【關(guān)鍵詞】量子科學(xué)? 量子技術(shù)? 量子理論? 量子通信

【中圖分類號(hào)】O413? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.07.011

隨著量子科學(xué)在量子計(jì)算、量子通信、量子網(wǎng)絡(luò)、量子仿真等領(lǐng)域不斷實(shí)現(xiàn)新突破，量子技術(shù)革命受到越來越多的關(guān)注。近年來，量子技術(shù)方興未艾，量子技術(shù)催生的技術(shù)變革和裝備發(fā)展不斷改變世界面貌，逐步成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)跨越發(fā)展的基石和動(dòng)力。

量子、量子論與量子力學(xué)

大千世界由物質(zhì)組成，而物質(zhì)由基本粒子構(gòu)成，電子、原子、質(zhì)子和中子等粒子是構(gòu)成宏觀世界的最基本粒子。在量子科學(xué)的視域下，量子力學(xué)、量子通信和量子糾纏等概念和研究領(lǐng)域都與“量子”相互關(guān)聯(lián)。那么，“量子”是一個(gè)什么概念？它與構(gòu)成物質(zhì)的其他基本粒子是什么關(guān)系？

量子的概念和范疇。量子是現(xiàn)代物理的重要概念。19世紀(jì)后期，一些物理學(xué)家聚焦于黑體輻射問題的研究，發(fā)現(xiàn)很多物理現(xiàn)象無法用經(jīng)典理論解釋，如微觀粒子的運(yùn)動(dòng)不能用傳統(tǒng)宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律解釋。為了解釋傳統(tǒng)物理無法解釋的物理現(xiàn)象，量子概念應(yīng)運(yùn)而生。

量子是一個(gè)物理概念，并不是具體的實(shí)在粒子。19世紀(jì)后期，馬克斯·普朗克（Max Planck）最先發(fā)現(xiàn)黑體輻射的不連續(xù)性不能通過經(jīng)典力學(xué)來解釋，并在黑體輻射研究中引入能量量子，于1900年12月14日在德國物理學(xué)會(huì)的例會(huì)上作了《論正常光譜中的能量分布》的報(bào)告。他在報(bào)告中提出，輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)地，而是一份一份地進(jìn)行的，只能取某個(gè)最小數(shù)值的整數(shù)倍，并將輻射頻率為ν的能量的最小數(shù)值E=hν稱為量子?？梢?，量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。普朗克提出的理論成功解決了黑體輻射的問題，標(biāo)志著一個(gè)新的物理學(xué)科——量子力學(xué)的誕生。

從數(shù)理學(xué)的角度看，量子也是一個(gè)數(shù)學(xué)概念，是能量、動(dòng)量等物理量中最小的、不可分割的基本單位，是“相當(dāng)數(shù)量的某物質(zhì)”。量子這個(gè)數(shù)學(xué)概念的意思，就是“離散變化的最小單元”。什么是“離散變化”？我們統(tǒng)計(jì)人數(shù)時(shí)，可以有一個(gè)人、兩個(gè)人，但不可能有半個(gè)人、1/3個(gè)人;我們上臺(tái)階時(shí)，只能上一個(gè)臺(tái)階、兩個(gè)臺(tái)階，而不能上半個(gè)臺(tái)階、1/3個(gè)臺(tái)階。對(duì)于統(tǒng)計(jì)人數(shù)來說，一個(gè)人就是一個(gè)量子;對(duì)于上臺(tái)階來說，一個(gè)臺(tái)階就是一個(gè)量子。如果某個(gè)東西只能離散變化，我們就說它是“量子化”的。

與“離散變化”相對(duì)的叫做“連續(xù)變化”。例如你在一段平路上，你可以走到1米的位置、1.1米的位置、1.11米的位置，即可以走到中間任何一個(gè)距離，這就是“連續(xù)變化”。顯然，離散變化和連續(xù)變化在日常生活中廣泛存在，這兩個(gè)概念本身都很容易理解。有的人可能會(huì)把量子和分子、原子和電子之類的物質(zhì)混在一起，認(rèn)為量子是比電子更小的物質(zhì)，其實(shí)這是不正確的。

