盤(pán)點(diǎn)近些年來(lái)的科技熱詞，“量子”肯定能納入其中。但談?wù)摰娜硕啵斫獾娜藚s依然寥寥。
量子熱學(xué)除了徹底改變了人類(lèi)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。但量子到底是哪些？科技領(lǐng)域有何研究進(jìn)展？將為我們帶來(lái)哪些？在近期第二十三屆中國(guó)文聯(lián)峰會(huì)上，全省政協(xié)委員，中國(guó)文聯(lián)副主席、中國(guó)科大學(xué)教授潘建偉以“新量子革命”為題，為我們解答了眾多疑惑——
量子熱學(xué)塑造信息技術(shù)發(fā)展
在人類(lèi)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)革命主要是構(gòu)建在量子熱學(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)最基本單元的總稱(chēng)，是能量最基本的攜帶者，它的基本特點(diǎn)就是不可分割性。
事實(shí)上，量子是我們的老同學(xué)。量子熱學(xué)為信息革命提供了硬件基礎(chǔ)，激光、半導(dǎo)體晶體管、芯片的原理等都緣于量子熱學(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)的重要支撐潘建偉 量子通訊，導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)原子鐘等精密檢測(cè)技術(shù)的支撐……量子熱學(xué)的構(gòu)建直接催生了現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展。”潘建偉覺(jué)得，“經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展歷程，量子熱學(xué)早已為解決我們目前遇見(jiàn)的一些問(wèn)題做好了技術(shù)上的儲(chǔ)備?！?span style="display:none">mGj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
為什么提出“新量子革命”？是由于隨著技術(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)域的研究早已從被動(dòng)觀測(cè)轉(zhuǎn)為對(duì)量子狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)操縱，被稱(chēng)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)展的重要困局，目前的網(wǎng)路信息安全每天都面臨著嚴(yán)重的恐嚇。大約在100多年之前，你們就開(kāi)始討論，以人類(lèi)的才智，究竟能夠構(gòu)造出一種人類(lèi)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(lái)，估算能力的需求進(jìn)一步降低，須要找到一種新的途徑。
在這樣的背景下，借助量子的基本性質(zhì)，促進(jìn)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)主要才能提供兩種應(yīng)用方法：一是無(wú)條件安全的信息傳輸方法；二是提供超快的估算能力，闡明復(fù)雜系統(tǒng)規(guī)律。
具體來(lái)說(shuō)，因?yàn)榱孔硬豢煞指钤恚偃粜畔⒈凰巳∽撸詈蟮慕邮照邔⑹詹坏矫罔€，也就不能拿秘鑰進(jìn)行信息傳遞，這樣可以保證加密內(nèi)容不可破譯；再加上量子熱學(xué)覺(jué)得，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。
在估算方面，量子論和精典數(shù)學(xué)的最大不同，就是它覺(jué)得事物狀態(tài)并不是惟一確定的，而可以是各類(lèi)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(lái)，一個(gè)比特處于0和1的疊加態(tài)，被稱(chēng)為“量子比特”，借助這些性質(zhì)處理數(shù)據(jù)時(shí)可以并行運(yùn)算。換句話(huà)說(shuō)，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，估算效率大大增強(qiáng)。為此，量子估算具有強(qiáng)悍潛能，可用于精典的密碼破譯、氣象預(yù)報(bào)、金融剖析、藥物設(shè)計(jì)等。
走在前列的量子通訊技術(shù)
2016年8月，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在蘭州衛(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(guó)推動(dòng)世界量子通訊技術(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(guó)在過(guò)去20年間大力發(fā)展量子信息技術(shù)的一個(gè)注腳?！傲孔有畔⒓夹g(shù)早已成為歐美主要發(fā)達(dá)國(guó)家的一個(gè)重要戰(zhàn)略布局。但由于我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域起步較早，也得到國(guó)家注重，所以始終保持一定優(yōu)勢(shì)?！?span style="display:none">mGj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
據(jù)潘建偉介紹，針對(duì)廣域量子通訊的發(fā)展路線(xiàn)，國(guó)際上有3種發(fā)展路線(xiàn)：通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通訊網(wǎng)路；通過(guò)中繼器實(shí)現(xiàn)城際量子通訊；通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通訊。
