盤點(diǎn)近年來的科技熱詞，“量子”肯定能列入其中。但談?wù)摰娜硕啵斫獾娜藚s依舊寥寥。

量子力學(xué)不僅徹底改變了人類對(duì)世界的認(rèn)知，也將使我們的生活發(fā)生翻天覆地的變化。但量子究竟是什么？科技領(lǐng)域有何研究進(jìn)展？將為我們帶來什么？在近日第二十三屆中國科協(xié)年會(huì)上，全國政協(xié)委員，中國科協(xié)副主席、中國科學(xué)院院士潘建偉以“新量子革命”為題，為我們解答了諸多疑問——

量子力學(xué)重塑信息技術(shù)發(fā)展

在人類歷史上，產(chǎn)業(yè)革命總是和科學(xué)革命緊密相連，而以信息技術(shù)為代表的產(chǎn)業(yè)革命主要是建立在量子力學(xué)和相對(duì)論的基礎(chǔ)上。

所謂“量子”不是某種系統(tǒng)或某種物質(zhì)，而是對(duì)我們構(gòu)成物質(zhì)最基本單元的統(tǒng)稱，是能量最基本的攜帶者，它的基本特性就是不可分割性。

事實(shí)上，量子是我們的老朋友。量子力學(xué)為信息革命提供了硬件基礎(chǔ)，激光、半導(dǎo)體晶體管、芯片的原理等都源于量子力學(xué)。

“正如晶體管是計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，激光技術(shù)是現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐，導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展離不開原子鐘等精密測(cè)量技術(shù)的支撐……量子力學(xué)的建立直接催生了現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展。”潘建偉認(rèn)為，“經(jīng)過百余年的發(fā)展歷程，量子力學(xué)已經(jīng)為解決我們目前遇到的一些問題做好了技術(shù)上的儲(chǔ)備。”

為何提出“新量子革命”？是因?yàn)殡S著技術(shù)的發(fā)展，量子科學(xué)技術(shù)出現(xiàn)了新的方向和新的生命力。學(xué)界對(duì)量子領(lǐng)域的研究已經(jīng)從被動(dòng)觀測(cè)轉(zhuǎn)為對(duì)量子狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)操縱，被稱為“第二次量子革命”。

具體到信息技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域。一方面，信息安全是信息技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要瓶頸，目前的網(wǎng)絡(luò)信息安全每天都面臨著嚴(yán)重的威脅。大概在100多年之前，大家就開始討論，以人類的才智，到底能否構(gòu)造出一種人類自身不可破解的密碼？

另一方面，隨著人工智能和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，計(jì)算能力的需求進(jìn)一步增加，需要找到一種新的途徑。

在這樣的背景下，利用量子的基本性質(zhì)，推動(dòng)信息科技的進(jìn)一步發(fā)展就成為科學(xué)家們孜孜不倦的追求。

據(jù)潘建偉介紹，目前量子信息科學(xué)主要能夠提供兩種應(yīng)用方式：一是無條件安全的信息傳輸方式；二是提供超快的計(jì)算能力，揭示復(fù)雜系統(tǒng)規(guī)律。

具體來說，由于量子不可分割原理，如果信息被別人拿走，最后的接收者將收不到密鑰，也就不能拿密鑰進(jìn)行信息傳遞，這樣可以保證加密內(nèi)容不可破譯；再加上量子力學(xué)認(rèn)為，不可能把一個(gè)粒子的狀態(tài)信息精確“拷貝”一份而不改變它本身，即量子態(tài)是不可復(fù)制的，保證了量子分發(fā)本身的安全性。

在計(jì)算方面，量子論和經(jīng)典物理的最大不同，就是它認(rèn)為事物狀態(tài)并不是唯一確定的，而可以是各種可能性的“疊加”。如傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理信息的最小單位比特，要么是0要么是1；但在量子論看來，一個(gè)比特處于0和1的疊加態(tài)，被稱為“量子比特”，利用這種性質(zhì)處理數(shù)據(jù)時(shí)可以并行運(yùn)算。換句話說，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一次只能處理一個(gè)信息，而量子計(jì)算機(jī)一次可以處理N個(gè)信息的疊加，計(jì)算效率大大提高。因此，量子計(jì)算具有強(qiáng)大潛能，可用于經(jīng)典的密碼破譯、氣象預(yù)報(bào)、金融分析、藥物設(shè)計(jì)等。

走在前列的量子通信技術(shù)

2016年8月，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。這是世界上第一顆量子衛(wèi)星，為我國引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

