20世紀(jì)初，量子熱學(xué)剝開(kāi)長(zhǎng)久以來(lái)困惑數(shù)學(xué)學(xué)界的烏云，橫空出世，從根本上改變了人們對(duì)微觀世界的理解。歷經(jīng)百年，它除了成為數(shù)學(xué)、化學(xué)、天文、生命等學(xué)科在內(nèi)的整個(gè)現(xiàn)代自然科學(xué)的支柱，并且推動(dòng)了一系列現(xiàn)代科技的發(fā)展。
現(xiàn)現(xiàn)在，盡管“量子”這個(gè)名詞在普通大眾的視野中印見(jiàn)頻繁，但它神秘的面紗卻鮮為人揭。
國(guó)際量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域開(kāi)拓者之一、著名數(shù)學(xué)學(xué)家、中國(guó)科大學(xué)教授潘建偉，帶我們品位量子熱學(xué)、量子信息科學(xué)中深刻而豐富的化學(xué)內(nèi)涵，及其在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮的重要作用。
和許多求知若渴的化學(xué)學(xué)家一樣，潘教授對(duì)量子熱學(xué)的鉆研，源于對(duì)精典與量子熱學(xué)背后數(shù)學(xué)內(nèi)涵的深入思索。
眾所周知，在精典數(shù)學(xué)中，一旦了解了一個(gè)粒子的初始狀態(tài)，其未來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)原理上都是可以被精確預(yù)言的。
這么，如今發(fā)生的一切風(fēng)波，雖然從宇宙大爆燃伊始就全都被決定了，既然這么，個(gè)人的努力還有意義嗎？
對(duì)待這些機(jī)械決定論的觀點(diǎn)，霍金有過(guò)一個(gè)特別有趣的評(píng)價(jià)：雖然相信一切都是上天注定的人，在過(guò)馬路時(shí)也會(huì)左右看，以免被車(chē)撞死。
而量子熱學(xué)的誕生，革新了我們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)——世界本質(zhì)上是帶有隨機(jī)性的。
這些對(duì)世界全新的認(rèn)識(shí)，早年間在數(shù)學(xué)學(xué)界引起了巨大的爭(zhēng)辯，愛(ài)因斯坦曾指責(zé)：上帝是不擲色子的，他覺(jué)得這些隨機(jī)性的背后應(yīng)當(dāng)由更基本的確定性支配。
圖1
與精典世界中所有物體都處于確定的狀態(tài)不同，在量子世界中，物體可以處于不同狀態(tài)的疊加。
一個(gè)為人熟知的思想實(shí)驗(yàn)是薛定諤的貓，量子世界中的貓可以處在又死又活的疊加狀態(tài)（圖1），直至外界對(duì)它進(jìn)行觀測(cè)，這個(gè)疊加態(tài)就會(huì)塌縮到精典的狀態(tài)，死貓或則活貓。
量子世界中容許疊加狀態(tài)存在的特點(diǎn)，造成了好多與精典化學(xué)不同的結(jié)果。
比如在精典世界中，我們可以通過(guò)檢測(cè)一個(gè)物體獲得它的全部信息，并進(jìn)行克隆。但量子熱學(xué)告訴我們，對(duì)未知量子態(tài)的檢測(cè)會(huì)擾動(dòng)其初始狀態(tài)，致使未能獲得原件的全部信息，致使單個(gè)未知的量子態(tài)未能被精確克隆，而這也是量子密碼安全性的基礎(chǔ)。
除此之外，量子熱學(xué)的革命還促使了包括計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、GPS等諸多現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展。
隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展面臨著許多困局問(wèn)題。
