擁抱量子科技革命

曉陽

1900年，德國科學(xué)家普朗克提出量子的概念。自那以后的120年里，量子科技快速發(fā)展，改變世界的新成果不斷涌現(xiàn)。現(xiàn)在，我們正在擁抱第二次量子科技革命，它將推動人類文明再上新臺階。

身邊的量子科技

在普朗克之前，物理學(xué)家都認(rèn)為物理量的變化是連續(xù)的。1900年，普朗克宣布，物理量的變化是一份份的，按照整數(shù)進(jìn)行變化，由此提出了“量子”的概念，深刻地改變了人們的傳統(tǒng)觀念。

量子力學(xué)幫助我們理解宇宙萬物。從光到基本粒子，到原子核，再到原子、分子以及大量原子構(gòu)成的凝聚態(tài)物質(zhì)，量子力學(xué)都起了重要的作用。

從20世紀(jì)30年代以來，量子力學(xué)與核科學(xué)、信息學(xué)和材料學(xué)等學(xué)科交叉融合發(fā)展，催生了第一次量子科技革命。

量子科技問世以來，電子顯微鏡、原子鐘、激光器、半導(dǎo)體，以及芯片等新產(chǎn)品陸續(xù)誕生，為以信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)打下了堅實的基礎(chǔ)。早在20世紀(jì)90年代，諾貝爾獎得主萊德曼就指出，量子科技貢獻(xiàn)了當(dāng)時美國國內(nèi)生產(chǎn)總值的1/3。因此，量子科技并非遙不可及，而是已經(jīng)深入到我們的日常生活。

進(jìn)入2 1世紀(jì)以來，量子科技革命的第二次浪潮正在興起，催生出量子計算、量子通信和量子精密測量等一批新興技術(shù)，將極大改變和提升人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力。

量子通信

未來將是智能化的社會，智能汽車、智能機器人、智能家居將進(jìn)入尋常百姓家。但在整個社會智能化之前，信息安全問題必須率先解決，而破解的方法就是發(fā)展量子通信。

量子通信是一種新型的通信方式，它將信息使用量子態(tài)攜帶，并以量子糾纏作為信道。它利用單個光量子不可分割和量子不可克隆的特性，可以確保量子信道內(nèi)傳遞的信息不會被竊取，是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明、絕對安全的通信方式。

量子通信主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩種模式。

量子隱形傳態(tài)在國內(nèi)外均處于實驗室基礎(chǔ)研究階段。在量子隱形傳態(tài)中，遙遠(yuǎn)兩地的通信雙方首先分享一對糾纏粒子，其中一方將待傳輸量子態(tài)的粒子和自己手里的糾纏粒子進(jìn)行分辨，然后將分辨的結(jié)果告知對方，對方則根據(jù)得到的信息進(jìn)行相應(yīng)的操作。通俗來講就是：將甲地的某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來。

現(xiàn)在，密碼被破譯而損失慘重的事情屢有發(fā)生，因此科學(xué)家正在著手建立一種無法破譯的加密技術(shù)，這就是量子密鑰分發(fā)技術(shù)，也稱量子密碼。量子密鑰分發(fā)目前已經(jīng)進(jìn)入實用階段。

在量子通信領(lǐng)域，我國已處于國際領(lǐng)先地位。2016年，我國發(fā)射了世界上首顆量子衛(wèi)星“墨子號”。我國之所以要發(fā)射量子衛(wèi)星，是因為目前量子通信技術(shù)的極限距離僅300千米，需要借助數(shù)量龐大的中繼站才能構(gòu)建一個長距離的量子通信網(wǎng)絡(luò)，而通過量子衛(wèi)星就能輕而易舉地建立遠(yuǎn)距離乃至全球范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

2017年，我國建成全球首條商用量子保密通信線路——“京滬干線”，長達(dá)2000多千米。

從最早的安徽蕪湖及合肥城域網(wǎng)，到世界首條量子保密通信干線“京滬干線”，在過去這10年里，若以交通設(shè)施類比，國內(nèi)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于經(jīng)歷了從“地鐵網(wǎng)絡(luò)”到“高鐵網(wǎng)絡(luò)”的發(fā)展。

量子計算

量子科技未來的另一個重要應(yīng)用是制造量子計算機。

1981年，諾貝爾物理學(xué)獎得主費曼首次提出量子計算機的概念。如今，量子計算的相關(guān)研究及量子計算機的研制，已成為世界科學(xué)領(lǐng)域最閃亮的“明珠”之一。

在量子計算領(lǐng)域，我國整體上與發(fā)達(dá)國家處于同一水平線。

2013年4月，中國科學(xué)院院士薛其坤領(lǐng)銜的實驗團(tuán)隊耗時4年，試驗了上千個樣品，終于找到一種叫作“磁性拓?fù)浣^緣體薄膜”的特殊材料，在世界上首次從實驗中觀測到“量子反?；魻栃?yīng)”。這個效應(yīng)可用來開發(fā)新材料，可讓未來的量子計算機體積越來越小，即使具備千億次運算能力的超級計算機也有望做成現(xiàn)在的平板電腦那么大。

2018年，郭光燦院士等人推出64位量子虛擬機，打破當(dāng)時采用經(jīng)典計算機模擬量子計算機的世界紀(jì)錄。

2020年9月，郭光燦院士等人研發(fā)出超導(dǎo)量子計算機“悟源”。這是一臺脫離實驗室環(huán)境也能穩(wěn)定運行的超導(dǎo)量子計算系統(tǒng)，是國內(nèi)率先實現(xiàn)工程化的量子計算機。

未來的量子計算機功能強大，不僅可以攻克密碼分析、氣象預(yù)報、金融分析，以及石油勘探等傳統(tǒng)研究領(lǐng)域內(nèi)的難題，還可以解決藥物設(shè)計、新能源開發(fā)、新材料研制、高溫超導(dǎo)，以及人工固氮等高新科技領(lǐng)域內(nèi)的難點。

量子精密測量

所謂量子精密測量，是利用量子技術(shù)進(jìn)行高精度測量。傳統(tǒng)測量技術(shù)最小只能探測到微米量級，而量子精密測量可以將精度推至納米甚至皮米量級，測量技術(shù)將迎來革命性進(jìn)步。

量子精密測量對精準(zhǔn)導(dǎo)航、量子計量、量子成像，以及引力波探測等領(lǐng)域具有重要意義，它的應(yīng)用涵蓋軍事、科研、醫(yī)療、地質(zhì)、能源，以及災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域。

我們知道，目前人們常用的全球定位系統(tǒng)是GPS。不過GPS在水下會失靈，潛艇下沉后會失去信號，此時要用加速計來導(dǎo)航，但目前的加速計并不精確。于是，英國國防科學(xué)與技術(shù)實驗室開始研究量子定位系統(tǒng)，即QPS，希望以此來克服這一難題。

在量子精密測量領(lǐng)域，我國相比發(fā)達(dá)國家存在一定差距，但近年來發(fā)展迅速。最近，潘建偉團(tuán)隊和美國、德國的科學(xué)家合作，在單光子源器件上觀察到強度壓縮。這是科學(xué)家首次直接觀測到單光子源的強度壓縮，為量子精密測量奠定了堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。

總的來說，量子科技正在開啟新的機遇之門，加快量子科技的發(fā)展，對促進(jìn)社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展、保障國家安全具有非常重要的作用。

親愛的小讀者，如果你想加入量子科技研究的行列，那就從現(xiàn)在開始，努力吧。