“墨子號(hào)”是我國在過去20年間大力發(fā)展量子信息技術(shù)的一個(gè)縮影。“量子信息技術(shù)已經(jīng)成為歐美主要發(fā)達(dá)國家的一個(gè)重要戰(zhàn)略布局。但因?yàn)槲覈谶@個(gè)領(lǐng)域起步較早，也得到國家重視，所以一直保持一定優(yōu)勢(shì)。”

據(jù)潘建偉介紹，針對(duì)廣域量子通信的發(fā)展路線，國際上有3種發(fā)展路線：通過光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；通過中繼器實(shí)現(xiàn)城際量子通信；通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信。

我國在實(shí)用化城域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)方面已經(jīng)取得了較多進(jìn)展。如2007年，實(shí)現(xiàn)了光纖量子通信的安全距離首次突破100公里；2008年，建成首個(gè)全通型城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；2012年，建成46個(gè)節(jié)點(diǎn)的規(guī)模化量子通信網(wǎng)絡(luò)，并將“基于量子通信的高安全通信保障系統(tǒng)”投入永久運(yùn)行。

在基于可信中繼的城際量子通信網(wǎng)絡(luò)方面，我國已建立光纖總長(zhǎng)超2000公里的京滬干線，目前即將轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

而第三種發(fā)展路線——在全球范圍內(nèi)覆蓋各類海島、遠(yuǎn)洋船舶、駐外機(jī)構(gòu)等光纖難以或者無法到達(dá)的地方，“墨子號(hào)”的發(fā)射填補(bǔ)了這一空白。

潘建偉說，目前“墨子號(hào)”已順利完成了三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。“我們實(shí)現(xiàn)了北京和烏魯木齊之間遙遠(yuǎn)地點(diǎn)的量子分發(fā)，后又完成了雙向量子糾纏分發(fā)和遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，完成了‘墨子號(hào)’和京滬干線的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了洲際量子保密通信；并對(duì)量子力學(xué)與引力的融合進(jìn)行探索。”

實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”

在量子計(jì)算領(lǐng)域，由于其本身對(duì)環(huán)境的干擾非常敏感，潘建偉指出，真要造出一臺(tái)通用的量子計(jì)算機(jī)大概還需要20年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)闀?huì)涉及幾百萬量子比特的相關(guān)操縱。因此，學(xué)界定義了3個(gè)階段性的目標(biāo)：

第一階段是能夠操縱50到60個(gè)量子比特，使處理某些特殊計(jì)算問題時(shí)超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)；第二階段是能夠操縱數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)量子比特，構(gòu)建某種專用的量子計(jì)算機(jī)和量子模擬機(jī)，揭示某些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的復(fù)雜物理系統(tǒng)的規(guī)律；第三階段是構(gòu)建可編程的、通用的量子計(jì)算機(jī)。

我國在這些方面已取得了比較好的進(jìn)展。

據(jù)介紹，潘建偉團(tuán)隊(duì)在2017年便構(gòu)建了針對(duì)多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計(jì)算原型機(jī)，這是歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)。

2020年年底，我國成功構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解，比當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快100萬億倍。而且最近又進(jìn)一步升級(jí)，提高到113個(gè)光子，比2020年的結(jié)果提升了10個(gè)數(shù)量級(jí)。

此外，我國在超導(dǎo)量子計(jì)算方面也取得較好進(jìn)展。

2019年初，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院實(shí)現(xiàn)了12個(gè)量子比特糾纏“簇態(tài)”的制備，保真度達(dá)到70％，打破了以往10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏的紀(jì)錄。

2019年底，谷歌公司構(gòu)建了53個(gè)比特的超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)。

而今年5月，我國已成功研制出62個(gè)比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，計(jì)算能力比谷歌的快3個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，已進(jìn)一步提升到66個(gè)超導(dǎo)比特，比谷歌的快5個(gè)數(shù)量級(jí)。

潘建偉說，我國是美國之外唯一一個(gè)在光量子計(jì)算及超導(dǎo)量子計(jì)算兩個(gè)系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國家。

“目前，我們正在向量子計(jì)算的第二個(gè)目標(biāo)努力，即用量子模擬機(jī)解決重要的科學(xué)問題。如研究高溫超導(dǎo)的相關(guān)機(jī)制，推動(dòng)量子材料本身的發(fā)展，預(yù)計(jì)會(huì)在3至5年有較好進(jìn)展。”

同時(shí)，潘建偉希望通過10到15年的努力，發(fā)展出能夠支撐未來天地一體廣域量子通信的相關(guān)應(yīng)用；利用10年左右的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)操縱數(shù)百萬量子比特，為通用量子計(jì)算機(jī)的研究奠定基礎(chǔ)。