量子世界

一個事物如果存在最小不可分割的基本單位，我們就可以說它是量子化的，并把最小單位稱為量子。

日前，中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)。量子科技成為輿論關(guān)注的熱點話題。

認(rèn)識量子科技先要從量子說起。量子是什么？根據(jù)量子理論，量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。一個事物如果存在最小不可分割的基本單位，我們就可以說它是量子化的，并把最小單位稱為量子。所有人們熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。

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什么是量子

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中國科學(xué)院物理所研究員曹則賢在2020年跨年科學(xué)演講中曾打過這樣一個比方：我們生活中可以見到的、感知到的事物，包括光與能量的最小單位都能稱之為量子。就像我們遠(yuǎn)處看魚群是烏泱烏泱的一片黑，但是放大了看就是一條條魚，這就可以說是魚群的量子。

量子指的是物質(zhì)不可再分的基本單元。通俗來說，如果把能量等物理量一份份往下分，分到無法再分的小塊就是量子。例如，光量子就是光能量的基本單元，不可能再分為半個、1/3個光子。事實上，我們在物理課上所學(xué)到的分子、原子、電子等，都是量子的不同表現(xiàn)形式。

1900年，德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克提出量子理論，開啟了研究物質(zhì)世界微觀粒子運動規(guī)律的物理學(xué)分支。120年來，全球幾代科學(xué)家孜孜以求，在量子理論、量子科技及其應(yīng)用等領(lǐng)域開疆拓土。

在宏觀世界中，牛頓經(jīng)典力學(xué)可以幫助我們理解和測算物體的運動、速度等規(guī)律。但在量子微觀世界中，許多規(guī)則卻與我們的認(rèn)知截然不同。其中的兩個基本原理就是“疊加”和“糾纏”。

疊加原理，最經(jīng)典的理論莫過于神秘莫測的“薛定諤的貓”。根據(jù)量子力學(xué)理論，物質(zhì)在微觀尺度上可以同時存在多種狀態(tài)和多個位置的“疊加”。

為了解釋疊加狀態(tài)，奧地利物理學(xué)家薛定諤在1935年提出了經(jīng)典理論：將一只貓關(guān)進(jìn)裝有少量鐳和氰化物的箱子里，如果鐳發(fā)生衰變，就會觸發(fā)機關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死;反之，貓就存活。在量子世界中，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，“可憐的”貓咪便處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)。

更為神奇的是，如果想要測量量子，它便會從疊加狀態(tài)變?yōu)榇_定的狀態(tài)，就像是如果有人懷著好奇心去打開箱子，便只能看到一只死貓或者活貓。

一個量子可以“疊加”多種狀態(tài)，多個量子則會產(chǎn)生“糾纏”的奇妙反應(yīng)。兩個處于量子糾纏狀態(tài)的粒子，就像雙胞胎的心靈感應(yīng)一樣。無論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)一個量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個量子也會超“瞬間”發(fā)生變化。對于詭異的糾纏現(xiàn)象，愛因斯坦在當(dāng)時也難以作出解釋，將其稱之為“鬼魅般的超距作用”。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員、科普專家袁嵐峰在媒體上這樣撰文解釋：量子的本意是個數(shù)學(xué)概念，簡言之就是“離散變化的最小單元”。什么叫“離散變化”？袁嵐峰這樣撰文解釋：我們統(tǒng)計人數(shù)時，可以有一個人、兩個人，但不可能有半個人、三分之一個人。我們上臺階時，只能上一個臺階、兩個臺階，不能上半個臺階、三分之一個臺階。這些就是“離散變化”。對于統(tǒng)計人數(shù)來說，一個人就是一個量子。對于上臺階來說，一個臺階就是一個量子。如果某個東西只能離散變化，我們就說它是“量子化”的。

與我們認(rèn)識的宏觀世界不同，人們發(fā)現(xiàn)在量子這一微觀世界中許多實驗現(xiàn)象違背常識，完全無法用經(jīng)典物理學(xué)詮釋。比如，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，一個客體的狀態(tài)（用0和1表示）就像最簡單的二進(jìn)制開和關(guān)，只能處于開或者關(guān)中的某一個狀態(tài)，即要么是0要么是1，這就好比一只貓，要么是生要么是死，不能同時“又生又死”。

然而，這一理論并不適用于量子世界。在量子世界中，一只貓可以處于又生又死的疊加狀態(tài)。這種所謂的量子相干疊加正是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別。更為神奇的是，這種疊加狀態(tài)極其脆弱，一旦有人去測量，它就會立刻從疊加狀態(tài)變?yōu)榇_定狀態(tài)。

美國物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者穆雷·蓋爾曼曾發(fā)出如是感慨：量子力學(xué)是一個神秘的、令人捉摸不透的學(xué)科，我們誰都談不上真正理解，只是知道怎樣去運用它。

