奇妙的量子世界

■潘建偉

20世紀(jì)物理學(xué)有兩個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，即普朗克的量子論和愛因斯坦的相對(duì)論。量子論與相對(duì)論的研究和應(yīng)用一開始就與信息技術(shù)緊密相關(guān)。這兩大重要物理發(fā)現(xiàn)在本質(zhì)上奠定了20世紀(jì)和本世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，帶來(lái)了人類物質(zhì)文明的巨大進(jìn)步。

量子及其特性

所謂量子，是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，也是物質(zhì)、質(zhì)量、能量的最基本攜帶者，具有不可分割性。像分子、原子、光子等構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，統(tǒng)稱為量子。量子有一個(gè)非常奇怪的特性，叫量子疊加。什么是量子疊加？經(jīng)典事件里可以用某個(gè)物體的兩個(gè)狀態(tài)代表0或1，比如一只貓，或者是死，或者是活，但不能同時(shí)處于死和活狀態(tài)中間。但在量子世界，不僅有0和1的狀態(tài)，某些時(shí)候像原子、分子、光子可以同時(shí)處于0和1狀態(tài)相干的疊加。比如光子的偏振狀態(tài)，在真空中傳遞的時(shí)候，可以沿水平方向振動(dòng)，可以沿豎直方向振動(dòng)，也可以處于45度斜振動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象正是水平和豎直偏振兩個(gè)狀態(tài)的相干疊加。正因?yàn)橛辛孔盈B加狀態(tài)，才導(dǎo)致量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)原理，即如果事先不知道單個(gè)量子狀態(tài)，就不可能通過(guò)測(cè)量把狀態(tài)的信息完全讀??；不能讀取就不能復(fù)制。這是量子的兩個(gè)基本特性。

量子還有一個(gè)特性，叫做“量子糾纏”。比如甲、乙兩人分處異地，兩人同時(shí)玩一個(gè)游戲——擲骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6的概率隨機(jī)得到1到6結(jié)果的某一個(gè)；同時(shí)，乙在另一地?cái)S骰子，盡管兩人每一次單邊結(jié)果都是隨機(jī)的，但每一次的結(jié)果卻是一模一樣的，這就是“量子糾纏”。最早提出這個(gè)概念的是愛因斯坦。愛因斯坦當(dāng)時(shí)認(rèn)為怎么允許兩個(gè)客體在遙遠(yuǎn)的兩地之間會(huì)有這種詭異互動(dòng)呢？因此質(zhì)疑量子理論的完備性。后來(lái)為了檢驗(yàn)這種現(xiàn)象，科學(xué)家做了大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這種糾纏性質(zhì)確實(shí)存在。而且在驗(yàn)證過(guò)程中，科學(xué)家慢慢發(fā)展和掌握了對(duì)單個(gè)粒子狀態(tài)進(jìn)行人工制備和對(duì)多個(gè)粒子之間的相互作用進(jìn)行主動(dòng)操縱的能力，在這個(gè)基礎(chǔ)上，誕生了量子信息科學(xué)。量子信息科學(xué)有三個(gè)應(yīng)用方向，一是量子通信，即實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全通信手段；二是量子計(jì)算，超高速并且可以有效揭示復(fù)雜物理系統(tǒng)的規(guī)律；三是量子精密測(cè)量，測(cè)量精度超越經(jīng)典極限，用于高精度導(dǎo)航、定位等。

量子信息科技應(yīng)用

第一個(gè)應(yīng)用是量子密鑰分發(fā)。例如甲、乙二人要進(jìn)行安全通信，甲發(fā)出的光子信息狀態(tài)有水平、豎直、45°等，如果有竊聽，第一，竊聽者不能把光子分成信息一模一樣的兩半，因?yàn)楣庾硬豢煞指?；第二，竊聽者不能復(fù)制信息，因?yàn)閱未螠y(cè)量測(cè)不準(zhǔn)；第三，竊聽者把光子截獲，乙收不到信息，也就不存在竊聽。無(wú)論怎樣，根據(jù)量子力學(xué)原理，竊聽都可以被發(fā)現(xiàn)，一旦被發(fā)現(xiàn)，原有密鑰立即作廢。甲就可以把沒有被竊聽的密鑰傳送過(guò)去，利用產(chǎn)生的密鑰進(jìn)行一次一密完全隨機(jī)的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以實(shí)現(xiàn)安全量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)不可破譯的保密通信。

