当前世界量子科学技术的发展与应用前景

2021-06-28李大光

人民论坛·学术前沿 2021年7期

【关键词】量子科学量子技术量子理论量子通信

【中图分类号】O413 【文献标识码】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.07.011

随着量子科学在量子计算、量子通信、量子网络、量子仿真等领域不断实现新突破，量子技术革命受到越来越多的关注。近年来，量子技术方兴未艾，量子技术催生的技术变革和装备发展不断改变世界面貌，逐步成为经济社会跨越发展的基石和动力。

量子、量子论与量子力学

大千世界由物质组成，而物质由基本粒子构成，电子、原子、质子和中子等粒子是构成宏观世界的最基本粒子。在量子科学的视域下，量子力学、量子通信和量子纠缠等概念和研究领域都与“量子”相互关联。那么，“量子”是一个什么概念？它与构成物质的其他基本粒子是什么关系？

量子的概念和范畴。量子是现代物理的重要概念。19世纪后期，一些物理学家聚焦于黑体辐射问题的研究，发现很多物理现象无法用经典理论解释，如微观粒子的运动不能用传统宏观物体的运动规律解释。为了解释传统物理无法解释的物理现象，量子概念应运而生。

量子是一个物理概念，并不是具体的实在粒子。19世纪后期，马克斯·普朗克（Max Planck）最先发现黑体辐射的不连续性不能通过经典力学来解释，并在黑体辐射研究中引入能量量子，于1900年12月14日在德国物理学会的例会上作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。他在报告中提出，辐射（或吸收）的能量不是连续地，而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍，并将辐射频率为ν的能量的最小数值E=hν称为量子。可见，量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。普朗克提出的理论成功解决了黑体辐射的问题，标志着一个新的物理学科——量子力学的诞生。

从数理学的角度看，量子也是一个数学概念，是能量、动量等物理量中最小的、不可分割的基本单位，是“相当数量的某物质”。量子这个数学概念的意思，就是“离散变化的最小单元”。什么是“离散变化”？我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半個人、1/3个人;我们上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶、1/3个台阶。对于统计人数来说，一个人就是一个量子;对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化，我们就说它是“量子化”的。

与“离散变化”相对的叫做“连续变化”。例如你在一段平路上，你可以走到1米的位置、1.1米的位置、1.11米的位置，即可以走到中间任何一个距离，这就是“连续变化”。显然，离散变化和连续变化在日常生活中广泛存在，这两个概念本身都很容易理解。有的人可能会把量子和分子、原子和电子之类的物质混在一起，认为量子是比电子更小的物质，其实这是不正确的。

量子和构成物质的基本粒子是不同范畴的概念。从物质的构成来说，分子、原子、夸克等是构成物质的粒子;而从能量传播来说，量子是能量传播过程中能量发射和吸收的最小单元，它不是连续的，而是一份一份的，在实验中量子可以表现为原子、光子、分子等多种形态。这种“量子化”物理量的数值是离散的，而不是连续地任意取值。量子跟原子、电子无法进行大小比较，因为量子的本意是一个数学概念。正如“5”是一个数字，“3个苹果”是具体的实物，你问“5”和“3个苹果”哪个大，如何回答？正确的回答只能是：它们不是同一范畴的概念，两者没有可比较性。

通过上述分析可知，物理学中的原子、电子、质子、中子等物质本身就是粒子，而量子却对应着不同的粒子。例如，光是由许多光子组成的，所以光子其实就是光的量子;阴极射线是由一系列电子组成的，因此电子就是阴极射线的量子。在物理学中，量子是指一个最小的不可分割的基本单位，是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。

量子论的创立和发展。现代物理学由两大理论构成，即相对论和量子论。量子论是研究基本粒子物理学范畴的遵循法则，相对论是研究宏观宇宙理论物理学范畴的遵循法则。作为现代物理学的两大基石之一，量子论为人们研究自然界微观物质世界提供了新的观察、思考和表述方法。尤其是量子论的开放性和不确定性，给人类社会的发现和创造以启迪，给整个物理学提供了新的概念。因此，量子论的诞生被视为近代物理学的新起点。

德国物理学家普朗克为创立量子论作出了突出贡献。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学、粒子物理学以及现代信息技术奠定了理论基础，较好地诠释了原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射、粒子的无限可分和信息携带等问题。伴随着黑体辐射能量密度随频率分布规律的发现，量子论得以创立。1900年10月，普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困境，引入了“能量子”概念，为量子理论奠定了基石。普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。他从理论上导出的黑体辐射公式表明，物体吸收或发射电磁辐射，只能以量子的方式进行，每个量子的能量为E=hν，称为作用量子，即对于频率ν的辐射能量，物体只能以hν为能量单位吸收或发射，这里的h为普朗克常数。能量子假说的提出具有划时代意义，标志了物理学的新纪元。量子理论现已成为现代理论和实验不可缺少的基本理论。