量子和構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子是不同范疇的概念。從物質(zhì)的構(gòu)成來說，分子、原子、夸克等是構(gòu)成物質(zhì)的粒子;而從能量傳播來說，量子是能量傳播過程中能量發(fā)射和吸收的最小單元，它不是連續(xù)的，而是一份一份的，在實(shí)驗(yàn)中量子可以表現(xiàn)為原子、光子、分子等多種形態(tài)。這種“量子化”物理量的數(shù)值是離散的，而不是連續(xù)地任意取值。量子跟原子、電子無法進(jìn)行大小比較，因?yàn)榱孔拥谋疽馐且粋€(gè)數(shù)學(xué)概念。正如“5”是一個(gè)數(shù)字，“3個(gè)蘋果”是具體的實(shí)物，你問“5”和“3個(gè)蘋果”哪個(gè)大，如何回答？正確的回答只能是：它們不是同一范疇的概念，兩者沒有可比較性。

通過上述分析可知，物理學(xué)中的原子、電子、質(zhì)子、中子等物質(zhì)本身就是粒子，而量子卻對(duì)應(yīng)著不同的粒子。例如，光是由許多光子組成的，所以光子其實(shí)就是光的量子;陰極射線是由一系列電子組成的，因此電子就是陰極射線的量子。在物理學(xué)中，量子是指一個(gè)最小的不可分割的基本單位，是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。

量子論的創(chuàng)立和發(fā)展?，F(xiàn)代物理學(xué)由兩大理論構(gòu)成，即相對(duì)論和量子論。量子論是研究基本粒子物理學(xué)范疇的遵循法則，相對(duì)論是研究宏觀宇宙理論物理學(xué)范疇的遵循法則。作為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一，量子論為人們研究自然界微觀物質(zhì)世界提供了新的觀察、思考和表述方法。尤其是量子論的開放性和不確定性，給人類社會(huì)的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造以啟迪，給整個(gè)物理學(xué)提供了新的概念。因此，量子論的誕生被視為近代物理學(xué)的新起點(diǎn)。

德國物理學(xué)家普朗克為創(chuàng)立量子論作出了突出貢獻(xiàn)。量子論揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律，為原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)、粒子物理學(xué)以及現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)，較好地詮釋了原子結(jié)構(gòu)、原子光譜的規(guī)律性、化學(xué)元素的性質(zhì)、光的吸收與輻射、粒子的無限可分和信息攜帶等問題。伴隨著黑體輻射能量密度隨頻率分布規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，量子論得以創(chuàng)立。1900年10月，普朗克為了克服經(jīng)典理論解釋黑體輻射規(guī)律的困境，引入了“能量子”概念，為量子理論奠定了基石。普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他從理論上導(dǎo)出的黑體輻射公式表明，物體吸收或發(fā)射電磁輻射，只能以量子的方式進(jìn)行，每個(gè)量子的能量為E=hν，稱為作用量子，即對(duì)于頻率ν的輻射能量，物體只能以hν為能量單位吸收或發(fā)射，這里的h為普朗克常數(shù)。能量子假說的提出具有劃時(shí)代意義，標(biāo)志了物理學(xué)的新紀(jì)元。量子理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論和實(shí)驗(yàn)不可缺少的基本理論。

其他物理學(xué)家也為量子論的創(chuàng)立作出了重要貢獻(xiàn)。愛因斯坦是第一個(gè)意識(shí)到量子概念具有普遍意義的科學(xué)家。針對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)與經(jīng)典理論的矛盾，愛因斯坦提出了光量子假說，在固體比熱問題上成功地運(yùn)用了能量子概念，并用光量子理論解釋了光電效應(yīng)中出現(xiàn)的新現(xiàn)象，從而為量子理論的發(fā)展打開了局面，同時(shí)進(jìn)一步證明了普朗克提出的能量不連續(xù)概念。此后，玻爾、德布羅意、薛定諤和海森堡等許多科學(xué)家也對(duì)量子論的發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。1913年，玻爾運(yùn)用量子化概念提出“玻爾的原子理論”，對(duì)氫光譜作出了有效的解釋，使量子論取得了初步驗(yàn)證。1923年，法國物理學(xué)家德布羅意提出了物質(zhì)波假說，之后薛定諤沿著物質(zhì)波概念確立了電子波動(dòng)方程。與此同時(shí)，海森堡創(chuàng)立了解決量子波動(dòng)理論的矩陣方法。1925年9月，玻恩與物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家約丹合作，將海森堡的矩陣方法發(fā)展成系統(tǒng)的矩陣力學(xué)理論，從而把量子論發(fā)展推向了一個(gè)新的高度。