首先，網(wǎng)路信息安全面臨嚴(yán)重的恐嚇。傳統(tǒng)信息安全依賴于加密算法，而加密算法的安全性依賴于估算復(fù)雜度，隨著估算能力的提高，這種算法在原理上就會(huì)被破解。
據(jù)悉，估算能力的發(fā)展也遇見(jiàn)了困局。發(fā)展算力的傳統(tǒng)方法主要是降低晶體管的集成度，但這最終會(huì)促使晶體管的規(guī)格步入亞納米尺度，量子隧穿效應(yīng)將顯露，以至于精典的電路原理不再適用，但是隨著集成度的下降，煤耗也會(huì)更加巨大。
圖2
經(jīng)過(guò)百年的發(fā)展，量子熱學(xué)早已為解決這種問(wèn)題做好了充足的打算，這主要依賴于量子熱學(xué)中疊加與糾纏這兩個(gè)基本性質(zhì)。
與一個(gè)粒子可以處在疊加狀態(tài)類似，兩個(gè)粒子也可以共同組成疊加狀態(tài)，而糾纏態(tài)正是一種特殊的疊加態(tài)。
對(duì)于兩只處于特定糾纏態(tài)（圖2）的貓，一旦看到其中一只是活的，另一只會(huì)馬上塌縮到活的狀態(tài)量子通訊潘，不論相隔多遠(yuǎn)。愛(ài)因斯坦稱這些現(xiàn)象為：遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的奇特互動(dòng)。
當(dāng)時(shí)對(duì)這些現(xiàn)象的理解，眾說(shuō)紛紜。愛(ài)因斯坦覺(jué)得，假如對(duì)一個(gè)粒子沒(méi)有引起任何影響卻還能精確預(yù)言它的狀態(tài)，這么這個(gè)數(shù)學(xué)量的值一定是預(yù)先確定好的，與是否執(zhí)行檢測(cè)無(wú)關(guān)。
這些觀點(diǎn)被稱為定域?qū)嵲谡?，與此相對(duì)的還有另一種闡釋：?jiǎn)蝹€(gè)粒子的化學(xué)量在檢測(cè)之前并沒(méi)有確定的值，只有在檢測(cè)的時(shí)侯，能夠決定它的狀態(tài)。
這兩種觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)中并不能彰顯出差異，直至1964年，化學(xué)學(xué)家貝爾提出了知名的貝爾不方程，表明這兩種觀點(diǎn)可以在實(shí)驗(yàn)上被分辨，雖然這么，對(duì)不方程的完美檢驗(yàn)還仍然有待實(shí)驗(yàn)的深化。
在不斷設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)精確驗(yàn)證貝爾不方程的過(guò)程中，科學(xué)家漸漸發(fā)展出了一套精確調(diào)控糾纏粒子技術(shù)，這種新技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了第二次量子革命量子通訊潘，直接促進(jìn)了量子通訊、量子估算、量子精密檢測(cè)等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。
圖3
在量子通訊方面，第一項(xiàng)比較成熟的研究是量子秘鑰分發(fā)（圖3）。
在傳輸秘鑰的過(guò)程中，由量子熱學(xué)的基本原理保證，監(jiān)聽(tīng)者不可能在通信者不知情的情況下?lián)屪呋驈?fù)制秘鑰，這就保證了秘鑰分發(fā)在原理上是絕對(duì)安全的。
另一種有趣的研究叫量子隱型傳態(tài)，借助兩粒子之間的糾纏，可以實(shí)現(xiàn)量子態(tài)在兩地間的傳輸，而這也是建立量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)之一。
由于量子比特可以處在疊加態(tài)的這些特點(diǎn)，促使量子估算的估算能力隨可操縱的量子比特?cái)?shù)呈指數(shù)下降，所以理論上它可以突破精典計(jì)算機(jī)算力的困局，這對(duì)大數(shù)據(jù)、人工智能、氣象預(yù)報(bào)和抗生素設(shè)計(jì)等領(lǐng)域還會(huì)起到促進(jìn)的作用。