第二個(gè)應(yīng)用叫做量子隱形傳態(tài)。量子的這個(gè)特性類似傳說(shuō)中的“瞬間移動(dòng)”。比如需要我從合肥到北京開會(huì)，所有的交通工具都不能實(shí)現(xiàn)馬上到達(dá)。這時(shí)候在合肥和北京分別有一個(gè)裝置，兩個(gè)裝置里的粒子處于糾纏態(tài)，那么在合肥我身上的粒子跟裝置里的粒子做一種聯(lián)合測(cè)量，通過(guò)經(jīng)典通信把每一次的測(cè)量結(jié)果發(fā)到北京，在北京對(duì)相應(yīng)粒子做某種操縱，就可以在北京用同樣多的分子、原子把我重新構(gòu)造出來(lái)，這個(gè)過(guò)程是以光速進(jìn)行的。所以，利用量子糾纏的方式，可以把量子信息本身從一個(gè)地點(diǎn)傳送到另一地點(diǎn)。這就是量子的隱形傳態(tài)。值得注意的是，傳到北京的我包含了我所有的物質(zhì)和信息，在合肥的我已經(jīng)消失了，所以不是我的復(fù)制品，我還是獨(dú)一無(wú)二的。這個(gè)技術(shù)要真正實(shí)現(xiàn)還需要很多時(shí)間，但是這個(gè)理念可以用在量子網(wǎng)絡(luò)中，讓信息在量子網(wǎng)絡(luò)中傳遞，就可以構(gòu)造所謂的量子計(jì)算和量子模擬。量子計(jì)算具有超強(qiáng)的計(jì)算能力，比如利用萬(wàn)億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解300位的大數(shù)需要15萬(wàn)年，利用萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)，只需要1秒。同理，在大數(shù)據(jù)和人工智能里，求解一個(gè)億億億變量的方程組，利用目前最快的億億次“天河二號(hào)”大概需要100年左右，但是如果利用萬(wàn)億次的量子計(jì)算機(jī)，只需要0.01秒。其應(yīng)用是非常廣泛的，不僅可以解決大規(guī)模的計(jì)算機(jī)難題，破解經(jīng)典密碼、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、金融分析、石油勘探，而且可以揭示新能源、新材料機(jī)制，慣性約束核聚變、高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等?，F(xiàn)在是大數(shù)據(jù)時(shí)代，近3年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)比之前幾千年的總和還要多。美國(guó)情報(bào)部門在 “9·11”事件發(fā)生后，對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果事先有足夠分析的話，就可以知道9月11日那些恐怖分子會(huì)開展什么活動(dòng)，發(fā)生什么事，但是當(dāng)時(shí)因?yàn)閿?shù)據(jù)太大來(lái)不及分析，大到需要100年才能分析完，如果需要提前100年來(lái)預(yù)測(cè)“9·11”就沒有意義了。所以，如果造出量子計(jì)算機(jī)，對(duì)大數(shù)據(jù)中有效信息進(jìn)行挖掘，是非常有效的。

還有一個(gè)應(yīng)用是量子精密測(cè)量。目前世界上最好的經(jīng)典加速度計(jì)，每天誤差大概在200米左右，如果為潛水艇導(dǎo)航，100天以后的誤差達(dá)到幾百公里，可能發(fā)生撞到海溝或者撞到山上的情況。但是利用量子疊加原理采用量子精密測(cè)量手段，航行100天后的位置測(cè)量誤差會(huì)小于1公里。

量子信息科技現(xiàn)狀

量子信息技術(shù)的基礎(chǔ)研究已經(jīng)比較成熟，相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)多次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)。目前，量子信息技術(shù)正由基礎(chǔ)研究走向應(yīng)用基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。尤其是量子通信，目前已經(jīng)可以實(shí)用。關(guān)于未來(lái)方向，國(guó)際有共同的發(fā)展路線圖，一是通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；二是通過(guò)中繼器連接實(shí)現(xiàn)城際量子網(wǎng)絡(luò)，把很多城市連接起來(lái)；如果把信息發(fā)射到駐外機(jī)構(gòu)或者國(guó)外，或者更加高效遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的量子通信，則需要第三個(gè)技術(shù)，通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信。當(dāng)把這三項(xiàng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，就可以構(gòu)建廣義的量子通信網(wǎng)絡(luò)，從而保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間信息傳輸?shù)陌踩?/p>

在量子計(jì)算、量子模擬和精密測(cè)量方面，目前國(guó)際上的研究熱點(diǎn)是對(duì)各種有望實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子信息處理的物理體系開展系統(tǒng)性研究，主要從三方面展開：實(shí)現(xiàn)高精度、高效率量子態(tài)制備與相互作用控制；在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更多粒子的量子糾纏，粒子之間糾纏越多，計(jì)算能力越強(qiáng)大；同時(shí)實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的量子相干保持時(shí)間，相干時(shí)間越長(zhǎng)，在計(jì)算過(guò)程中，量子有效性更能充分開發(fā)出來(lái)。在這三方面研究基礎(chǔ)上，提高量子計(jì)算的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的基本功能；利用量子模擬探索凝聚態(tài)物理機(jī)制；實(shí)現(xiàn)超高精度精密測(cè)量。