其他物理学家也为量子论的创立作出了重要贡献。爱因斯坦是第一个意识到量子概念具有普遍意义的科学家。针对光电效应实验与经典理论的矛盾，爱因斯坦提出了光量子假说，在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，并用光量子理论解释了光电效应中出现的新现象，从而为量子理论的发展打开了局面，同时进一步证明了普朗克提出的能量不连续概念。此后，玻尔、德布罗意、薛定谔和海森堡等许多科学家也对量子论的发展作出重要贡献。1913年，玻尔运用量子化概念提出“玻尔的原子理论”，对氢光谱作出了有效的解释，使量子论取得了初步验证。1923年，法国物理学家德布罗意提出了物质波假说，之后薛定谔沿着物质波概念确立了电子波动方程。与此同时，海森堡创立了解决量子波动理论的矩阵方法。1925年9月，玻恩与物理学家、数学家约丹合作，将海森堡的矩阵方法发展成系统的矩阵力学理论，从而把量子论发展推向了一个新的高度。

量子理论跨越了牛顿力学中的死角，在解释事物的宏观行为时，只有量子理论能处理原子和分子现象中的细节。历经百年，尽管否定量子论或对其存疑的科学家也不少，相关争论也一直没有消除，但这一理论正逐渐为多数物理学家所认可，同时其在实践中获得的成就令整个物理界为之称奇。

量子力学的发展和应用。量子力学（Quantum Mechanics）为物理学理论，是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质以及原子核和基本粒子的结构、性质。它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是现代物理学的基础理论之一，而且在化学等学科和许多近代技术中也得到了广泛应用。

量子物理学是由许多现代物理学家共同创立的新物理学科。1926年，量子力学的奠基人之一薛定谔研究发现，从数学的角度上看，波动力学和矩阵力学是完全等价的，并将其统称为量子力学。薛定谔发明的波动方程由于比海森堡的矩阵更易理解，因而成为量子力学的基本方程。1935年，薛定谔意识到了量子力学中存在不确定性的问题，因此假设了系统中处于两种态的叠加之中的猫，即由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态，这就是著名的“薛定谔猫”思维实验。1928年，狄拉克将相对论运用于量子力学，经由海森堡、泡利等人的发展，形成了量子电动力学，致力于研究电磁场与带电粒子的相互作用。

区别于经典力学、相对论（宏观低速、高速世界），量子力学从根本上改变了人类对物质结构及其相互作用的理解，明确解释了原子世界“微观宇宙”的奇异属性：在这个“微观宇宙”中，亚原子粒子被“类粒子力”聚在一起，原子由原子核和围绕原子核旋转的电子组成，原子核又由中子和质子组成，大约100种不同类型的原子或元素构成了我们已知的所有物质世界。

当代物理学中，集成芯片从根源来说是量子理论发展之后的技术产物。集成电路的芯片将电路元器件，如电阻、二极管等在半导体芯片上集成，这一半导体技术以半导体理论为基础，而半导体理论以量子理论为基础。在半导体的微型化已接近极限的情况下，如果继续缩小，微电子技术理论就会显得无能为力，必须依靠量子力学中的量子结构理论来解决问题。美国威斯康星大学材料科学家马克斯·拉加利等人根据量子力学理论，已研发出可容纳单个电子的被称为“量子點”的微小结构，这种量子点非常微小，一个针尖上可容纳几十亿个量子点。据此，研究人员可用量子点制造由单个电子运动来控制开和关状态的晶体管。可以预见，量子力学理论将对电子工业产生重大影响，成为物理学一个尚未开发而又具有广阔前景的新领域。

量子技术催生量子黑科技

创立百余年来，量子力学催生了第一次量子革命，改变了世界面貌。原子弹、芯片、激光等重大发明本源上都来自量子力学。量子技术作为基于量子力学发展起来的前沿技术，成为当今尖端科技中的一大热门，正在引领“第二次量子革命”，产生了一系列颠覆传统技术的黑科技。

量子加密。在量子黑科技中，量子加密号称“地表最强加密手段”。普通的加密手段通过数学算法进行加密，算法越复杂越难破解，但随着超级计算机的出现，这种加密手段的可靠性逐渐降低，而量子加密利用电子的不可克隆性以保证通信的安全性。因为窃听信息需要先复制信息，而不可克隆性保证了量子信息本身（或者由它生成的量子密码）不会被复制，因而断绝了一切窃听的可能性。

