余澤平

除了目前大熱的量子計算外，量子科技的主要應(yīng)用方向還包括量子通信和量子測量。同樣是基于量子力學(xué)的特性，量子通信和量子測量，在信息安全和防竊聽、測量精度和靈敏度方面突破經(jīng)典技術(shù)的瓶頸。與尚在實驗室進行研發(fā)的量子計算相比，量子通信已經(jīng)進入到應(yīng)用階段。

近來，“量子科技”成為了熱詞。但是作為“量子科技”理論基礎(chǔ)的量子論或者量子力學(xué)，卻有了一百多年的歷史。普朗克在1900年10月公布的黑體輻射（即熱輻射）能量密度公式，被認為是量子論的開端。其后的物理學(xué)理論基本是以量子力學(xué)為核心的，各領(lǐng)域的實際應(yīng)用可以說是量子力學(xué)的衍生品。

起源：物理學(xué)晴朗天空中的“兩朵烏云”

就在1900年，一個新世紀的開始，物理學(xué)們心情愉悅，認為物理學(xué)的天空一片晴朗，許多重大的物理問題都有了答案，可著名物理學(xué)家開爾文勛爵則認為，物理學(xué)晴朗的天空中仍在遠處飄著兩朵烏云。其中的一朵烏云是，電磁波（光）的媒介還沒有找不到。人們知道水波的媒介是水，找到了聲波的媒介是空氣或者其他可以傳播聲音的物質(zhì)。電磁波的媒介雖然被稱為以太，但卻找不到它的媒介物。 另一朵烏云是，有關(guān)電磁波的能量均分定理，無法確定一定溫度下各種電磁波的能量究竟是多少的問題。

幾乎以光的速度，開爾文勛爵的“兩朵烏云”被照亮了。

普朗克寫出了熱輻射中各種電磁波能量的公式，即普朗克定律。為此，普朗克假設(shè)，物質(zhì)通過振動發(fā)出或吸收電磁波時，振動的能量必須是某個基本單元的整數(shù)倍。這個基本單元叫做量子（愛因斯坦叫做光量子），是頻率乘以一個常數(shù)。這個常數(shù)就叫做普朗克常數(shù)。

5年之后的1905年，愛因斯坦在解釋了光電效應(yīng)的同時，還創(chuàng)立了相對論，并說明電磁波不需要媒介，由此第一朵烏云化作烏有。再過一年，愛因斯坦指出，光量子假說自然導(dǎo)致普朗克定律，第二朵烏云也隨之化為烏有。

光電效應(yīng)說明光信號可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?jù)此，發(fā)展出眾多應(yīng)用，如光電倍增管、光敏電阻、太陽能電池、數(shù)碼相機、材料研究中的光電子能譜等。

直到2019年，諾貝爾物理學(xué)獎仍然與量子力學(xué)有關(guān)，宇宙大爆炸產(chǎn)生的熱輻射，其能量完全符合普朗克定律。整個宇宙的演化都可以歸結(jié)為電磁波的量子化。

回溯歷史可以發(fā)現(xiàn)，早在1913年，玻爾就提出了能量量子化。1925年到1926年，海森堡、玻恩等物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子中電子狀態(tài)的改變會產(chǎn)生光子，并據(jù)以建立了矩陣力學(xué);而薛定諤則提出了波動方程（又稱薛定諤方程），準確描述了電子行為，清楚解釋了玻爾模型，被稱為波動力學(xué)。

隨后，狄拉克定義說，矩陣力學(xué)和波動力學(xué)是等價的，只不過是量子力學(xué)的不同形式而已。狄拉克的說法，與其他物理學(xué)家進展一起，系統(tǒng)構(gòu)建了量子力學(xué)理論。

特性：上帝擲的骰子？死活一體的貓？

量子力學(xué)最突出的或者實質(zhì)性的特性，是對它描述的概率性。對此特性的最貼切比喻，就是“上帝擲骰子”。

由此特性，量子力學(xué)解釋了化學(xué)。如元素周期表、化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)鍵、分子穩(wěn)定性等，都可以解釋為是電子和原子核在電磁力作用下的現(xiàn)象。