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量子通信無條件安全

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量子理論誕生100多年來，催生了許多重大發(fā)明，核能、激光、半導(dǎo)體等科技得以問世，進(jìn)而發(fā)展出計算機、互聯(lián)網(wǎng)、手機等重大應(yīng)用，改變了人類文明進(jìn)程。今天，量子科技發(fā)展具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價值，是一項對傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進(jìn)行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。

雖然聽起來很神秘，其實量子科技距離我們并不遙遠(yuǎn)。比如，信息時代的關(guān)鍵核心技術(shù)，晶體管、固態(tài)硬盤、掃描電子顯微鏡等，即是第一代量子技術(shù)的代表性成果。今天，量子科技發(fā)展具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價值，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。

中國科學(xué)院物理研究所研究員范桁介紹，量子科技主要包含三方面內(nèi)容，量子計算、量子保密通信與量子精密測量。其中，量子保密通信主要表現(xiàn)為量子密鑰分發(fā)。量子精密測量主要以利用量子效應(yīng)實現(xiàn)超越經(jīng)典方法的精密測量為主，具有廣泛應(yīng)用價值。量子計算是量子科技重要組成部分，也是最具挑戰(zhàn)的目標(biāo)，被認(rèn)為是下一代信息產(chǎn)業(yè)制高點，意義重大。這三方面內(nèi)容也是世界各國量子計劃的主要組成部分。

目前，應(yīng)用最為成熟的當(dāng)屬量子通信。所謂量子通信，簡單說就是利用量子力學(xué)相關(guān)原理解決信息安全問題的通信技術(shù)。其中，一個著名原理就是量子糾纏。一般情況下，量子體系中一個物理量的值并不能預(yù)先確定，而是依賴于采取何種測量基;進(jìn)一步，對處于量子糾纏的兩個粒子，對其中一個粒子的測量結(jié)果會瞬間確定另一個粒子的狀態(tài)，不論它們相距多么遙遠(yuǎn)。這一被愛因斯坦稱作“鬼魅般的超距作用”，便是量子通信的理論基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)通信方式建立在加密算法或者加密技術(shù)基礎(chǔ)之上，如果計算能力足夠強大破解了加密算法，就有被竊聽風(fēng)險。量子的獨有特性，使其具有不可克隆、測不準(zhǔn)等“先天優(yōu)勢”。用量子做成的“密鑰”來傳遞信息，加密內(nèi)容不會被破譯，竊聽者必然會被“抓包”，這為破解信息加密“瓶頸”提供了解決方案。

2016年8月，中國發(fā)射了自主研制的世界上首顆空間量子科學(xué)實驗衛(wèi)星——“墨子號”?！蹲匀弧冯s志曾評價道，在量子通信領(lǐng)域，中國用了不到10年的時間，由一個不起眼的國家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美。

近年來，中國量子通信技術(shù)取得多項突破性進(jìn)展?！澳犹枴钡陌l(fā)射為通過太空“量子傳密”提供了可能。實驗表明，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比地面光纖信道高1萬億億倍，衛(wèi)星平均每秒發(fā)送4000萬個信號光子，一次實驗可生成300千比特（kbit）的密鑰，平均成碼率達(dá)1.1千比特/秒（kbps）。

與此同時，中國科研人員還利用量子衛(wèi)星在國際上率先成功實現(xiàn)了千公里級的星地雙向量子糾纏分發(fā)等成果。2017年，全球首條量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”項目通過總技術(shù)驗收。

今年，中國科學(xué)家在量子通信領(lǐng)域同樣取得諸多成果——

3月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊等研究人員實現(xiàn)了500公里級真實環(huán)境光纖的雙場量子密鑰分發(fā)和相位匹配量子密鑰分發(fā)，傳輸距離達(dá)到509公里，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

5月，中國科研團(tuán)隊在國際物理學(xué)權(quán)威期刊《現(xiàn)代物理評論》上發(fā)表論文，系統(tǒng)闡述了量子密碼的原理、理論和實驗技術(shù)，為量子密碼的廣泛應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)化制定奠定了基礎(chǔ)。

今年9月，郭光燦院士團(tuán)隊與奧地利同行合作，首次實現(xiàn)了高保真度的32維量子糾纏態(tài)，顯著提高了量子通信的信道容量，創(chuàng)造了當(dāng)前世界最高水平。

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量子計算潛力無限

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除了量子保密通信，科學(xué)家們密切關(guān)注的另一個重要應(yīng)用是量子計算機。

在古代，人們就已制造出了可做一定計算的器具與機器。比如，中國發(fā)明的算盤，歐洲早期發(fā)明的各種計算器械。現(xiàn)代意義上世界第一臺計算機名為埃尼阿克，它重達(dá)27噸，占地150多平方米，在1945年建造成功，目的是計算炮彈彈道。馮諾依曼1945年明確提出了存儲程序通用計算機方案，規(guī)劃了電子計算機架構(gòu)，使得計算機可以被廣泛應(yīng)用。