量子理論跨越了牛頓力學(xué)中的死角，在解釋事物的宏觀行為時(shí)，只有量子理論能處理原子和分子現(xiàn)象中的細(xì)節(jié)。歷經(jīng)百年，盡管否定量子論或?qū)ζ浯嬉傻目茖W(xué)家也不少，相關(guān)爭(zhēng)論也一直沒有消除，但這一理論正逐漸為多數(shù)物理學(xué)家所認(rèn)可，同時(shí)其在實(shí)踐中獲得的成就令整個(gè)物理界為之稱奇。

量子力學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用。量子力學(xué)（Quantum Mechanics）為物理學(xué)理論，是研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支，主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)。它與相對(duì)論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。量子力學(xué)不僅是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論之一，而且在化學(xué)等學(xué)科和許多近代技術(shù)中也得到了廣泛應(yīng)用。

量子物理學(xué)是由許多現(xiàn)代物理學(xué)家共同創(chuàng)立的新物理學(xué)科。1926年，量子力學(xué)的奠基人之一薛定諤研究發(fā)現(xiàn)，從數(shù)學(xué)的角度上看，波動(dòng)力學(xué)和矩陣力學(xué)是完全等價(jià)的，并將其統(tǒng)稱為量子力學(xué)。薛定諤發(fā)明的波動(dòng)方程由于比海森堡的矩陣更易理解，因而成為量子力學(xué)的基本方程。1935年，薛定諤意識(shí)到了量子力學(xué)中存在不確定性的問題，因此假設(shè)了系統(tǒng)中處于兩種態(tài)的疊加之中的貓，即由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓就理應(yīng)處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)，這就是著名的“薛定諤貓”思維實(shí)驗(yàn)。1928年，狄拉克將相對(duì)論運(yùn)用于量子力學(xué)，經(jīng)由海森堡、泡利等人的發(fā)展，形成了量子電動(dòng)力學(xué)，致力于研究電磁場(chǎng)與帶電粒子的相互作用。

區(qū)別于經(jīng)典力學(xué)、相對(duì)論（宏觀低速、高速世界），量子力學(xué)從根本上改變了人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其相互作用的理解，明確解釋了原子世界“微觀宇宙”的奇異屬性：在這個(gè)“微觀宇宙”中，亞原子粒子被“類粒子力”聚在一起，原子由原子核和圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子組成，原子核又由中子和質(zhì)子組成，大約100種不同類型的原子或元素構(gòu)成了我們已知的所有物質(zhì)世界。

當(dāng)代物理學(xué)中，集成芯片從根源來說是量子理論發(fā)展之后的技術(shù)產(chǎn)物。集成電路的芯片將電路元器件，如電阻、二極管等在半導(dǎo)體芯片上集成，這一半導(dǎo)體技術(shù)以半導(dǎo)體理論為基礎(chǔ)，而半導(dǎo)體理論以量子理論為基礎(chǔ)。在半導(dǎo)體的微型化已接近極限的情況下，如果繼續(xù)縮小，微電子技術(shù)理論就會(huì)顯得無能為力，必須依靠量子力學(xué)中的量子結(jié)構(gòu)理論來解決問題。美國威斯康星大學(xué)材料科學(xué)家馬克斯·拉加利等人根據(jù)量子力學(xué)理論，已研發(fā)出可容納單個(gè)電子的被稱為“量子點(diǎn)”的微小結(jié)構(gòu)，這種量子點(diǎn)非常微小，一個(gè)針尖上可容納幾十億個(gè)量子點(diǎn)。據(jù)此，研究人員可用量子點(diǎn)制造由單個(gè)電子運(yùn)動(dòng)來控制開和關(guān)狀態(tài)的晶體管。可以預(yù)見，量子力學(xué)理論將對(duì)電子工業(yè)產(chǎn)生重大影響，成為物理學(xué)一個(gè)尚未開發(fā)而又具有廣闊前景的新領(lǐng)域。

