走進神秘的量子世界
經(jīng)濟日報·中國經(jīng)濟網(wǎng)記者 沈 慧
日前，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習。量子科技成為輿論關注的熱點話題。這一引發(fā)廣泛熱議的新晉“網(wǎng)紅”究竟是“何方神圣”，為何會受到全世界高度關注，在現(xiàn)實生活中又有何應用前景？經(jīng)濟日報記者帶您一起走近量子科技。
認識量子科技先要從量子說起。量子是什么？根據(jù)量子理論，量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。一個事物如果存在最小不可分割的基本單位，我們就可以說它是量子化的，并把最小單位稱為量子。所有人們熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。
什么是量子
中國科學院物理所研究員曹則賢在2020年跨年科學演講中曾打過這樣一個比方：我們生活中可以見到的、感知到的事物，包括光與能量的最小單位都能稱之為量子。就像我們遠處看魚群是烏泱烏泱的一片黑，但是放大了看就是一條條魚，這就可以說是魚群的量子。
中國科學技術(shù)大學副研究員、科普專家袁嵐峰在媒體上這樣撰文解釋：量子的本意是個數(shù)學概念，簡言之就是“離散變化的最小單元”。什么叫“離散變化”？袁嵐峰這樣撰文解釋：我們統(tǒng)計人數(shù)時，可以有一個人、兩個人，但不可能有半個人、三分之一個人。我們上臺階時，只能上一個臺階、兩個臺階，不能上半個臺階、三分之一個臺階。這些就是“離散變化”。對于統(tǒng)計人數(shù)來說，一個人就是一個量子。對于上臺階來說，一個臺階就是一個量子。如果某個東西只能離散變化，我們就說它是“量子化”的。
與我們認識的宏觀世界不同，人們發(fā)現(xiàn)在量子這一微觀世界中許多實驗現(xiàn)象違背常識，完全無法用經(jīng)典物理學詮釋。比如，根據(jù)經(jīng)典物理學，一個客體的狀態(tài)(用0和1表示)就像最簡單的二進制開和關，只能處于開或者關中的某一個狀態(tài)，即要么是0要么是1，這就好比一只貓，要么是生要么是死，不能同時“又生又死”。
然而，這一理論并不適用于量子世界。在量子世界中，一只貓可以處于又生又死的疊加狀態(tài)。這種所謂的量子相干疊加正是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別。更為神奇的是，這種疊加狀態(tài)極其脆弱，一旦有人去測量，它就會立刻從疊加狀態(tài)變?yōu)榇_定狀態(tài)。
美國物理學家、諾貝爾獎獲得者穆雷·蓋爾曼曾發(fā)出如是感慨：量子力學是一個神秘的、令人捉摸不透的學科，我們誰都談不上真正理解，只是知道怎樣去運用它。
量子通信無條件安全
雖然聽起來很神秘，其實量子科技距離我們并不遙遠。比如，信息時代的關鍵核心技術(shù)，晶體管、固態(tài)硬盤、掃描電子顯微鏡等，即是第一代量子技術(shù)的代表性成果。今天，量子科技發(fā)展具有重大科學意義和戰(zhàn)略價值，將引領新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。
中國科學院物理研究所研究員范桁介紹，量子科技主要包含三方面內(nèi)容，量子計算、量子保密通信與量子精密測量。其中，量子保密通信主要表現(xiàn)為量子秘鑰分發(fā)。量子精密測量主要以利用量子效應實現(xiàn)超越經(jīng)典方法的精密測量為主，具有廣泛應用價值。量子計算是量子科技重要組成部分，也是最具挑戰(zhàn)的目標，被認為是下一代信息產(chǎn)業(yè)制高點，意義重大。這三方面內(nèi)容也是世界各國量子計劃的主要組成部分。
目前，應用最為成熟的當屬量子通信。所謂量子通信，簡單說就是利用量子力學相關原理解決信息安全問題的通信技術(shù)。其中，一個著名原理就是量子糾纏。一般情況下，量子體系中一個物理量的值并不能預先確定，而是依賴于采取何種測量基；進一步，對處于量子糾纏的兩個粒子，對其中一個粒子的測量結(jié)果會瞬間確定另一個粒子的狀態(tài)，不論它們相距多么遙遠。這一被愛因斯坦稱作“鬼魅般的超距作用”，便是量子通信的理論基礎。
傳統(tǒng)通信方式建立在加密算法或者加密技術(shù)基礎之上，如果計算能力足夠強大破解了加密算法，就有被竊聽風險。量子的獨有特性，使其具有不可克隆、測不準等“先天優(yōu)勢”。用量子做成的“密鑰”來傳遞信息，加密內(nèi)容不會被破譯，竊聽者必然會被“抓包”，這為破解信息加密“瓶頸”提供了解決方案。
