奇妙的量子世界

■潘建偉

20世紀物理學有兩個重大發現，即普朗克的量子論和愛因斯坦的相對論。量子論與相對論的研究和應用一開始就與信息技術緊密相關。這兩大重要物理發現在本質上奠定了20世紀和本世紀科學技術的基礎，帶來了人類物質文明的巨大進步。

量子及其特性

所謂量子，是構成物質的最基本單元，也是物質、質量、能量的最基本攜帶者，具有不可分割性。像分子、原子、光子等構成物質的最基本單元，統稱為量子。量子有一個非常奇怪的特性，叫量子疊加。什么是量子疊加？經典事件里可以用某個物體的兩個狀態代表0或1，比如一只貓，或者是死，或者是活，但不能同時處于死和活狀態中間。但在量子世界，不僅有0和1的狀態，某些時候像原子、分子、光子可以同時處于0和1狀態相干的疊加。比如光子的偏振狀態，在真空中傳遞的時候，可以沿水平方向振動，可以沿豎直方向振動，也可以處于45度斜振動，這個現象正是水平和豎直偏振兩個狀態的相干疊加。正因為有量子疊加狀態，才導致量子力學測不準原理，即如果事先不知道單個量子狀態，就不可能通過測量把狀態的信息完全讀取；不能讀取就不能復制。這是量子的兩個基本特性。

量子還有一個特性，叫做“量子糾纏”。比如甲、乙兩人分處異地，兩人同時玩一個游戲——擲骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6的概率隨機得到1到6結果的某一個；同時，乙在另一地擲骰子，盡管兩人每一次單邊結果都是隨機的，但每一次的結果卻是一模一樣的，這就是“量子糾纏”。最早提出這個概念的是愛因斯坦。愛因斯坦當時認為怎么允許兩個客體在遙遠的兩地之間會有這種詭異互動呢？因此質疑量子理論的完備性。后來為了檢驗這種現象，科學家做了大量試驗，發現這種糾纏性質確實存在。而且在驗證過程中，科學家慢慢發展和掌握了對單個粒子狀態進行人工制備和對多個粒子之間的相互作用進行主動操縱的能力，在這個基礎上，誕生了量子信息科學。量子信息科學有三個應用方向，一是量子通信，即實現無條件安全通信手段；二是量子計算，超高速并且可以有效揭示復雜物理系統的規律；三是量子精密測量，測量精度超越經典極限，用于高精度導航、定位等。

量子信息科技應用

第一個應用是量子密鑰分發。例如甲、乙二人要進行安全通信，甲發出的光子信息狀態有水平、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，因為光子不可分割；第二，竊聽者不能復制信息，因為單次測量測不準；第三，竊聽者把光子截獲，乙收不到信息，也就不存在竊聽。無論怎樣，根據量子力學原理，竊聽都可以被發現，一旦被發現，原有密鑰立即作廢。甲就可以把沒有被竊聽的密鑰傳送過去，利用產生的密鑰進行一次一密完全隨機的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以實現安全量子密鑰分發，實現不可破譯的保密通信。

第二個應用叫做量子隱形傳態。量子的這個特性類似傳說中的“瞬間移動”。比如需要我從合肥到北京開會，所有的交通工具都不能實現馬上到達。這時候在合肥和北京分別有一個裝置，兩個裝置里的粒子處于糾纏態，那么在合肥我身上的粒子跟裝置里的粒子做一種聯合測量，通過經典通信把每一次的測量結果發到北京，在北京對相應粒子做某種操縱，就可以在北京用同樣多的分子、原子把我重新構造出來，這個過程是以光速進行的。所以，利用量子糾纏的方式，可以把量子信息本身從一個地點傳送到另一地點。這就是量子的隱形傳態。值得注意的是，傳到北京的我包含了我所有的物質和信息，在合肥的我已經消失了，所以不是我的復制品，我還是獨一無二的。這個技術要真正實現還需要很多時間，但是這個理念可以用在量子網絡中，讓信息在量子網絡中傳遞，就可以構造所謂的量子計算和量子模擬。量子計算具有超強的計算能力，比如利用萬億次經典計算機分解300位的大數需要15萬年，利用萬億次量子計算機，只需要1秒。同理，在大數據和人工智能里，求解一個億億億變量的方程組，利用目前最快的億億次“天河二號”大概需要100年左右，但是如果利用萬億次的量子計算機，只需要0.01秒。其應用是非常廣泛的，不僅可以解決大規模的計算機難題，破解經典密碼、氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探，而且可以揭示新能源、新材料機制，慣性約束核聚變、高溫超導、量子霍爾效應等。現在是大數據時代，近3年產生的數據比之前幾千年的總和還要多。美國情報部門在 “9·11”事件發生后，對所接收的數據進行分析，結果發現，如果事先有足夠分析的話，就可以知道9月11日那些恐怖分子會開展什么活動，發生什么事，但是當時因為數據太大來不及分析，大到需要100年才能分析完，如果需要提前100年來預測“9·11”就沒有意義了。所以，如果造出量子計算機，對大數據中有效信息進行挖掘，是非常有效的。

