擁抱量子科技

楊先碧

1900年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克首次提出“量子”概念和著名的量子假說(shuō)，把能量的變化看成是跳躍式的，成功解釋了一些此前無(wú)法解釋的現(xiàn)象。而在1900年之前，物理學(xué)家認(rèn)為能量的變化是連續(xù)的。

此后，量子理論與核科學(xué)、信息學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科交融發(fā)展，產(chǎn)生了第一次量子革命，為高新技術(shù)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

20世紀(jì)80年代，在信息領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了量子信息技術(shù)，第二次量子革命浪潮繼而興起，催生了量子通信、量子計(jì)算和量子測(cè)量等一批新興技術(shù)。這將極大地改變和增強(qiáng)人類(lèi)獲取、傳輸、處理信息的方式和能力。

如今，量子科技快速發(fā)展，改變世界的新成果不斷出現(xiàn)……

未來(lái)是智能社會(huì)，智能汽車(chē)、智能機(jī)器人等將陸續(xù)進(jìn)入尋常百姓家。但在整個(gè)社會(huì)實(shí)現(xiàn)智能化之前，人們需要解決信息安全問(wèn)題。

量子通信是使用量子態(tài)攜帶信息，把量子糾纏作為信道，將該量子態(tài)從A地傳送到B地的通信方式。它利用單個(gè)光量子不可分割和量子不可克隆的特性，確保量子信道內(nèi)傳遞的信息不會(huì)被竊取，主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩種。如今，量子隱形傳態(tài)在國(guó)內(nèi)外基本處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，而量子密鑰分發(fā)已進(jìn)入實(shí)用階段。

在量子通信方面，我國(guó)處于國(guó)際領(lǐng)先地位。2016年，我國(guó)發(fā)射了世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。通過(guò)它，科學(xué)家能構(gòu)建遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)。2017年，我國(guó)開(kāi)通全球首條量子保密通信干線——“京滬干線”。如今，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所等單位合作，在“京滬干線”與“墨子號(hào)”成功對(duì)接的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了世界上首個(gè)天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了星地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發(fā)，并進(jìn)行了兩年多的穩(wěn)定性和安全性測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)化研究以及應(yīng)用示范。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋我國(guó)4省3市32個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括北京、濟(jì)南、合肥和上海4個(gè)量子城域網(wǎng)，通過(guò)兩個(gè)衛(wèi)星地面站與“墨子號(hào)”相連，總距離4600千米。它可以抵御目前所有已知的量子黑客攻擊，網(wǎng)絡(luò)密鑰分發(fā)量能支持1.2萬(wàn)多家用戶同時(shí)使用。

量子科技的另一個(gè)重要應(yīng)用方向是制造量子計(jì)算機(jī)。

20世紀(jì)80年代初，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼提出“量子計(jì)算機(jī)”概念。無(wú)論在基礎(chǔ)理論還是在具體算法方面，量子計(jì)算都具有優(yōu)越性。因此，對(duì)量子計(jì)算的研究及量子計(jì)算機(jī)的具體研制，已成為科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)閃亮的“明珠”。

2007年，加拿大一家公司宣布研制成16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。之后，許多大公司紛紛宣布“進(jìn)軍”量子計(jì)算機(jī)科研和應(yīng)用領(lǐng)域。

在量子計(jì)算方面，我國(guó)位居世界前列。2020年9月，合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公司推出超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“悟源”。它脫離實(shí)驗(yàn)室環(huán)境后仍能穩(wěn)定運(yùn)行，是國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)工程化的量子計(jì)算機(jī)。2020年12月，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)宣布構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。它求解“高斯玻色取樣”（一種數(shù)學(xué)算法），處理5000萬(wàn)個(gè)樣本只需200秒，而目前世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)完成同樣的任務(wù)要用6億年。2021年2月，合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公司發(fā)布具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)“本源司南”，它能數(shù)倍提升現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率。

量子測(cè)量是指利用量子技術(shù)進(jìn)行超高精度測(cè)量。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)通常只能測(cè)量到微米量級(jí)，而量子測(cè)量可以將測(cè)量精度推至亞納米量級(jí)。

量子測(cè)量對(duì)精準(zhǔn)導(dǎo)航、量子計(jì)量、量子成像、引力波探測(cè)等領(lǐng)域發(fā)展具有重要意義，涵蓋軍事、科研、醫(yī)療、災(zāi)害預(yù)防等用途。比如，英國(guó)科研人員一直在研究量子定位系統(tǒng)，即QPS。目前，人們常用的GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）不適用于水下。潛艇下潛后，潛艇駕駛員得用加速計(jì)來(lái)導(dǎo)航，但加速計(jì)并不精確。以后，潛艇駕駛員采用QPS導(dǎo)航，可以解決這個(gè)難題。

在量子測(cè)量方面，我國(guó)近年來(lái)發(fā)展迅速。不久前，中國(guó)科學(xué)家和美國(guó)、德國(guó)的科學(xué)家合作，首次直接觀測(cè)到單光子源器件上的強(qiáng)度壓縮，為發(fā)展基于單光子源的量子精密測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。