“但是，現(xiàn)有計算機基于微處理器芯片摩爾定律，這無疑會碰到技術(shù)瓶頸，于是人們開始思考建造一種全新計算機——量子計算機?！备鶕?jù)范桁的介紹，量子計算機的運行遵循量子力學(xué)原理，以量子比特為基本信息單元，以量子糾纏、相干疊加和量子測量為特色，其發(fā)展也將遵循經(jīng)典計算機類似的軌跡?！安贿^，我們現(xiàn)在看到的量子計算機原型機功能比較單一，只能模擬某些特定量子過程，或者解決某些簡單問題。”范桁說。

近年來，在量子計算領(lǐng)域，世界各個科技發(fā)達(dá)國家群雄逐鹿，IBM、谷歌、微軟等企業(yè)你追我趕，通過不同技術(shù)路徑實現(xiàn)對更多量子比特的操縱。去年10月，谷歌研究人員在《自然》雜志發(fā)表論文稱，已成功演示“量子霸權(quán)”，讓量子系統(tǒng)花費約200秒完成傳統(tǒng)超級計算機要1萬年才能完成的任務(wù)。

所謂“量子霸權(quán)”，即量子計算機在某個特定問題上的計算能力超過傳統(tǒng)計算機，解決傳統(tǒng)計算機在合理時間范圍內(nèi)無法解決的復(fù)雜難題。盡管多方對于谷歌的研究成果仍存質(zhì)疑，但毫無疑問，量子計算機已經(jīng)接近超越傳統(tǒng)計算機的運算能力和應(yīng)用前景。

不僅如此，與經(jīng)典算法相比，人們已知運行于量子計算機的某些量子算法具有明顯優(yōu)勢。比如，肖爾算法和格羅夫量子搜索，它們都在信息安全方面具有重要應(yīng)用，這些算法的實用化運行將迅速對現(xiàn)有信息安全體系造成全面沖擊。在實用性方面，量子搜索算法可以期望應(yīng)用于大數(shù)據(jù);量子退火算法可以應(yīng)用于優(yōu)化問題，比如物流和交通優(yōu)化等;量子模擬可以被應(yīng)用于量子化學(xué)和量子物理研究，比如生物合成和藥物篩選等;量子模擬向量網(wǎng)絡(luò)態(tài)可應(yīng)用于機器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。既然如此強大，量子計算機何時能從夢想照進(jìn)現(xiàn)實？范桁坦言，量子計算機的研究剛剛起步，距離實用化需要的成千上萬個量子比特仍有較大距離。此外，量子計算機的建造兼具工程與科學(xué)特色，不可控因素較多，技術(shù)上也有瓶頸需要克服。因此，需要各領(lǐng)域?qū)＜衣?lián)合攻關(guān)，在集中資源重點突破的同時，兼顧多種技術(shù)路線。

比如，IBM等高科技公司逐漸擺脫了單純科研探索模式，以實用化、集成和綜合性為目標(biāo)，其研發(fā)涵蓋軟硬件各個方向，實現(xiàn)方案大多選擇了超導(dǎo)量子計算方案，以提供云量子計算服務(wù)，培養(yǎng)量子計算生態(tài)作為一個重要的目標(biāo)。

通過科學(xué)家的奮力追趕，在量子計算領(lǐng)域，中國整體上與發(fā)達(dá)國家處于同一水平線。近年來，多支科研團(tuán)隊在量子計算領(lǐng)域取得階段性成果。去年年底，潘建偉等學(xué)者與德國、荷蘭的科學(xué)家合作，在國際上首次實現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，在四大關(guān)鍵指標(biāo)上均大幅刷新國際紀(jì)錄，逼近實現(xiàn)量子計算研究的重要目標(biāo)“量子霸權(quán)”。

而在企業(yè)方面，百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業(yè)也相繼出臺了量子計算研究計劃。今年9月，中國企業(yè)自主研發(fā)的6比特超導(dǎo)量子計算云平臺正式上線，全球用戶可以在線體驗來自中國的量子計算服務(wù)。

當(dāng)前，在量子科技領(lǐng)域整合科技資源、集中力量突破，已在主要發(fā)達(dá)國家中形成廣泛共識。歐美發(fā)達(dá)國家的政府、科研機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)資本正在加速進(jìn)行戰(zhàn)略部署，大幅度增加研發(fā)投入，對中國取得的局部領(lǐng)先優(yōu)勢發(fā)起強烈沖擊。

近年來，我國科技工作者在量子科技上奮起直追，取得一批具有國際影響力的重大創(chuàng)新成果。經(jīng)過30多年努力，中國已崛起為國際量子科研版圖上的重要力量，在多個戰(zhàn)略方向上實現(xiàn)領(lǐng)跑或進(jìn)入第一陣營。

對此，潘建偉指出，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，必須將創(chuàng)新主動權(quán)和發(fā)展主動權(quán)牢牢掌握在自己手中。特別需要面向長遠(yuǎn)目標(biāo)，通過國家層面的頂層設(shè)計和前瞻布局，整合優(yōu)勢資源形成自主創(chuàng)新的體系化能力。

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◎ 來源|綜合經(jīng)濟(jì)日報、人民日報海外版