拥抱量子科技革命

晓阳

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，量子科技快速發展，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

在普朗克之前，物理学家都认为物理量的变化是连续的。1900年，普朗克宣布，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，再到原子、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。

从20世纪30年代以来，量子力学与核科学、信息学和材料学等学科交叉融合发展，催生了第一次量子科技革命。

量子科技问世以来，电子显微镜、原子钟、激光器、半导体，以及芯片等新产品陆续诞生，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，而是已经深入到我们的日常生活。

进入2 1世纪以来，量子科技革命的第二次浪潮正在兴起，催生出量子计算、量子通信和量子精密测量等一批新兴技术，将极大改变和提升人类获取、传输和处理信息的方式和能力。

量子通信

未来将是智能化的社会，智能汽车、智能机器人、智能家居将进入寻常百姓家。但在整个社会智能化之前，信息安全问题必须率先解决，而破解的方法就是发展量子通信。

量子通信是一种新型的通信方式，它将信息使用量子态携带，并以量子纠缠作为信道。它利用单个光量子不可分割和量子不可克隆的特性，可以确保量子信道内传递的信息不会被窃取，是迄今为止唯一被严格证明、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。通俗来讲就是：将甲地的某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。

现在，密码被破译而损失惨重的事情屡有发生，因此科学家正在着手建立一种无法破译的加密技术，这就是量子密钥分发技术，也称量子密码。量子密钥分发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，是因为目前量子通信技术的极限距离仅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，而通过量子卫星就能轻而易举地建立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——“京沪干线”，长达2000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”，在过去这10年里，若以交通设施类比，国内量子保密通信网络相当于经历了从“地铁网络”到“高铁网络”的发展。

量子计算

量子科技未来的另一个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。如今，量子计算的相关研究及量子计算机的研制，已成为世界科学领域最闪亮的“明珠”之一。

在量子计算领域，我国整体上与发达国家处于同一水平线。

2013年4月，中国科学院院士薛其坤领衔的实验团队耗时4年，试验了上千个样品，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，即使具备千亿次运算能力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64位量子虚拟机，打破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也能稳定运行的超导量子计算系统，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强大，不仅可以攻克密码分析、气象预报、金融分析，以及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，以及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将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，以及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，以及灾害预防等领域。

我们知道，目前人们常用的全球定位系统是GPS。不过GPS在水下会失灵，潜艇下沉后会失去信号，此时要用加速计来导航，但目前的加速计并不精确。于是，英国国防科学与技术实验室开始研究量子定位系统，即QPS，希望以此来克服这一难题。

在量子精密测量领域，我国相比发达国家存在一定差距，但近年来发展迅速。最近，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，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。

亲爱的小读者，如果你想加入量子科技研究的行列，那就从现在开始，努力吧。