向著安全通信的夢想努力奔跑——我國于2016年8月份發(fā)射的“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，在2017年星地量子密鑰分發(fā)的成碼率已達到10千比特/秒(kbps)量級，成功驗證了星地量子密鑰分發(fā)的可行性。目前，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化，密鑰分發(fā)成碼率已經(jīng)達到100千比特/秒(kbps)量級，具備了初步實用價值。
1120公里！2020年，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星再立新功：科學家們利用“墨子號”作為量子糾纏源，向遙遠的兩地分發(fā)量子糾纏，在國際上首次實現(xiàn)了千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)——為量子通信走向現(xiàn)實應用奠定了重要基礎。
“量子通信克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患。因為，其安全性不依賴于計算復雜度，這是原理上無條件安全的一種通信方式。”中國科學院院士潘建偉稱。
量子計算潛力無限
除了量子保密通信，科學家們密切關注的另一個重要應用是量子計算機。
在古代，人們就已制造出了可作一定計算的器具與機器。比如，中國發(fā)明的算盤，歐洲早期發(fā)明的各種計算器械?，F(xiàn)代意義上世界第一臺計算機名為埃尼阿克，它重達27噸，占地150多平方米，在1945年建造成功，目的是計算炮彈彈道。馮諾依曼1945年明確提出了存儲程序通用計算機方案，規(guī)劃了電子計算機架構(gòu)，使得計算機可以被廣泛應用。
“但是，現(xiàn)有計算機基于微處理器芯片摩爾定律，這無疑會碰到技術(shù)瓶頸，于是人們開始思考建造一種全新計算機——量子計算機?！备鶕?jù)范桁的介紹，量子計算機的運行遵循量子力學原理，以量子比特為基本信息單元，以量子糾纏、相干疊加和量子測量為特色，其發(fā)展也將遵循經(jīng)典計算機類似的軌跡?！安贿^，我們現(xiàn)在看到的量子計算機原型機功能比較單一，只能模擬某些特定量子過程，或者解決某些簡單問題。”范桁說。
如果世界上有量子計算機，我們現(xiàn)有經(jīng)典計算機能否實現(xiàn)其功能？范桁分享了國際科研進展。2019年，谷歌宣布實現(xiàn)了53個量子比特的超導量子計算，在處理隨機線路采樣問題時，其200秒完成的任務經(jīng)典計算機要用一萬年。目前，超導量子處理器芯片已達到50個至100個量子比特，用經(jīng)典計算機模擬其功能需要用天河或者太湖之光這樣的超級計算機?！岸嘣黾右粋€量子比特，經(jīng)典計算機資源就需要翻番，這個競爭將不具有持續(xù)性。因此，量子計算機的功能不可能用經(jīng)典計算機來替代。”范桁表示。
不僅如此，與經(jīng)典算法相比，人們已知運行于量子計算機的某些量子算法具有明顯優(yōu)勢。比如，肖爾算法和格羅夫量子搜索，它們都在信息安全方面具有重要應用，這些算法的實用化運行將迅速對現(xiàn)有信息安全體系造成全面沖擊。在實用性方面，量子搜索算法可以期望應用于大數(shù)據(jù)；量子退火算法可以應用于優(yōu)化問題，比如物流和交通優(yōu)化等；量子模擬可以被應用于量子化學和量子物理研究，比如生物合成和藥物篩選等；量子模擬向量網(wǎng)絡態(tài)可應用于機器學習和神經(jīng)網(wǎng)絡等。
既然如此強大，量子計算機何時能從夢想照進現(xiàn)實？范桁坦言，量子計算機的研究剛剛起步，距離實用化需要的成千上萬個量子比特仍有較大距離。此外，量子計算機的建造兼具工程與科學特色，不可控因素較多，技術(shù)上也有瓶頸需要克服。因此，需要各領域?qū)＜衣?lián)合攻關，在集中資源重點突破的同時，兼顧多種技術(shù)路線。
比如，IBM等高科技公司逐漸擺脫了單純科研探索模式，以實用化、集成和綜合性為目標，其研發(fā)涵蓋軟硬件各個方向，實現(xiàn)方案大多選擇了超導量子計算方案，以提供云量子計算服務，培養(yǎng)量子計算生態(tài)作為一個重要的目標。中國科學家在超導量子計算方面也有世界性先進成果：中國科學院物理研究所、浙江大學和中國科大等合作，在去年實現(xiàn)了20超導量子比特的薛定諤貓態(tài)制備，創(chuàng)造了固態(tài)系統(tǒng)糾纏量子比特數(shù)世界紀錄。“長期來看，量子計算機功能強大，是下一代信息技術(shù)制高點，有望影響人類生活的方方面面，國際競爭不可避免?！狈惰煺f。
沈 慧