量子技術(shù)催生量子黑科技

創(chuàng)立百余年來，量子力學(xué)催生了第一次量子革命，改變了世界面貌。原子彈、芯片、激光等重大發(fā)明本源上都來自量子力學(xué)。量子技術(shù)作為基于量子力學(xué)發(fā)展起來的前沿技術(shù)，成為當(dāng)今尖端科技中的一大熱門，正在引領(lǐng)“第二次量子革命”，產(chǎn)生了一系列顛覆傳統(tǒng)技術(shù)的黑科技。

量子加密。在量子黑科技中，量子加密號(hào)稱“地表最強(qiáng)加密手段”。普通的加密手段通過數(shù)學(xué)算法進(jìn)行加密，算法越復(fù)雜越難破解，但隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，這種加密手段的可靠性逐漸降低，而量子加密利用電子的不可克隆性以保證通信的安全性。因?yàn)楦`聽信息需要先復(fù)制信息，而不可克隆性保證了量子信息本身（或者由它生成的量子密碼）不會(huì)被復(fù)制，因而斷絕了一切竊聽的可能性。

量子加密采用的原理是根據(jù)“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”和“單量子不可復(fù)制原理”建立的量子密碼概念?！昂Ｉy(cè)不準(zhǔn)原理”是量子力學(xué)的定理，指在同一時(shí)刻以相同精度測(cè)定量子的位置與動(dòng)量是不可能的，只能精確測(cè)定兩者之一?！皢瘟孔硬豢蓮?fù)制原理”是“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”推論得出的定理，指在不確定量子狀態(tài)的情況下復(fù)制單個(gè)量子是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閺?fù)制單個(gè)量子需要先做測(cè)量，而測(cè)量必然改變狀態(tài)、出現(xiàn)擾動(dòng)，因而量子加密是絕對(duì)安全、不可能被破譯的。目前，量子加密技術(shù)在密碼學(xué)上的應(yīng)用可分為兩類：一是利用量子計(jì)算機(jī)對(duì)傳統(tǒng)密碼體制進(jìn)行分析，另一類是利用單光子的測(cè)不準(zhǔn)原理在光纖一級(jí)實(shí)現(xiàn)密鑰信息加密?？偟膩砜?，量子加密比普通電子郵件或無線電方式更為優(yōu)越，因?yàn)檫@種方式從理論上不能夠被破壞或攔截。

量子通信。量子通信是近三十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信由于其高效安全的信息傳輸已受到人們的廣泛關(guān)注，并因此成為國際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。近年來，這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没较虬l(fā)展。

量子通信主要涉及量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等領(lǐng)域，指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通信方式。量子糾纏是微觀世界一種特有的物理現(xiàn)象，即兩個(gè)粒子之間不論相距多遠(yuǎn)，不受空間影響、不需任何連接，卻好像有一根無形的線牽著，只要一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化，就能立即使另一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化。量子通信正是利用量子糾纏效應(yīng)這種神奇的“心靈感應(yīng)”現(xiàn)象進(jìn)行信息傳遞的，其雖僅是量子力學(xué)最簡(jiǎn)單的一個(gè)應(yīng)用，但卻解決了很多傳統(tǒng)密碼學(xué)長期未能解決的根本性安全問題。

量子通信的全稱是“量子加密通信”，其實(shí)現(xiàn)是基于量子態(tài)傳輸。量子通信依舊由電磁波攜帶信息，量子技術(shù)只是把攜帶信息的電磁波保護(hù)起來了。為便于傳輸，現(xiàn)有的量子通信實(shí)驗(yàn)一般以光子為量子態(tài)載體，其表現(xiàn)形式即為光子態(tài)傳輸。