還有一個應用是量子精密測量。目前世界上最好的經典加速度計，每天誤差大概在200米左右，如果為潛水艇導航，100天以后的誤差達到幾百公里，可能發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量手段，航行100天后的位置測量誤差會小于1公里。

量子信息科技現狀

量子信息技術的基礎研究已經比較成熟，相關理論和實驗多次獲得諾貝爾物理學獎和沃爾夫物理學獎。目前，量子信息技術正由基礎研究走向應用基礎研究和應用研究。尤其是量子通信，目前已經可以實用。關于未來方向，國際有共同的發展路線圖，一是通過光纖實現城域量子通信網絡；二是通過中繼器連接實現城際量子網絡，把很多城市連接起來；如果把信息發射到駐外機構或者國外，或者更加高效遙遠地點之間的量子通信，則需要第三個技術，通過衛星中轉實現遠距離量子通信。當把這三項技術結合起來，就可以構建廣義的量子通信網絡，從而保證各個節點之間信息傳輸的安全。

在量子計算、量子模擬和精密測量方面，目前國際上的研究熱點是對各種有望實現可擴展量子信息處理的物理體系開展系統性研究，主要從三方面展開：實現高精度、高效率量子態制備與相互作用控制；在此基礎上實現更多粒子的量子糾纏，粒子之間糾纏越多，計算能力越強大；同時實現更長的量子相干保持時間，相干時間越長，在計算過程中，量子有效性更能充分開發出來。在這三方面研究基礎上，提高量子計算的可擴展性，實現量子計算的基本功能；利用量子模擬探索凝聚態物理機制；實現超高精度精密測量。

我國量子信息科技優勢

我國較早展開對量子信息技術的布局：10年前，科技部有專門的“量子調控”重大研究計劃；“863計劃”也給予支持；國家自然科學基金委員會有 “單量子態的探測及相互作用”和“精密測量物理”重大研究計劃。中國科學院的支持更集中一些，對幾個特別優勢的團隊進行重點扶持，比如有知識創新工程重大項目、“量子系統的相干控制”先導科技專項。國防部門也在“預先研究項目”“演示驗證項目”方面做了相關布局。“十二五”期間，我國在這方面投入每年5至10個億，體量可觀。

在前期投入基礎上，我國已經形成優勢團隊，像中國科學技術大學、清華大學、南京大學、山西大學等，科研實力都很強。科技部首批三個科學家工作室中，有兩個屬于量子調控領域，分別是中國科學技術大學量子光學與量子信息科學家工作室和清華大學低維量子物質科學家工作室。這些團隊基本上每年都有成果入選國內外年度重大進展，如12次入選兩院院士評選的年度中國十大科技進展新聞，1次入選Nature評選的年度十大科技亮點，1次入選Science評選的年度十大科技進展，5次入選歐洲物理學會評選的國際物理學重大進展，5次入選美國物理學會評選的國際物理學重大事件。

我國在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年在合肥首次實現全通型光量子通信網絡，2009年60周年國慶閱兵指揮構建了“量子通信熱線”，進行小規模應用。

2010年，在合肥啟動了國際上首個規模化城域量子通信網絡，共計46個節點。2012年在北京建立了金融信息量子通信驗證網，已經投入使用。中共十八大在中南海、京西賓館、人民大會堂投入永久使用。目前，城域量子通信技術已經比較成熟。要實現廣域量子通信網絡，一方面需要用中繼器將城域網絡連接起來。在這方面已經得到國家發改委支持，啟動了“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網工程，正在建設千公里級高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網絡，建成大尺度量子通信技術驗證、應用研究和應用示范平臺；另一方面需要衛星。早在2005年我國實現13公里自由空間量子糾纏分發，隨后又在八達嶺實現了16公里自由空間量子隱形傳態，這些實驗驗證了光子在穿透大氣層后，其量子態能夠有效保持；隨后實現了100公里級自由空間量子通信，這是在青海湖做的實驗。這個實驗驗證了即使星地鏈路損耗非常高，也是可以進行量子通信的。最后利用氣球的高空平臺，驗證各種衛星運動姿態下星地量子通信可行性。我國在自由空間量子通信方面也具有國際領先地位，為實現星地量子通信打下比較好的技術基礎。2011年，中科院啟動“量子科學實驗衛星”戰略性先導科技專項，將在國際上首次實現高速星地量子通信，并連接地面光纖網絡，初步構建廣域量子通信體系。