量子加密采用的原理是根据“海森堡测不准原理”和“单量子不可复制原理”建立的量子密码概念。“海森堡测不准原理”是量子力学的定理，指在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的，只能精确测定两者之一。“单量子不可复制原理”是“海森堡测不准原理”推论得出的定理，指在不确定量子状态的情况下复制单个量子是不可能实现的，因为复制单个量子需要先做测量，而测量必然改变状态、出现扰动，因而量子加密是绝对安全、不可能被破译的。目前，量子加密技术在密码学上的应用可分为两类：一是利用量子计算机对传统密码体制进行分析，另一类是利用单光子的测不准原理在光纤一级实现密钥信息加密。总的来看，量子加密比普通电子邮件或无线电方式更为优越，因为这种方式从理论上不能够被破坏或拦截。

量子通信。量子通信是近三十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信由于其高效安全的信息传输已受到人们的广泛关注，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。近年来，这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化方向发展。

量子通信主要涉及量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等领域，指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。量子纠缠是微观世界一种特有的物理现象，即两个粒子之间不论相距多远，不受空间影响、不需任何连接，却好像有一根无形的线牵着，只要一个粒子状态发生变化，就能立即使另一个粒子状态发生相应变化。量子通信正是利用量子纠缠效应这种神奇的“心灵感应”现象进行信息传递的，其虽仅是量子力学最简单的一个应用，但却解决了很多传统密码学长期未能解决的根本性安全问题。

量子通信的全称是“量子加密通信”，其实现是基于量子态传输。量子通信依旧由电磁波携带信息，量子技术只是把携带信息的电磁波保护起来了。为便于传输，现有的量子通信实验一般以光子为量子态载体，其表现形式即为光子态传输。

量子计算。量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。较之于传统的通用计算机，量子计算机的理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看，量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题;但从计算的效率上，由于量子力学叠加性的存在，某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

量子计算的基本属性是叠加（superposition）、纠缠（entanglement）和干涉（interference）。叠加是量子系统同时处于多种状态的能力，它使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，从而导致量子信息处理在效率上相比于经典信息处理方式具有更大潜力;纠缠是量子的一个属性，它通过将对象永久纠缠在一起从而实现对象的连接;干涉可用于控制量子态，并放大引起正确答案的信号，同时删除引起错误答案的信号。

量子计算使计算机的计算能力实现跨越发展，一台量子计算机的运算能力顶得上现在世界上所有传统计算机的的运算能力之和。量子計算机一旦取得突破，所有的加密算法都会瞬间被暴力破解，全部信息将失去安全屏障，完全暴露在量子计算机的视野内，因此，量子计算机也是目前建设科技强国重点攻关的技术难题。2015年5月，IBM在量子运算上取得两项关键性突破，开发出四量子位原型电路，奠定了未来10年量子计算机的基础。2016年8月，美国马里兰大学学院市分校发明出世界上第一台由5个量子比特组成的可编程量子计算机。对于实用化的量子计算机的研发，目前认为需要经过实现量子优越性、实用化的量子模拟机和容错量子计算机三个发展阶段。2020年12月4日，中国科学技术大学团队构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了“高斯玻色取样”任务的快速求解，这一成果也使我国成功实现了量子计算研究的“量子计算优越性”。

量子测量。量子测量是量子力学最基本和核心的问题之一。经典物理学中的测量过程可以理解为对被测者客观物理实在的忠实且不加改变的提取。然而在量子体系中，根据冯·诺依曼测量假定，量子测量会导致量子态坍缩到待测物理量的本征态，即量子测量对被测系统有反作用。可见，量子测量不同于一般经典力学中的测量，会对被测量子系统产生影响，如改变被测量子系统的状态，则处于相同状态的量子系统被测量后将得到完全不同的结果，但这些结果符合一定的概率分布。

量子测量基于微观粒子量子态精密测量，完成被测系统物理量的执行变换和信息输出，在测试精度、灵敏度和稳定性等方面与传统测量技术相比具有明显优势。在量子测量方面，目前已经研发和攻克了原子的激光冷却与俘获技术、原子喷泉技术、物质波的干涉操控技术、原子能态及相关量子信息的探测提取技术等关键技术。通过量子测量，可以了解量子的物理状态和性质，从而更好地对其进行应用。以量子通信中的量子密钥分发为例，这种量子通信方式利用量子的不可复制性以及测量的随机性生成量子密码，给传统的数字通信加密。由于量子测量结果的随机性，需要采用经典通信的方式进行比对，选出一致结果作为最终的量子密码。量子密码之所以保密性强，也是因为量子测量的结果是完全随机的，因而生成的密码也是完全随机性的。

当前，以量子惯性导航、量子目标识别、量子重力测量、量子时间基准和量子磁场测量等为代表的新型量子测量领域，在国防建设和军事应用领域极具战略价值，受到世界各国政府和研究机构的重视。其在解决工程化和实用化等问题后，有望在关系国家安全和国计民生的重点领域率先进入应用领域。

