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中共中央政治局近日就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行了第二十四次集體學(xué)習(xí)。量子科技是事關(guān)國家安全和社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略性領(lǐng)域，其具體應(yīng)用包括量子通信、量子計算、量子精密測量等。

當前，量子科技已進入到深化發(fā)展、快速突破的新階段，迫切需要多學(xué)科的緊密交叉和各項關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)集成。在量子科技領(lǐng)域整合科技資源、集中力量突破，已在世界范圍內(nèi)形成廣泛共識。

今天，量子信息技術(shù)正在引領(lǐng)一場新的科技革命，將深遠地影響人類社會。放眼更久遠的未來，量子科技發(fā)展所取得的突破或許將幫助人類實現(xiàn)如今難以企及的夢想。從這個意義上說，量子科技正是帶領(lǐng)我們“飛向未來的船與帆”。

第一次量子革命

量子的概念最早由德國物理學(xué)家普朗克提出來，從某種意義上講，普朗克應(yīng)該算是舊量子力學(xué)的祖父。愛因斯坦和玻爾是舊量子力學(xué)之父，他們又是新量子力學(xué)的祖父。海森堡、薛定諤和狄拉克等則建立了新量子力學(xué)——真正有方程去求解的量子力學(xué)，從而引發(fā)了第一次量子革命。

量子力學(xué)給人類帶來了許多技術(shù)革新，核能、晶體管、激光、核磁共振、高溫超導(dǎo)材料、巨磁阻效應(yīng)等發(fā)現(xiàn)和發(fā)明都和它有關(guān)?？梢哉f，量子力學(xué)是現(xiàn)代信息技術(shù)的硬件基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)則是軟件基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)和物理結(jié)合在一起，奠定了整個現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)。

其實，從日常使用的一部手機里，就可以看到很多與量子力學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)研究成果。有人統(tǒng)計，共有八項諾貝爾獎成果在手機里面：半導(dǎo)體器件是2009年諾貝爾物理學(xué)獎、集成電路是2000年諾貝爾物理學(xué)獎……(見下圖)

正是有了半導(dǎo)體，才有現(xiàn)代意義上的通用計算機;然后在加速器的數(shù)據(jù)往全世界傳遞的過程中，催生了互聯(lián)網(wǎng);為了檢驗相對論，人們利用量子力學(xué)造出了非常精確的原子鐘，在原子鐘的幫助下，我們可以進行全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位?？梢哉f，第一次量子革命直接催生了現(xiàn)代信息技術(shù)。

隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，現(xiàn)代信息技術(shù)遇到了兩大挑戰(zhàn)：一是信息安全瓶頸，二是計算能力的不足。

實現(xiàn)信息的安全傳送，自古以來就是人類的夢想。人類早在公元前就發(fā)明了一些非常聰明的加密算法，此后又不斷設(shè)計出更加復(fù)雜的密碼，但隨著計算能力的提高，這些加密算法都被破解了。人類究竟能不能構(gòu)建一種自己破解不了的密碼呢?

計算能力的提高，可以幫我們破解密碼，同時也刺激我們產(chǎn)生更為巨大的算力需求。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，全球數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，每兩年翻一番，對計算能力的需求非常巨大。上世紀40年代，一臺計算機重達1噸，每秒運算五千次。而到了2010年，一臺智能手機已可每秒鐘運算很多億次，功耗不超過5瓦，計算能力卻相當于美國阿波羅登月計劃計算能力的總和。

一般來說，提升計算能力需要通過加強芯片的集成度。但目前，摩爾定律即將逼近極限，估計再過十年，就會達到亞納米尺寸。到那時，晶體管的電路原理將不再適用。怎么解決信息科技面臨的這些問題?目前的量子力學(xué)已經(jīng)初步為突破信息安全和計算能力的瓶頸做好了準備。

第二次量子革命

如果說第一次量子革命是人類對量子規(guī)律的被動觀測和應(yīng)用，那么第二次量子革命則是人類對量子狀態(tài)的主動調(diào)控和操縱，目前主要發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域就是量子信息技術(shù)。

第二次量子革命可從1935年算起，到1950年產(chǎn)生了量子糾纏，1972年之后發(fā)展出了較好的技術(shù)，能夠?qū)σ粋€個量子狀態(tài)進行主動操縱，比如可實現(xiàn)單光子的產(chǎn)生、操縱和探測。這個過程其實非常困難。就拿一個15瓦電燈泡來說，它每秒鐘發(fā)射出1021個單光子，要從這么多光子中拿出一個個光子去做信息處理，對實驗技術(shù)要求非常高。

不過，一旦能夠從下往上對微觀粒子進行組裝、操縱，其實就掌握了搭建整個世界每一塊積木的本領(lǐng)。這種進步，相當于從孟德爾通過被動觀察總結(jié)出遺傳定律，進步到基因工程主動調(diào)控生命形態(tài)。

量子信息技術(shù)主要有兩方面：一是量子通信，可實現(xiàn)原理上無條件的安全通信方式;二是量子計算，可提供一種超快的計算能力。

量子通信的應(yīng)用之一是量子密鑰分發(fā)。它的原理很簡單，根據(jù)量子不可克隆定理，單光子不可分割，所以當人們用一個個光子來傳輸密鑰時，就算竊聽存在，也一定會被察覺，那么我們就丟棄那些存在竊聽的風險密鑰，保留安全密鑰，再加上“一次一密”的保障，加密內(nèi)容就不可破譯，這是基于物理學(xué)原理的無條件安全。