我國(guó)量子信息科技優(yōu)勢(shì)

我國(guó)較早展開對(duì)量子信息技術(shù)的布局：10年前，科技部有專門的“量子調(diào)控”重大研究計(jì)劃；“863計(jì)劃”也給予支持；國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)有 “單量子態(tài)的探測(cè)及相互作用”和“精密測(cè)量物理”重大研究計(jì)劃。中國(guó)科學(xué)院的支持更集中一些，對(duì)幾個(gè)特別優(yōu)勢(shì)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行重點(diǎn)扶持，比如有知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目、“量子系統(tǒng)的相干控制”先導(dǎo)科技專項(xiàng)。國(guó)防部門也在“預(yù)先研究項(xiàng)目”“演示驗(yàn)證項(xiàng)目”方面做了相關(guān)布局?！笆濉逼陂g，我國(guó)在這方面投入每年5至10個(gè)億，體量可觀。

在前期投入基礎(chǔ)上，我國(guó)已經(jīng)形成優(yōu)勢(shì)團(tuán)隊(duì)，像中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、南京大學(xué)、山西大學(xué)等，科研實(shí)力都很強(qiáng)。科技部首批三個(gè)科學(xué)家工作室中，有兩個(gè)屬于量子調(diào)控領(lǐng)域，分別是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子光學(xué)與量子信息科學(xué)家工作室和清華大學(xué)低維量子物質(zhì)科學(xué)家工作室。這些團(tuán)隊(duì)基本上每年都有成果入選國(guó)內(nèi)外年度重大進(jìn)展，如12次入選兩院院士評(píng)選的年度中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞，1次入選Nature評(píng)選的年度十大科技亮點(diǎn)，1次入選Science評(píng)選的年度十大科技進(jìn)展，5次入選歐洲物理學(xué)會(huì)評(píng)選的國(guó)際物理學(xué)重大進(jìn)展，5次入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的國(guó)際物理學(xué)重大事件。

我國(guó)在2007年、2009年先后突破光纖量子通信安全距離100公里和200公里，2008年在合肥首次實(shí)現(xiàn)全通型光量子通信網(wǎng)絡(luò)，2009年60周年國(guó)慶閱兵指揮構(gòu)建了“量子通信熱線”，進(jìn)行小規(guī)模應(yīng)用。

2010年，在合肥啟動(dòng)了國(guó)際上首個(gè)規(guī)?；怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，共計(jì)46個(gè)節(jié)點(diǎn)。2012年在北京建立了金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)，已經(jīng)投入使用。中共十八大在中南海、京西賓館、人民大會(huì)堂投入永久使用。目前，城域量子通信技術(shù)已經(jīng)比較成熟。要實(shí)現(xiàn)廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，一方面需要用中繼器將城域網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。在這方面已經(jīng)得到國(guó)家發(fā)改委支持，啟動(dòng)了“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程，正在建設(shè)千公里級(jí)高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，建成大尺度量子通信技術(shù)驗(yàn)證、應(yīng)用研究和應(yīng)用示范平臺(tái)；另一方面需要衛(wèi)星。早在2005年我國(guó)實(shí)現(xiàn)13公里自由空間量子糾纏分發(fā)，隨后又在八達(dá)嶺實(shí)現(xiàn)了16公里自由空間量子隱形傳態(tài)，這些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光子在穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持；隨后實(shí)現(xiàn)了100公里級(jí)自由空間量子通信，這是在青海湖做的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了即使星地鏈路損耗非常高，也是可以進(jìn)行量子通信的。最后利用氣球的高空平臺(tái)，驗(yàn)證各種衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下星地量子通信可行性。我國(guó)在自由空間量子通信方面也具有國(guó)際領(lǐng)先地位，為實(shí)現(xiàn)星地量子通信打下比較好的技術(shù)基礎(chǔ)。2011年，中科院?jiǎn)?dòng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，將在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信，并連接地面光纖網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建廣域量子通信體系。

2012年，Nature雜志點(diǎn)評(píng)年度十大科技亮點(diǎn)時(shí)說(shuō)：“這標(biāo)志著中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國(guó)家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美……”在量子通信方面，我國(guó)良好態(tài)勢(shì)得以保持的話，產(chǎn)業(yè)化方面有望領(lǐng)先于歐洲和北美。