2012年，Nature雜志點評年度十大科技亮點時說：“這標志著中國在量子通信領域的崛起，從10年前不起眼的國家發展為現在的世界勁旅，將領先于歐洲和北美……”在量子通信方面，我國良好態勢得以保持的話，產業化方面有望領先于歐洲和北美。

在量子計算和精密測量方面，我國在多光子糾纏操縱方面一直處于國際領先地位，保持著糾纏光子數目的世界記錄。目前為止，在原理性演示范圍，我國學者在各種系統里幾乎驗證了所有重要量子算法。其中在國際上首次實現拓撲量子糾錯，發表在Nature紀念圖靈誕辰100周年特刊。所以量子計算方面，NewScientist（新科學家雜志）評價：“中國科學技術大學——因而也是整個中國——牢牢地在量子計算世界地圖上占據了一席之地。”這里只是一席之地，前面說的是領先。這說明我們只在某一個方向上有一個比較好的優勢。

借他山之石攻玉

我國量子信息科技到了深化發展、快速突破的應用研究階段。在這方面，國際上已經體現了這樣一種趨勢。第一，科研機構密切協同，多學科交叉。最有代表性的兩個中心分別在歐洲和美國。在歐洲，劍橋、牛津大學有聯合中心，瑞士也有聯合研究中心，和德、法、奧地利科學家一起，構成歐洲量子光學與量子信息杰出研究團隊。在歐盟支持下，幾十個小組分工明確進行相關研發。10年中，該團隊在量子調控與量子信息領域已經得到2個諾貝爾物理學獎、3個沃爾夫物理學獎。在美國，哈佛大學與MIT合作組建聯合中心，加州理工有量子計算研究中心，加拿大幾個大學合作也有相關中心。最有代表性的機構是美國國家標準與技術研究院 （NIST），10年中有5位諾貝爾物理學獎獲得者。

第二，政府大力支持與投入。比如NIST，每年運行經費9億美元；DARPA、美國空軍、美國國安局，情報高等研究計劃署也在這方面做了大量投入。歐盟有相關的專項支持，2014年英國啟動了國家量子技術專項，投資27億美元支持4個小組開展相關研究。相比之下，我國5年投入大概只有幾億美元，而且分散在各個小組，不像國外投入比較集中，且有序分工。

第三，企業介入。一些公司和大學合作，如Google、NASA、UCSB成立了量子人工智能實驗室。IBM發布未來芯片研究，5年內投資約30億美元，開展量子計算、神經網絡、硅光子技術等相關研究。量子通信方面目前計劃更多，企業已經很具體地介入。像美國一家大型研發公司BATTELLE的商用量子通信網絡，已經在建一小規模網絡，計劃用5到10年進一步建立連接Google、IBM、微軟等公司的數據中心，總長達1萬公里左右環美國的量子通信網絡。

協同創新的探索我國起步比較晚，且短期科研項目支持力度有限，僅能以 “有限目標、重點突破”的方式維持少數優勢研究方向的常規發展，難與發達國家的科技資源整合力度和支持力度相抗衡；另外，企業在戰略性科技投入方面相比發達國家有較大差距。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，因為企業還沒有充分享受高科技帶來的好處，所以動機不是特別強烈。在這方面，需要發揮我國制度優勢，以“兩彈一星”模式統籌力量、協同攻關，實現基礎研究、關鍵技術創新與集成、工程化產業化開發的有效鏈接，實現跨越式發展。

總之，經過10年左右努力，希望形成天地一體化的全球量子通信基礎設施、完整的量子通信產業鏈和下一代國家主權信息安全生態系統，目標是構建基于量子通信安全保障的未來互聯網（“量子互聯網”）。通過10到15年努力，量子計算機的計算能力可以和“天河二號”相媲美，而且耗電量只是“天河二號”的幾萬分之一或者更低。