量子計(jì)算。量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。較之于傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)的理論模型是用量子力學(xué)規(guī)律重新詮釋的通用圖靈機(jī)。從可計(jì)算的問題來看，量子計(jì)算機(jī)只能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所能解決的問題;但從計(jì)算的效率上，由于量子力學(xué)疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時(shí)速度要快于傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算的基本屬性是疊加（superposition）、糾纏（entanglement）和干涉（interference）。疊加是量子系統(tǒng)同時(shí)處于多種狀態(tài)的能力，它使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導(dǎo)致量子信息處理在效率上相比于經(jīng)典信息處理方式具有更大潛力;糾纏是量子的一個(gè)屬性，它通過將對(duì)象永久糾纏在一起從而實(shí)現(xiàn)對(duì)象的連接;干涉可用于控制量子態(tài)，并放大引起正確答案的信號(hào)，同時(shí)刪除引起錯(cuò)誤答案的信號(hào)。

量子計(jì)算使計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力頂?shù)蒙犀F(xiàn)在世界上所有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的的運(yùn)算能力之和。量子計(jì)算機(jī)一旦取得突破，所有的加密算法都會(huì)瞬間被暴力破解，全部信息將失去安全屏障，完全暴露在量子計(jì)算機(jī)的視野內(nèi)，因此，量子計(jì)算機(jī)也是目前建設(shè)科技強(qiáng)國重點(diǎn)攻關(guān)的技術(shù)難題。2015年5月，IBM在量子運(yùn)算上取得兩項(xiàng)關(guān)鍵性突破，開發(fā)出四量子位原型電路，奠定了未來10年量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。2016年8月，美國馬里蘭大學(xué)學(xué)院市分校發(fā)明出世界上第一臺(tái)由5個(gè)量子比特組成的可編程量子計(jì)算機(jī)。對(duì)于實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)，目前認(rèn)為需要經(jīng)過實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性、實(shí)用化的量子模擬機(jī)和容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)三個(gè)發(fā)展階段。2020年12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解，這一成果也使我國成功實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算研究的“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

量子測(cè)量。量子測(cè)量是量子力學(xué)最基本和核心的問題之一。經(jīng)典物理學(xué)中的測(cè)量過程可以理解為對(duì)被測(cè)者客觀物理實(shí)在的忠實(shí)且不加改變的提取。然而在量子體系中，根據(jù)馮·諾依曼測(cè)量假定，量子測(cè)量會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)坍縮到待測(cè)物理量的本征態(tài)，即量子測(cè)量對(duì)被測(cè)系統(tǒng)有反作用。可見，量子測(cè)量不同于一般經(jīng)典力學(xué)中的測(cè)量，會(huì)對(duì)被測(cè)量子系統(tǒng)產(chǎn)生影響，如改變被測(cè)量子系統(tǒng)的狀態(tài)，則處于相同狀態(tài)的量子系統(tǒng)被測(cè)量后將得到完全不同的結(jié)果，但這些結(jié)果符合一定的概率分布。

量子測(cè)量基于微觀粒子量子態(tài)精密測(cè)量，完成被測(cè)系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出，在測(cè)試精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。在量子測(cè)量方面，目前已經(jīng)研發(fā)和攻克了原子的激光冷卻與俘獲技術(shù)、原子噴泉技術(shù)、物質(zhì)波的干涉操控技術(shù)、原子能態(tài)及相關(guān)量子信息的探測(cè)提取技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。通過量子測(cè)量，可以了解量子的物理狀態(tài)和性質(zhì)，從而更好地對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用。以量子通信中的量子密鑰分發(fā)為例，這種量子通信方式利用量子的不可復(fù)制性以及測(cè)量的隨機(jī)性生成量子密碼，給傳統(tǒng)的數(shù)字通信加密。由于量子測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)性，需要采用經(jīng)典通信的方式進(jìn)行比對(duì)，選出一致結(jié)果作為最終的量子密碼。量子密碼之所以保密性強(qiáng)，也是因?yàn)榱孔訙y(cè)量的結(jié)果是完全隨機(jī)的，因而生成的密碼也是完全隨機(jī)性的。

