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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(jì)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(jì)算、量子精密測量等。

當(dāng)前，量子科技已進(jìn)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(xiàng)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(yuǎn)地影響人類社會。放眼更久遠(yuǎn)的未來，量子科技發(fā)展所取得的突破或許將幫助人類實(shí)現(xiàn)如今難以企及的夢想。從這個(gè)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(gè)現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)。

其實(shí)，從日常使用的一部手機(jī)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(jì)，共有八項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)成果在手機(jī)里面：半導(dǎo)體器件是2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)、集成電路是2000年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)……(見下圖)

正是有了半導(dǎo)體，才有現(xiàn)代意義上的通用計(jì)算機(jī);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(yàn)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(jìn)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(jìn)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(jì)算能力的不足。

實(shí)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(jì)出更加復(fù)雜的密碼，但隨著計(jì)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(jì)算能力的提高，可以幫我們破解密碼，同時(shí)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(shí)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(jì)算能力的需求非常巨大。上世紀(jì)40年代，一臺計(jì)算機(jī)重達(dá)1噸，每秒運(yùn)算五千次。而到了2010年，一臺智能手機(jī)已可每秒鐘運(yùn)算很多億次，功耗不超過5瓦，計(jì)算能力卻相當(dāng)于美國阿波羅登月計(jì)劃計(jì)算能力的總和。

一般來說，提升計(jì)算能力需要通過加強(qiáng)芯片的集成度。但目前，摩爾定律即將逼近極限，估計(jì)再過十年，就會達(dá)到亞納米尺寸。到那時(shí)，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(jì)算能力的瓶頸做好了準(zhǔn)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(dòng)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(dòng)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€(gè)個(gè)量子狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)操縱，比如可實(shí)現(xiàn)單光子的產(chǎn)生、操縱和探測。這個(gè)過程其實(shí)非常困難。就拿一個(gè)15瓦電燈泡來說，它每秒鐘發(fā)射出1021個(gè)單光子，要從這么多光子中拿出一個(gè)個(gè)光子去做信息處理，對實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求非常高。

不過，一旦能夠從下往上對微觀粒子進(jìn)行組裝、操縱，其實(shí)就掌握了搭建整個(gè)世界每一塊積木的本領(lǐng)。這種進(jìn)步，相當(dāng)于從孟德爾通過被動(dòng)觀察總結(jié)出遺傳定律，進(jìn)步到基因工程主動(dòng)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(shí)現(xiàn)原理上無條件的安全通信方式;二是量子計(jì)算，可提供一種超快的計(jì)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(dāng)人們用一個(gè)個(gè)光子來傳輸密鑰時(shí)，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(fēng)險(xiǎn)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(gè)物體傳送到另一個(gè)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(gè)微觀體系，它由成千上萬個(gè)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(gè)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(jìn)行操作，就可以把上海的體系重新給制備出來——這就相當(dāng)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(gè)實(shí)體原子送到北京。

這本質(zhì)上是一個(gè)量子態(tài)傳輸?shù)慕Y(jié)果，幾十、幾百個(gè)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(jì)算機(jī)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(jìn)行量子信息的處理，這就是量子計(jì)算機(jī)。利用這種特質(zhì)，可以設(shè)計(jì)一些相關(guān)的算法，實(shí)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(biāo)是要在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全的信息傳輸，發(fā)展路線是通過光纖實(shí)現(xiàn)城域的量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過中繼實(shí)現(xiàn)城際的量子網(wǎng)絡(luò)、通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(xiàn)。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(tuán)隊(duì)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(gè)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(yuǎn)距離量子通信問題的路徑之一。

以目前的技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(tuán)隊(duì)，研制成功了國際上第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(yùn)行四年多，狀態(tài)和性能依然良好。

“墨子號”有三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)對點(diǎn)發(fā)送十萬個(gè)安全密鑰，這比相同距離的光纖傳輸速率提高了20個(gè)數(shù)量級。二是實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了天地之間的量子通信，再加上“京滬干線”所實(shí)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(gè)標(biāo)志性事件之一。

在“墨子號”成功實(shí)施之后約一年，歐盟啟動(dòng)了量子旗艦計(jì)劃，而美國則啟動(dòng)國家量子行動(dòng)計(jì)劃，量子信息在全球開始熱起來了。

量子計(jì)算的未來

量子計(jì)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(shí)現(xiàn)，即針對某些特殊問題，造出一臺比目前超級計(jì)算機(jī)算得更快的量子計(jì)算機(jī)，大概需要約50個(gè)比特。這也是量子信息技術(shù)的兩大標(biāo)志性事件之一。

該系統(tǒng)名字叫做“懸鈴木”，約能操縱53個(gè)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(diǎn)”超級計(jì)算機(jī)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(gè)量子比特，以構(gòu)造一種專用的量子模擬機(jī)，針對一些復(fù)雜物理系統(tǒng)，比如高溫超導(dǎo)機(jī)制、新材料設(shè)計(jì)等目前超級計(jì)算機(jī)算不了的問題，用量子模擬機(jī)來進(jìn)行運(yùn)算，解決一些實(shí)實(shí)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(jì)算機(jī)。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?fù)淞孔佑?jì)算、段路明教授從事的離子阱量子計(jì)算等。

除了上述提到的工作外，目前我國在量子計(jì)算領(lǐng)域的研究主要集中在三個(gè)方向：第一是光量子計(jì)算，今年大概能夠?qū)崿F(xiàn)50個(gè)光子相干操縱，也能夠達(dá)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(jì)算方面，希望在今年年底，能做到60個(gè)左右的量子比特。第三，希望量子計(jì)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(jì)算機(jī)解決不了的問題，目前已有比較好的進(jìn)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(gè)非常精準(zhǔn)的光鐘，這個(gè)光鐘的穩(wěn)定度大概可以達(dá)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(diǎn)放一個(gè)量子糾纏光源的載荷，如果未來還可在月球上放一個(gè)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(yàn)。

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)