楊先碧

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

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

20世紀80年代，在信息領域內(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、量子計算和量子測量等一批新興技術(shù)。這將極大地改變和增強人類獲取、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)……

未來是智能社會，智能汽車、智能機器人等將陸續(xù)進入尋常百姓家。但在整個社會實現(xiàn)智能化之前，人們需要解決信息安全問題。

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)在國內(nèi)外基本處于實驗室研究階段，而量子密鑰分發(fā)已進入實用階段。

在量子通信方面，我國處于國際領先地位。2016年，我國發(fā)射了世界上首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”。通過它，科學家能構(gòu)建遠距離量子通信網(wǎng)絡。2017年，我國開通全球首條量子保密通信干線——“京滬干線”。如今，中國科學技術(shù)大學潘建偉團隊與中國科學院上海技術(shù)物理研究所等單位合作，在“京滬干線”與“墨子號”成功對接的基礎上，構(gòu)建了世界上首個天地一體化量子通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)了星地一體的大范圍、多用戶量子密鑰分發(fā)，并進行了兩年多的穩(wěn)定性和安全性測試、標準化研究以及應用示范。整個網(wǎng)絡覆蓋我國4省3市32個節(jié)點，包括北京、濟南、合肥和上海4個量子城域網(wǎng)，通過兩個衛(wèi)星地面站與“墨子號”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)絡密鑰分發(fā)量能支持1.2萬多家用戶同時使用。

量子科技的另一個重要應用方向是制造量子計算機。

20世紀80年代初，美國物理學家費曼提出“量子計算機”概念。無論在基礎理論還是在具體算法方面，量子計算都具有優(yōu)越性。因此，對量子計算的研究及量子計算機的具體研制，已成為科學領域內(nèi)閃亮的“明珠”。

2007年，加拿大一家公司宣布研制成16位量子比特的超導量子計算機。之后，許多大公司紛紛宣布“進軍”量子計算機科研和應用領域。

在量子計算方面，我國位居世界前列。2020年9月，合肥本源量子計算科技有限責任公司推出超導量子計算機“悟源”。它脫離實驗室環(huán)境后仍能穩(wěn)定運行，是國內(nèi)率先實現(xiàn)工程化的量子計算機。2020年12月，我國科研團隊宣布構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”。它求解“高斯玻色取樣”（一種數(shù)學算法），處理5000萬個樣本只需200秒，而目前世界上最快的超級計算機完成同樣的任務要用6億年。2021年2月，合肥本源量子計算科技有限責任公司發(fā)布具有自主知識產(chǎn)權(quán)的量子計算機操作系統(tǒng)“本源司南”，它能數(shù)倍提升現(xiàn)有量子計算機的運行效率。

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

量子測量對精準導航、量子計量、量子成像、引力波探測等領域發(fā)展具有重要意義，涵蓋軍事、科研、醫(yī)療、災害預防等用途。比如，英國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來導航，但加速計并不精確。以后，潛艇駕駛員采用QPS導航，可以解決這個難題。

在量子測量方面，我國近年來發(fā)展迅速。不久前，中國科學家和美國、德國的科學家合作，首次直接觀測到單光子源器件上的強度壓縮，為發(fā)展基于單光子源的量子精密測量奠定了基礎。