有了理論研究的基礎(chǔ)以后，怎樣把理論成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用同樣也面臨著很大的挑戰(zhàn)。
比如，盡管量子通訊在理論上是安全的，但在現(xiàn)實(shí)條件下，并不能保證光源或偵測(cè)器按預(yù)期完美地工作，這樣一來(lái)可能造成存在安全性的漏洞被監(jiān)聽(tīng)者借助。
另外，因?yàn)楣饫w的固有耗損會(huì)隨著傳輸距離指數(shù)下降，致使現(xiàn)實(shí)中遠(yuǎn)距離傳輸量子比特顯得異常困難。
這種困局直至近日才被克服，到目前為止早已可以比較放心地覺(jué)得，現(xiàn)實(shí)條件下量子通訊系統(tǒng)的安全性早已迫近理論的預(yù)期。
為了使量子通訊技術(shù)更具實(shí)用性，其通訊距離還須要被進(jìn)一步擴(kuò)充，潘建偉團(tuán)隊(duì)采用了基于可信中繼的遠(yuǎn)距離量子通訊技術(shù)，于2017年完善了總長(zhǎng)2000余公里的城際光纖量子通訊干線“京滬干線”。
圖4
潘教授介紹，可信量子中繼技術(shù)并不是解決遠(yuǎn)距離通訊的終極方案，她們提出一套自由空間的量子通訊方案，在研究中攻破了許多技術(shù)難關(guān)，通過(guò)不懈的努力，最終于2016年8月成功發(fā)射了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（圖4）。
帶著科學(xué)任務(wù)的“墨子號(hào)”衛(wèi)星從上天伊始，就不斷地給地面?zhèn)鱽?lái)喜訊：千公里級(jí)量子秘鑰分發(fā)的速度相較于同距離地光纖，被提升了20個(gè)數(shù)目級(jí)；千公里級(jí)地星量子隱型傳態(tài)得以實(shí)現(xiàn)。隨即她們又和多國(guó)合作，完成了洲際量子通訊實(shí)驗(yàn)。
馬不停蹄，潘建偉團(tuán)隊(duì)于2020年又實(shí)現(xiàn)了基于糾纏的量子秘鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，原理上可以做到，雖然衛(wèi)星為別人控制，也能獲得安全的秘鑰。這必將實(shí)現(xiàn)所有密碼學(xué)者千年來(lái)的夢(mèng)想，做到密碼不可被破譯。
除此之外，相關(guān)技術(shù)還可以拿來(lái)檢驗(yàn)引力的量子化問(wèn)題，并早已得到了一些初步的結(jié)果。
對(duì)于下一代量子通訊衛(wèi)星方案，潘建偉教授介紹，不僅低軌衛(wèi)星網(wǎng)路之外，還可以發(fā)射中高軌道的衛(wèi)星，這樣既能滿足機(jī)要部門(mén)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的需求，又能完善覆蓋全球、全天時(shí)的工作空間量子通訊網(wǎng)。
據(jù)悉，對(duì)量子估算發(fā)展的規(guī)劃，潘建偉教授也做了簡(jiǎn)略的介紹。
第一階段，預(yù)期實(shí)現(xiàn)對(duì)若干問(wèn)題的估算能力，趕超傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)；第二階段，實(shí)現(xiàn)專用的量子模擬機(jī)，以闡明若干精典計(jì)算機(jī)難以勝任的復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)的規(guī)律；第三階段，造出可編程的通用量子計(jì)算機(jī)。
目前，我國(guó)在光、超導(dǎo)、超冷原子量子估算實(shí)驗(yàn)等方面都取得了巨大的研究進(jìn)展。
未來(lái)，潘教授還預(yù)期建立一套完整的天地一體的廣域量子通訊網(wǎng)路技術(shù)體系來(lái)服務(wù)國(guó)家信息安全，建立超高精度的空間光鐘來(lái)偵測(cè)引力紅移與不同頻段的引力波，結(jié)合登月計(jì)劃實(shí)現(xiàn)地月之間的量子糾纏分發(fā)等。