进行相应的操作。

由于密码被破译而损失惨重的事情，每年都在发生，所以科学家正在着手建立一种无法破译的加密技术，它就是基于量子力学的量子密钥分发技术，也称量子密码。量子密钥分发是现阶段量子通信最主要的应用方式，目前已经进入实用阶段。

在量子通信领域，我国已处于国际领先地位。2016年，我国发射了世界上首颗量子卫星“墨子号”。我国之所以要发射量子卫星，是因为如今人们已开发成功的量子通信技术，其极限距离仅有300千米，需要借助数量庞大的中继站才能构建一个长距离的量子通信网络;而通过天上的量子卫星，能轻而易举地构建远距离乃至全球范围的量子通信网络。

2017年，我国建成全球首条商用量子保密通信线路—一“京沪干线”，它长达2 000多千米。从最早的安徽芜湖及合肥城域网，到世界首条量子保密通信干线“京沪干线”，在过去10年里，若以铁路、公路等交通基础设施类比，国内量子保密通信网络经历了从“地铁网络”到“高铁网络”的发展。

量子计算

量子科技的另一个未来重要应用是制造量子计算机。1981年，诺贝尔物理学奖得主费曼首次提出量子计算机的概念。无论在基础理论还是在具体算法上，量子计算都是具有超越性的。因此，对量子计算的相关研究及量子计算机的具体研制，已成为世界科学领域最闪亮的“明珠”之一。

2007年，加拿大一家公司宣布研制成功拥有16位量子比特的量子计算机：之后，微软、谷歌、IBM、英特尔等巨头纷纷宣布进军量子计算机科研和应用领域。在量子计算领域，我国整体上与发达国家处于同一水平。

2013年4月，中国科学院院士薛其坤领衔的实验团队，在耗时4年、试验了上千个样品后，终于找到一种叫作“磁性拓扑绝缘体薄膜”的特殊材料，在世界上首次从实验中观测到“量子反常霍尔效应”。这个效应可用来开发新材料，可让未来的量子计算机体积越来越小，即使干亿次的超级计算机也有望做成现在的平板电脑那么大。

2018年，郭光灿院士等人推出当时国际最强的64位量子虚拟机，打破了当时采用经典计算机模拟量子计算机的世界纪录。2020年9月，郭光灿院士等人研发出超导量子计算机“悟源”。这是一台脱离实验室环境后也能稳定运行的超导量子计算系统，也是国内率先实现工程化的量子计算机。

未来的量子计算机功能非常强大，不仅可以攻克密码分析、气象预报、金融分析、石油勘探等传统研究领域内的难题，还可以解决药物设计、新能源开发、新材料研制、高温超导、人工固氮等高新科技领域内的难点。

量子精密测量

所谓量子精密测量，是利用量子技术进行高精度测量。传统测量技术最小只能探测到微米量级，而量子精密测量可以精细干倍、万倍，将测量精度推至纳米甚至皮米量级，测量技术将迎来革命性进步。

量子精密测量对精准导航、量子计量、量子成像、引力波探测等领域具有重要意义，它的应用涵盖军事、科研、医疗、地质、能源、灾害预防等。比如，英国国防科学与技术实验室正在研究量子定位系统，即QPS。目前人们常用的GPS在水下会失灵，所以潜艇下沉后会失去GPS信号，此时要用加速计来导航，但目前的加速计并不精确，而用QPS可以解决这个难题。

在量子精密测量领域，我国整体上相比发达国家还存在一定的差距，但近年来发展迅速。最近，中国科学家潘建伟团队和美国、德国的科学家合作，在单光子源器件上观察到强度压缩。这是科学家首次直接观测到单光子源的强度压缩，为量子精密测量奠定了坚实的科学基础。

总的来说，近年来不断突破的量子科技正在开启新的机遇之门。加快量子科技的发展，对促进社会经济高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。

（责任编辑：白玉磊）