【摘要】量子科技是當(dāng)前世界科技最前沿的領(lǐng)域之一，引發(fā)了一系列劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，不斷地改變著世界面貌。量子理論、量子力學(xué)的發(fā)展及其廣泛應(yīng)用推動(dòng)了量子技術(shù)的創(chuàng)新突破，催生了量子加密、量子通信、量子計(jì)算、量子測(cè)量等領(lǐng)域的黑科技。20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)、歐盟、日本等相繼開(kāi)始了量子通信技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用。中國(guó)在量子科技領(lǐng)域后來(lái)居上，已經(jīng)成為量子科技發(fā)展的領(lǐng)跑者。量子通信作為保障未來(lái)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。
【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(lèi)號(hào)】O413 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.07.011
李大光，國(guó)防大學(xué)聯(lián)合勤務(wù)學(xué)院教授、博導(dǎo)，國(guó)防大學(xué)百望智庫(kù)首席專(zhuān)家。研究方向?yàn)檐娛聭?zhàn)略、國(guó)防戰(zhàn)略、國(guó)家安全和國(guó)際關(guān)系。主要著作有《國(guó)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。
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(lái)越多的關(guān)注。近年來(lái)，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(wèn)題的研究，發(fā)現(xiàn)很多物理現(xiàn)象無(wú)法用經(jīng)典理論解釋?zhuān)缥⒂^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(wú)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(guò)經(jīng)典力學(xué)來(lái)解釋?zhuān)⒃诤隗w輻射研究中引入能量量子，于1900年12月14日在德國(guó)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(chēng)為量子?？梢?jiàn)，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(wèn)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(lái)說(shuō)，一個(gè)人就是一個(gè)量子；對(duì)于上臺(tái)階來(lái)說(shuō)，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(shuō)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(lèi)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(lái)說(shuō)，分子、原子、夸克等是構(gòu)成物質(zhì)的粒子；而從能量傳播來(lái)說(shuō)，量子是能量傳播過(guò)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(wú)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(píng)果”是具體的實(shí)物，你問(wèn)“5”和“3個(gè)蘋(píng)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(méi)有可比較性。
通過(guò)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。現(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(kāi)放性和不確定性，給人類(lèi)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(guó)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(wú)限可分和信息攜帶等問(wèn)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(chēng)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(shuō)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(ài)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(ài)因斯坦提出了光量子假說(shuō)，在固體比熱問(wèn)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(kāi)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?zhuān)沽孔诱撊〉昧顺醪津?yàn)證。1923年，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出了物質(zhì)波假說(shuō)，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(méi)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(chēng)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(chēng)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(wèn)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(méi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lái)說(shuō)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(wú)能為力，必須依靠量子力學(xué)中的量子結(jié)構(gòu)理論來(lái)解決問(wèn)題。美國(guó)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(chēng)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(lái)控制開(kāi)和關(guān)狀態(tài)的晶體管?？梢灶A(yù)見(jiàn)，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(kāi)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(lái)，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(lái)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(lái)的前沿技術(shù)，成為當(dāng)今尖端科技中的一大熱門(mén)，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(chēng)“地表最強(qiáng)加密手段”。普通的加密手段通過(guò)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(tīng)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(tīng)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。“海森堡測(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。“單量子不可復(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(lèi)：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(lèi)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。總的來(lái)看，量子加密比普通電子郵件或無(wú)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(lái)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(guó)際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，這門(mén)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(wú)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(zhǎng)期未能解決的根本性安全問(wèn)題。
量子通信的全稱(chēng)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(lái)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(wèn)題來(lái)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(guó)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(kāi)發(fā)出四量子位原型電路，奠定了未來(lái)10年量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。2016年8月，美國(guó)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(guò)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(guó)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(guó)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(wèn)題之一。經(jīng)典物理學(xué)中的測(cè)量過(guò)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?？梢?jiàn)，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(guò)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(guó)防建設(shè)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域極具戰(zhàn)略?xún)r(jià)值，受到世界各國(guó)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(wèn)題后，有望在關(guān)系國(guó)家安全和國(guó)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(lái)科技發(fā)展具有重大影響和戰(zhàn)略?xún)r(jià)值，各技術(shù)強(qiáng)國(guó)在量子技術(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。近年來(lái)，各國(guó)爭(zhēng)相將量子技術(shù)納入國(guó)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(guó)的量子技術(shù)發(fā)展。中國(guó)的量子技術(shù)發(fā)展后來(lái)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(guó)外的發(fā)展。20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)、歐盟、日本等相繼開(kāi)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(guó)領(lǐng)跑全球，引領(lǐng)了世界量子技術(shù)的發(fā)展。其他國(guó)家和集團(tuán)也積極發(fā)展本國(guó)的量子技術(shù)，并取得了顯著成效。
美國(guó)一直以來(lái)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(lái)軍事革命的顛覆性、戰(zhàn)略性技術(shù)。2018年9月，美國(guó)白宮科技政策辦公室國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)發(fā)布的《量子信息科學(xué)國(guó)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(guó)能源部和國(guó)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(guó)國(guó)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(guó)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(guò)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(guó)在2015年發(fā)布的《英國(guó)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(guó)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(guó)際合作方面的發(fā)展戰(zhàn)略；德國(guó)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(guó)在量子通信領(lǐng)域也相繼加大投入，加快推進(jìn)本國(guó)量子通信技術(shù)的發(fā)展。
中國(guó)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(guò)去一年我國(guó)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(guó)誕生，標(biāo)志著我國(guó)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(guó)量子技術(shù)發(fā)展取得了令全球矚目的成就，后來(lái)居上。在量子計(jì)算領(lǐng)域，中國(guó)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?shù)，目前保持著18個(gè)量子比特糾纏的世界紀(jì)錄；在量子傳感方面，中國(guó)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(guó)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(guó)夢(mèng)”。
2016年8月16日，中國(guó)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(guó)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(guó)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(wèn)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(lèi)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(guó)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(kāi)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(kāi)啟了中國(guó)量子通信新時(shí)代。至2017年10月，中國(guó)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(guó)量子技術(shù)的普及和發(fā)展，量子通信作為保障未來(lái)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(wèn)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(guó)“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
The Development and Application Prospects of Quantum Science and Technology in the World
Li Daguang
Abstract: Quantum science and technology is one of the most advanced fields of science and technology in the world, which has given birth to a series of epoch-making scientific discoveries and technological inventions, and constantly changed the face of the world today. The development and wide application of quantum theory and quantum mechanics promote the innovation and breakthrough of quantum technology, and help to create the “black technologies” such as quantum encryption, quantum communication, quantum computing, and quantum measurement. Since the 1990s, the United States, the European Union and Japan have started the research and application of quantum communication technology. China was a late starter, but it has become a leader in the development of quantum science and technology. Quantum communication, as the key technology to ensure the security of communication in the future information society, is expected to be applied on a large scale, providing basic security services and reliable security guarantee for the development of information society.
Keywords: quantum science, quantum technology, quantum theory, quantum communication
