拥抱量子科技

杨先碧

1900年，德国物理学家普朗克首次提出“量子”概念和著名的量子假說，把能量的变化看成是跳跃式的，成功解释了一些此前无法解释的现象。而在1900年之前，物理学家认为能量的变化是连续的。

此后，量子理论与核科学、信息学、材料学等学科交融发展，产生了第一次量子革命，为高新技术的发展打下了坚实基础。

20世纪80年代，在信息领域内出现了量子信息技术，第二次量子革命浪潮继而兴起，催生了量子通信、量子计算和量子测量等一批新兴技术。这将极大地改变和增强人类获取、传输、处理信息的方式和能力。

如今，量子科技快速发展，改变世界的新成果不断出现……

未来是智能社会，智能汽车、智能机器人等将陆续进入寻常百姓家。但在整个社会实现智能化之前，人们需要解决信息安全问题。

量子通信是使用量子态携带信息，把量子纠缠作为信道，将该量子态从A地传送到B地的通信方式。它利用单个光量子不可分割和量子不可克隆的特性，确保量子信道内传递的信息不会被窃取，主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两种。如今，量子隐形传态在国内外基本处于实验室研究阶段，而量子密钥分发已进入实用阶段。

在量子通信方面，我国处于国际领先地位。2016年，我国发射了世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”。通过它，科学家能构建远距离量子通信网络。2017年，我国开通全球首条量子保密通信干线——“京沪干线”。如今，中国科学技术大学潘建伟团队与中国科学院上海技术物理研究所等单位合作，在“京沪干线”与“墨子号”成功对接的基础上，构建了世界上首个天地一体化量子通信网络，实现了星地一体的大范围、多用户量子密钥分发，并进行了两年多的稳定性和安全性测试、标准化研究以及应用示范。整个网络覆盖我国4省3市32个节点，包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网，通过两个卫星地面站与“墨子号”相连，总距离4600千米。它可以抵御目前所有已知的量子黑客攻击，网络密钥分发量能支持1.2万多家用户同时使用。

量子科技的另一个重要应用方向是制造量子计算机。

20世纪80年代初，美国物理学家费曼提出“量子计算机”概念。无论在基础理论还是在具体算法方面，量子计算都具有优越性。因此，对量子计算的研究及量子计算机的具体研制，已成为科学领域内闪亮的“明珠”。

2007年，加拿大一家公司宣布研制成16位量子比特的超导量子计算机。之后，许多大公司纷纷宣布“进军”量子计算机科研和应用领域。

在量子计算方面，我国位居世界前列。2020年9月，合肥本源量子计算科技有限责任公司推出超导量子计算机“悟源”。它脱离实验室环境后仍能稳定运行，是国内率先实现工程化的量子计算机。2020年12月，我国科研团队宣布构建了76个光子的量子计算原型机“九章”。它求解“高斯玻色取样”（一种数学算法），处理5000万个样本只需200秒，而目前世界上最快的超级计算机完成同样的任务要用6亿年。2021年2月，合肥本源量子计算科技有限责任公司发布具有自主知识产权的量子计算机操作系统“本源司南”，它能数倍提升现有量子计算机的运行效率。

量子测量是指利用量子技术进行超高精度测量。传统测量技术通常只能测量到微米量级，而量子测量可以将测量精度推至亚纳米量级。

量子测量对精准导航、量子计量、量子成像、引力波探测等领域发展具有重要意义，涵盖军事、科研、医疗、灾害预防等用途。比如，英国科研人员一直在研究量子定位系统，即QPS。目前，人们常用的GPS（全球卫星定位系统）不适用于水下。潜艇下潜后，潜艇驾驶员得用加速计来导航，但加速计并不精确。以后，潜艇驾驶员采用QPS导航，可以解决这个难题。

在量子测量方面，我国近年来发展迅速。不久前，中国科学家和美国、德国的科学家合作，首次直接观测到单光子源器件上的强度压缩，为发展基于单光子源的量子精密测量奠定了基础。