當(dāng)前，以量子慣性導(dǎo)航、量子目標(biāo)識(shí)別、量子重力測(cè)量、量子時(shí)間基準(zhǔn)和量子磁場(chǎng)測(cè)量等為代表的新型量子測(cè)量領(lǐng)域，在國防建設(shè)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域極具戰(zhàn)略價(jià)值，受到世界各國政府和研究機(jī)構(gòu)的重視。其在解決工程化和實(shí)用化等問題后，有望在關(guān)系國家安全和國計(jì)民生的重點(diǎn)領(lǐng)域率先進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域。

量子技術(shù)在當(dāng)今世界的發(fā)展

由于量子技術(shù)對(duì)未來科技發(fā)展具有重大影響和戰(zhàn)略價(jià)值，各技術(shù)強(qiáng)國在量子技術(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。近年來，各國爭(zhēng)相將量子技術(shù)納入國家發(fā)展戰(zhàn)略，紛紛制定量子技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，推進(jìn)本國的量子技術(shù)發(fā)展。中國的量子技術(shù)發(fā)展后來居上，在量子應(yīng)用領(lǐng)域等多個(gè)方面已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

量子技術(shù)在國外的發(fā)展。20世紀(jì)90年代以來，美國、歐盟、日本等相繼開始了量子技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，并取得了豐碩成果。其中，美國領(lǐng)跑全球，引領(lǐng)了世界量子技術(shù)的發(fā)展。其他國家和集團(tuán)也積極發(fā)展本國的量子技術(shù)，并取得了顯著成效。

美國一直以來高度重視量子信息技術(shù)的相關(guān)研究，將量子信息技術(shù)作為引領(lǐng)未來軍事革命的顛覆性、戰(zhàn)略性技術(shù)。2018年9月，美國白宮科技政策辦公室國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)發(fā)布的《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》指出：量子測(cè)量有望為軍事任務(wù)提供先進(jìn)的傳感器，發(fā)展新的測(cè)量科學(xué)和量子基準(zhǔn)，改善導(dǎo)航和定時(shí)技術(shù);同時(shí)，由美國能源部和國家科學(xué)基金會(huì)牽頭，計(jì)劃自2019年起的5年內(nèi)最高投入13億美元，建成10個(gè)研發(fā)和人才培養(yǎng)基地。此外，美國國防部和中央情報(bào)局還將為量子技術(shù)研發(fā)提供支援。

與此同時(shí)，其他一些國家和集團(tuán)也積極推進(jìn)各自的量子技術(shù)發(fā)展。其中，歐盟通過了《量子宣言》，于2018年啟動(dòng)了一項(xiàng)耗資10億歐元的“量子技術(shù)旗艦計(jì)劃”，加大量子通信、量子測(cè)量、模擬、傳感和計(jì)算的研究和應(yīng)用力度，從而對(duì)量子科學(xué)研究、產(chǎn)業(yè)推廣、技術(shù)轉(zhuǎn)化、人才培養(yǎng)等方面給予重要支撐;英國在2015年發(fā)布的《英國量子技術(shù)路線圖》中對(duì)原子鐘、量子傳感器、量子慣性導(dǎo)航和量子增強(qiáng)成像等技術(shù)領(lǐng)域可能的商業(yè)化實(shí)踐和發(fā)展路線圖進(jìn)行了分析和研究，并在《量子技術(shù)國家戰(zhàn)略》中提出了量子領(lǐng)域基礎(chǔ)研究、技術(shù)應(yīng)用、人才培養(yǎng)和國際合作方面的發(fā)展戰(zhàn)略;德國利用量子糾纏效應(yīng)打造量子互聯(lián)網(wǎng)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)原型，在節(jié)點(diǎn)之間完成了量子信息的可逆交換，并可在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生遠(yuǎn)程糾纏;日本將量子技術(shù)置于和人工智能、生物科技同等重要的位置，于2019年完成了“量子技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略”的制定;此外，加拿大、澳大利亞、巴西、印度等國在量子通信領(lǐng)域也相繼加大投入，加快推進(jìn)本國量子通信技術(shù)的發(fā)展。