量子技术在当今世界的发展

由于量子技术对未来科技发展具有重大影响和战略价值，各技术强国在量子技术领域的竞争日益激烈。近年来，各国争相将量子技术纳入国家发展战略，纷纷制定量子技术发展计划，推进本国的量子技术发展。中国的量子技术发展后来居上，在量子应用领域等多个方面已经达到世界先进水平。

量子技术在国外的发展。20世纪90年代以来，美国、欧盟、日本等相继开始了量子技术研发与应用，并取得了丰硕成果。其中，美国领跑全球，引领了世界量子技术的发展。其他国家和集团也积极发展本国的量子技术，并取得了显著成效。

美国一直以来高度重视量子信息技术的相关研究，将量子信息技术作为引领未来军事革命的颠覆性、战略性技术。2018年9月，美国白宫科技政策办公室国家科学技术委员会发布的《量子信息科学国家战略概述》指出：量子测量有望为军事任务提供先进的传感器，发展新的测量科学和量子基准，改善导航和定时技术;同时，由美国能源部和国家科学基金会牵头，计划自2019年起的5年内最高投入13亿美元，建成10个研发和人才培养基地。此外，美国国防部和中央情报局还将为量子技术研发提供支援。

与此同时，其他一些国家和集团也积极推进各自的量子技术发展。其中，欧盟通过了《量子宣言》，于2018年启动了一项耗资10亿欧元的“量子技术旗舰计划”，加大量子通信、量子测量、模拟、传感和计算的研究和应用力度，从而对量子科学研究、产业推广、技术转化、人才培养等方面给予重要支撑;英国在2015年发布的《英国量子技术路线图》中对原子钟、量子传感器、量子惯性导航和量子增强成像等技术领域可能的商业化实践和发展路线图进行了分析和研究，并在《量子技术国家战略》中提出了量子领域基础研究、技术应用、人才培养和国际合作方面的发展战略;德国利用量子纠缠效应打造量子互联网，目前已经实现了第一个量子网络原型，在节点之间完成了量子信息的可逆交换，并可在两个节点之间产生远程纠缠;日本将量子技术置于和人工智能、生物科技同等重要的位置，于2019年完成了“量子技术创新战略”的制定;此外，加拿大、澳大利亚、巴西、印度等国在量子通信领域也相继加大投入，加快推进本国量子通信技术的发展。

中国量子技术处于全球领先地位。在2018年的新年贺词中，习近平主席在总结回顾过去一年我国在科技创新领域的重大成就时，特别提到“量子计算机研制成功”。2017年，世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机在我国诞生，标志着我国在基于光子的量子计算机研究方面取得突破性进展，为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了坚实基础。

在量子技术领域，中国量子技术发展取得了令全球瞩目的成就，后来居上。在量子计算领域，中国虽然起步相对较晚，但发展速度飞快，在光子、超导、离子以及拓扑量子比特等方面均有建树，目前保持着18个量子比特纠缠的世界纪录;在量子传感方面，中国在量子雷达、遥感成像、精密测量和导航方面进展迅速，研究水平居世界前列;在量子保密通信领域，“墨子号”量子通信卫星升空，“量子京沪干线”等超大规模量子网络投入应用，我国科研团队创造了一个又一个记录，研究水平领先世界。这是中华民族的光荣和骄傲，更是中华民族在科技领域实现的“中国梦”。

2016年8月16日，中国成功地发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，在国际上率先实现了高速星地量子通信，初步构建了“天地一体化”的量子通信网络。量子通信卫星是一种传输高效的通信卫星，能够使中国制造的卫星安全性得到质的提升，从根本上解决信息安全问题。2019年9月，“墨子号”量子科学卫星再获重要成果，利用“墨子号”量子科学实验卫星对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型进行了实验检验。这是国际上首次利用量子卫星在地球引力场中对尝试结合量子力学与广义相对论的理论进行实验检验，极大地推动了相关物理学基础理论和实验研究。2016年年底，“京沪干线”部分区段已经开通，这是世界第一条量子通信保密干线，承载重要信息的保密传输，开启了中国量子通信新时代。至2017年10月，中国已建成2000多公里量子通信的“京沪干线”，并相继投建了“武合干线”“宁苏干线”等骨干网络，建设进程不断加快。

随着中国量子技术的普及和发展，量子通信作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，将有望走向大规模应用，为信息化社会的发展提供基础的安全服务和可靠的安全保障，并彻底解决基础设施的信息安全问题。“墨子号”量子卫星上天、量子计算云平台启动、“京沪干线”启航，在这场微观世界的量子技术竞争中，中国“探梦者”的创新步伐已经走在世界量子技术领域的前沿。

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