利用量子糾纏可以把量子態(tài)從一個物體傳送到另一個物體上，但原來的信息載體不用傳送過去。比如說，我們在上海有一個微觀體系，它由成千上萬個原子組成。如果上海和北京之間有很多對糾纏原子，就可以把上海的體系和在上海的糾纏原子做一個聯(lián)合測量，再把測量結(jié)果通過無線電臺發(fā)送到北京，北京只需對手中的原子進行操作，就可以把上海的體系重新給制備出來——這就相當于在上海的體系被傳送到了北京一樣，但我們并沒有把在上海的任何一個實體原子送到北京。

這本質(zhì)上是一個量子態(tài)傳輸?shù)慕Y(jié)果，幾十、幾百個原子的狀態(tài)，只要操作得足夠快，就可以在網(wǎng)絡(luò)里傳來傳去，這樣一種操作便構(gòu)成了量子計算機的基本單元：量子信息在網(wǎng)絡(luò)里可以走來走去之后，就可利用量子疊加來進行量子信息的處理，這就是量子計算機。利用這種特質(zhì)，可以設(shè)計一些相關(guān)的算法，實現(xiàn)快速分解大數(shù)、快速求解線性方程組等，如果制造出來，就可應(yīng)用于破解經(jīng)典密碼以及人工智能、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域。

量子保密通信

量子通信的發(fā)展目標是要在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)安全的信息傳輸，發(fā)展路線是通過光纖實現(xiàn)城域的量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過中繼實現(xiàn)城際的量子網(wǎng)絡(luò)、通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)遠距離量子通信。

在量子通信這一領(lǐng)域，中國科學(xué)家有很多重要的貢獻。比如，清華大學(xué)段路明教授在量子中繼方面做了很好的工作;在光纖城域網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，清華大學(xué)王向斌教授也有很好的工作。

基于可信中繼技術(shù)，中科大量子通信團隊在2007年首次把光纖量子通信的安全距離拓展到100公里。2008年，我們建設(shè)了一個小型網(wǎng)絡(luò)，2012年又建成了規(guī)?；牧孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，并投入了永久使用。最后，我們逐步把這些局域網(wǎng)連起來，變成了現(xiàn)在的“京滬干線”。將來，量子中繼可能是最終解決遠距離量子通信問題的路徑之一。

以目前的技術(shù)，要實現(xiàn)遠距離的量子通信，需要衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)。通過十幾年的努力，我們和中科院上海技術(shù)物理研究所、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院的聯(lián)合團隊，研制成功了國際上第一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”，并于2016年8月成功發(fā)射。目前，衛(wèi)星已在軌運行四年多，狀態(tài)和性能依然良好。

“墨子號”有三大科學(xué)實驗任務(wù)。一是星地間量子密鑰分發(fā)，即在1200公里的距離上，目前每秒可點對點發(fā)送十萬個安全密鑰，這比相同距離的光纖傳輸速率提高了20個數(shù)量級。二是實現(xiàn)了德令哈到烏魯木齊、德令哈到麗江之間，相距約1200公里的量子糾纏分發(fā)。三是實現(xiàn)了上千公里的量子隱形傳態(tài)。這些工作在2017年完成后，“墨子號”就實現(xiàn)了天地之間的量子通信，再加上“京滬干線”所實現(xiàn)的千公里級光纖城際量子通信網(wǎng)絡(luò)，共同構(gòu)成了天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形——這是國際上量子信息領(lǐng)域兩個標志性事件之一。

在“墨子號”成功實施之后約一年，歐盟啟動了量子旗艦計劃，而美國則啟動國家量子行動計劃，量子信息在全球開始熱起來了。

量子計算的未來

量子計算發(fā)展的第一階段是量子優(yōu)越性，這已由谷歌公司于2019年10月實現(xiàn)，即針對某些特殊問題，造出一臺比目前超級計算機算得更快的量子計算機，大概需要約50個比特。這也是量子信息技術(shù)的兩大標志性事件之一。

該系統(tǒng)名字叫做“懸鈴木”，約能操縱53個超導(dǎo)量子比特。它需要200秒算完的任務(wù)，目前世界排名第一的“頂點”超級計算機大概需要算一萬年左右。

第二階段，科學(xué)家希望能夠操縱四五百個量子比特，以構(gòu)造一種專用的量子模擬機，針對一些復(fù)雜物理系統(tǒng)，比如高溫超導(dǎo)機制、新材料設(shè)計等目前超級計算機算不了的問題，用量子模擬機來進行運算，解決一些實實在在的問題。

二三十年后，人類也許能造出一臺可編程的通用量子計算機。這需要通過各種體系來開展相關(guān)工作，比如清華大學(xué)薛其坤教授所研究的拓撲量子計算、段路明教授從事的離子阱量子計算等。

除了上述提到的工作外，目前我國在量子計算領(lǐng)域的研究主要集中在三個方向：第一是光量子計算，今年大概能夠?qū)崿F(xiàn)50個光子相干操縱，也能夠達到量子優(yōu)越性，我們采用了與谷歌不同的技術(shù)途徑。第二，在超導(dǎo)量子計算方面，希望在今年年底，能做到60個左右的量子比特。第三，希望量子計算能真正用來解決一些物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)中很重要、但用經(jīng)典計算機解決不了的問題，目前已有比較好的進展。

展望未來，在量子通信方面，我們希望能夠在外太空搭建一個非常精準的光鐘，這個光鐘的穩(wěn)定度大概可以達到10萬億年誤差不超過1秒鐘——再結(jié)合廣域量子通信技術(shù)，就可以提供一種引力波探測的新途徑。

我們也希望，將來可以在地球和月球之間的拉格朗日點放一個量子糾纏光源的載荷，如果未來還可在月球上放一個基站，那就可以在地球和月球之間開展光秒量級距離的、有觀測者參與的量子力學(xué)非定域性的檢驗。

作者：潘建偉(中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長)