在量子計(jì)算和精密測(cè)量方面，我國(guó)在多光子糾纏操縱方面一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位，保持著糾纏光子數(shù)目的世界記錄。目前為止，在原理性演示范圍，我國(guó)學(xué)者在各種系統(tǒng)里幾乎驗(yàn)證了所有重要量子算法。其中在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)，發(fā)表在Nature紀(jì)念圖靈誕辰100周年特刊。所以量子計(jì)算方面，NewScientist（新科學(xué)家雜志）評(píng)價(jià)：“中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)——因而也是整個(gè)中國(guó)——牢牢地在量子計(jì)算世界地圖上占據(jù)了一席之地。”這里只是一席之地，前面說(shuō)的是領(lǐng)先。這說(shuō)明我們只在某一個(gè)方向上有一個(gè)比較好的優(yōu)勢(shì)。

借他山之石攻玉

我國(guó)量子信息科技到了深化發(fā)展、快速突破的應(yīng)用研究階段。在這方面，國(guó)際上已經(jīng)體現(xiàn)了這樣一種趨勢(shì)。第一，科研機(jī)構(gòu)密切協(xié)同，多學(xué)科交叉。最有代表性的兩個(gè)中心分別在歐洲和美國(guó)。在歐洲，劍橋、牛津大學(xué)有聯(lián)合中心，瑞士也有聯(lián)合研究中心，和德、法、奧地利科學(xué)家一起，構(gòu)成歐洲量子光學(xué)與量子信息杰出研究團(tuán)隊(duì)。在歐盟支持下，幾十個(gè)小組分工明確進(jìn)行相關(guān)研發(fā)。10年中，該團(tuán)隊(duì)在量子調(diào)控與量子信息領(lǐng)域已經(jīng)得到2個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)、3個(gè)沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)。在美國(guó)，哈佛大學(xué)與MIT合作組建聯(lián)合中心，加州理工有量子計(jì)算研究中心，加拿大幾個(gè)大學(xué)合作也有相關(guān)中心。最有代表性的機(jī)構(gòu)是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST），10年中有5位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。

第二，政府大力支持與投入。比如NIST，每年運(yùn)行經(jīng)費(fèi)9億美元；DARPA、美國(guó)空軍、美國(guó)國(guó)安局，情報(bào)高等研究計(jì)劃署也在這方面做了大量投入。歐盟有相關(guān)的專項(xiàng)支持，2014年英國(guó)啟動(dòng)了國(guó)家量子技術(shù)專項(xiàng)，投資27億美元支持4個(gè)小組開展相關(guān)研究。相比之下，我國(guó)5年投入大概只有幾億美元，而且分散在各個(gè)小組，不像國(guó)外投入比較集中，且有序分工。

第三，企業(yè)介入。一些公司和大學(xué)合作，如Google、NASA、UCSB成立了量子人工智能實(shí)驗(yàn)室。IBM發(fā)布未來(lái)芯片研究，5年內(nèi)投資約30億美元，開展量子計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、硅光子技術(shù)等相關(guān)研究。量子通信方面目前計(jì)劃更多，企業(yè)已經(jīng)很具體地介入。像美國(guó)一家大型研發(fā)公司BATTELLE的商用量子通信網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)在建一小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，計(jì)劃用5到10年進(jìn)一步建立連接Google、IBM、微軟等公司的數(shù)據(jù)中心，總長(zhǎng)達(dá)1萬(wàn)公里左右環(huán)美國(guó)的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

協(xié)同創(chuàng)新的探索我國(guó)起步比較晚，且短期科研項(xiàng)目支持力度有限，僅能以 “有限目標(biāo)、重點(diǎn)突破”的方式維持少數(shù)優(yōu)勢(shì)研究方向的常規(guī)發(fā)展，難與發(fā)達(dá)國(guó)家的科技資源整合力度和支持力度相抗衡；另外，企業(yè)在戰(zhàn)略性科技投入方面相比發(fā)達(dá)國(guó)家有較大差距。像華為、阿里巴巴雖然也開始組織這方面工作，但是投入很有限，因?yàn)槠髽I(yè)還沒有充分享受高科技帶來(lái)的好處，所以動(dòng)機(jī)不是特別強(qiáng)烈。在這方面，需要發(fā)揮我國(guó)制度優(yōu)勢(shì)，以“兩彈一星”模式統(tǒng)籌力量、協(xié)同攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與集成、工程化產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的有效鏈接，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

總之，經(jīng)過(guò)10年左右努力，希望形成天地一體化的全球量子通信基礎(chǔ)設(shè)施、完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國(guó)家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)，目標(biāo)是構(gòu)建基于量子通信安全保障的未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)（“量子互聯(lián)網(wǎng)”）。通過(guò)10到15年努力，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力可以和“天河二號(hào)”相媲美，而且耗電量只是“天河二號(hào)”的幾萬(wàn)分之一或者更低。