中國量子技術(shù)處于全球領(lǐng)先地位。在2018年的新年賀詞中，習(xí)近平主席在總結(jié)回顧過去一年我國在科技創(chuàng)新領(lǐng)域的重大成就時(shí)，特別提到“量子計(jì)算機(jī)研制成功”。2017年，世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)在我國誕生，標(biāo)志著我國在基于光子的量子計(jì)算機(jī)研究方面取得突破性進(jìn)展，為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子計(jì)算奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在量子技術(shù)領(lǐng)域，中國量子技術(shù)發(fā)展取得了令全球矚目的成就，后來居上。在量子計(jì)算領(lǐng)域，中國雖然起步相對(duì)較晚，但發(fā)展速度飛快，在光子、超導(dǎo)、離子以及拓?fù)淞孔颖忍氐确矫婢薪洌壳氨３种?8個(gè)量子比特糾纏的世界紀(jì)錄;在量子傳感方面，中國在量子雷達(dá)、遙感成像、精密測(cè)量和導(dǎo)航方面進(jìn)展迅速，研究水平居世界前列;在量子保密通信領(lǐng)域，“墨子號(hào)”量子通信衛(wèi)星升空，“量子京滬干線”等超大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)投入應(yīng)用，我國科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)記錄，研究水平領(lǐng)先世界。這是中華民族的光榮和驕傲，更是中華民族在科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的“中國夢(mèng)”。

2016年8月16日，中國成功地發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，在國際上率先實(shí)現(xiàn)了高速星地量子通信，初步構(gòu)建了“天地一體化”的量子通信網(wǎng)絡(luò)。量子通信衛(wèi)星是一種傳輸高效的通信衛(wèi)星，能夠使中國制造的衛(wèi)星安全性得到質(zhì)的提升，從根本上解決信息安全問題。2019年9月，“墨子號(hào)”量子科學(xué)衛(wèi)星再獲重要成果，利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星對(duì)一類預(yù)言引力場(chǎng)導(dǎo)致量子退相干的理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。這是國際上首次利用量子衛(wèi)星在地球引力場(chǎng)中對(duì)嘗試結(jié)合量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，極大地推動(dòng)了相關(guān)物理學(xué)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究。2016年年底，“京滬干線”部分區(qū)段已經(jīng)開通，這是世界第一條量子通信保密干線，承載重要信息的保密傳輸，開啟了中國量子通信新時(shí)代。至2017年10月，中國已建成2000多公里量子通信的“京滬干線”，并相繼投建了“武合干線”“寧蘇干線”等骨干網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)進(jìn)程不斷加快。

隨著中國量子技術(shù)的普及和發(fā)展，量子通信作為保障未來信息社會(huì)通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，將有望走向大規(guī)模應(yīng)用，為信息化社會(huì)的發(fā)展提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和可靠的安全保障，并徹底解決基礎(chǔ)設(shè)施的信息安全問題。“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星上天、量子計(jì)算云平臺(tái)啟動(dòng)、“京滬干線”啟航，在這場(chǎng)微觀世界的量子技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中，中國“探夢(mèng)者”的創(chuàng)新步伐已經(jīng)走在世界量子技術(shù)領(lǐng)域的前沿。

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責(zé) 編/張 貝

李大光，國防大學(xué)聯(lián)合勤務(wù)學(xué)院教授、博導(dǎo)，國防大學(xué)百望智庫首席專家。研究方向?yàn)檐娛聭?zhàn)略、國防戰(zhàn)略、國家安全和國際關(guān)系。主要著作有《國家安全》、《走近還是遠(yuǎn)離戰(zhàn)爭(zhēng)》、《量子通信——世界信息科技的前沿陣地》（合著）等。