我國(guó)在實(shí)用化城域光纖量子通訊網(wǎng)路方面早已取得了較多進(jìn)展。如2007年，實(shí)現(xiàn)了光纖量子通訊的安全距離首次突破100公里；2008年，建成首個(gè)全通型城域量子通訊網(wǎng)路；2012年，建成46個(gè)節(jié)點(diǎn)的規(guī)?；孔油ㄓ嵕W(wǎng)路，并將“基于量子通訊的宜春全通訊保障系統(tǒng)”投入永久運(yùn)行。
在基于可信中繼的城際量子通訊網(wǎng)路方面，我國(guó)已完善光纖總長(zhǎng)超2000公里的滬寧干線(xiàn)，目前正式轉(zhuǎn)到商業(yè)營(yíng)運(yùn)。
而第三種發(fā)展路線(xiàn)——在全球范圍內(nèi)覆蓋各種海島、遠(yuǎn)洋船舶、駐外機(jī)構(gòu)等光纖無(wú)法或則未能抵達(dá)的地方，“墨子號(hào)”的發(fā)射彌補(bǔ)了這一空白。
潘建偉說(shuō)，目前“墨子號(hào)”已順利完成了三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)?！拔覀儗?shí)現(xiàn)了上海和哈爾濱之間遙遠(yuǎn)地點(diǎn)的量子分發(fā)潘建偉 量子通訊，后又完成了單向量子糾纏分發(fā)和遠(yuǎn)距離量子隱型傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，完成了‘墨子號(hào)’和滬寧干線(xiàn)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了洲際量子保密通訊；并對(duì)量子熱學(xué)與引力的融合進(jìn)行探求。”
實(shí)現(xiàn)“量子估算優(yōu)越性”
在量子估算領(lǐng)域，因?yàn)槠浔旧韺?duì)環(huán)境的干擾十分敏感，潘建偉強(qiáng)調(diào)，真要造出一臺(tái)通用的量子計(jì)算機(jī)大約還須要20年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，由于會(huì)涉及幾百萬(wàn)量子比特的相關(guān)操縱。為此，學(xué)劃分義了3個(gè)階段性的目標(biāo)：
第一階段是才能操縱50到60個(gè)量子比特，使處理個(gè)別特殊估算問(wèn)題時(shí)趕超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)；第二階段是還能操縱數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)量子比特，建立某種專(zhuān)用的量子計(jì)算機(jī)和量子模擬機(jī)，闡明個(gè)別精典計(jì)算機(jī)難以解決的復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)的規(guī)律；第三階段是建立可編程的、通用的量子計(jì)算機(jī)。
我國(guó)在這種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年便建立了針對(duì)多光子“玻色采樣”任務(wù)的光量子估算截?fù)魴C(jī)，這是歷史上第一臺(tái)趕超初期精典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)。
2020年年末，我國(guó)成功建立了76個(gè)光子的量子估算靶機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色采樣”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(wàn)億倍。并且近來(lái)又進(jìn)一步升級(jí)，提升到113個(gè)光子，比2020年的結(jié)果提高了10個(gè)數(shù)目級(jí)。
據(jù)悉，我國(guó)在超導(dǎo)量子估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％，打破了往年10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏的紀(jì)錄。
2019年末，微軟公司建立了53個(gè)比特的超導(dǎo)量子估算系統(tǒng)。
而去年5月，我國(guó)已成功研發(fā)出62個(gè)比特可編程超導(dǎo)量子估算靶機(jī)“祖沖之號(hào)”，估算能力比微軟的快3個(gè)數(shù)目級(jí)。目前，已進(jìn)一步提高到66個(gè)超導(dǎo)比特，比微軟的快5個(gè)數(shù)目級(jí)。
潘建偉說(shuō)，我國(guó)是德國(guó)之外惟一一個(gè)在光量子估算及超導(dǎo)量子估算兩個(gè)系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)“量子估算優(yōu)越性”的國(guó)家。
“目前，我們正在向量子估算的第二個(gè)目標(biāo)努力，即用量子模擬機(jī)解決重要的科學(xué)問(wèn)題。如研究低溫超導(dǎo)的相死機(jī)制，促使量子材料本身的發(fā)展，預(yù)計(jì)會(huì)在3至5年有較好進(jìn)展?！?span style="display:none">mGj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
同時(shí)，潘建偉希望通過(guò)10到15年的努力，發(fā)展出才能支撐未來(lái)天地一體廣域量子通訊的相關(guān)應(yīng)用；借助10年左右的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)操縱數(shù)百萬(wàn)量子比特，為通用量子計(jì)算機(jī)的研究奠定基礎(chǔ)。
（記者王碩）