同樣，量子力學(xué)也可以幫助人類更清晰地理解宇宙。不論是最微觀的基本粒子，還是最宏觀的廣宇。從另一個方面說，量子力學(xué)的作用無處不在，從光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及由原子構(gòu)成的具體物質(zhì)。很明顯，正因此量子力學(xué)就成為現(xiàn)代科技的理論基礎(chǔ)。

其他未解之謎，比如暗物質(zhì)和暗能量，目前看還要依賴量子力學(xué)給出答案。

與這一特性緊密相連的是極為特殊的、違反人類直覺的五個量子效應(yīng)。

一是齊諾效應(yīng)?？梢孕蜗蠼忉屃孔悠嬷Z效應(yīng)的是“薛定諤的貓” 這一思想實驗：當(dāng)一只貓被困在放射性物質(zhì)的密閉盒子中，如果物質(zhì)衰變，產(chǎn)生的輻射就會觸發(fā)探測器，釋放出有毒的氣體將貓殺死。那么，在打開盒子進行測量之前，貓同時處于兩種狀態(tài)：活與死。一種狀態(tài)是衰變沒有發(fā)生，貓仍活著;另一種狀態(tài)是衰變已發(fā)生，貓已死亡。活與死竟是同體的，這在人類的意識中是難以言說的。但在打開盒子的一瞬間，貓的生死狀態(tài)就會確定為一種——要么活、要么死。

還有一種操作，如果頻繁地打開盒子，貓的生死狀態(tài)會發(fā)生改變嗎？以此來測量原子，就可以不斷地重設(shè)原子的衰變時鐘。而根據(jù)觀測方式的不同，原子的衰變可以被延遲或加速，就像貓的壽命得到延長或縮短。也就是說，一個量子系統(tǒng)是可以通過頻繁地重復(fù)測量而改變的。前者被稱為量子齊諾效應(yīng)，后者被稱為量子反齊諾效應(yīng)。奇諾效應(yīng)已經(jīng)得到實驗證實，這就意味著不需要去測量，只需要輕晃盒子，就會出現(xiàn)同樣的效果。

二是量子疊加效應(yīng)。與量子奇諾效應(yīng)相關(guān)聯(lián)的一個重要概念是量子疊加，也就是一個物體可以同時存在兩個或兩個以上的狀態(tài)，就如那只既死且活“薛定諤的貓”。當(dāng)然，在肉眼能看到的世界中這是看不到的，但在物理實驗中卻是已經(jīng)被證實的，如擁有兩種可能的自旋狀態(tài)的電子。在此基礎(chǔ)上，物理學(xué)家還證明了被稱為幽靈粒子的中微子，可在行進中同時處于兩種或兩種以上的狀態(tài)。

量子糾纏只不過是量子疊加的一種特殊狀態(tài)。

三是洪-歐-曼德爾效應(yīng)。洪-歐-曼德爾效應(yīng)描述的是當(dāng)兩個相同的光子在同時抵達一個分束器時，兩個光子總是成對地出現(xiàn)在分束器的同一側(cè)，永遠不會單獨出現(xiàn)在分束器的兩側(cè)。

分束器是一種能將光一分為二的物理實驗裝置。入射的光束穿過分束器和被從分束器反射回來的概率各占一半，那么，對于一個單光子而言，它應(yīng)該有50%的概率出現(xiàn)在分束器的任何一側(cè)。但實驗得到的現(xiàn)象，卻不是這樣，而是違反正常思維的兩個光子同時到達分束器時，總是出現(xiàn)在同一側(cè)。這一違反直覺的效應(yīng)首次由洪、歐和曼德爾在1987年用激光實驗證實，并因此命名。

四是真空雙折射效應(yīng)。光學(xué)中有兩個相連的現(xiàn)象，即偏振和雙折射。雙折射是指光通過某些透明晶體時的一種特殊性質(zhì)。光束通過這些晶體時的速度，由光的偏振方向以及相對于晶體結(jié)構(gòu)軸的運動方向決定。這些晶體可以將入射光分成兩束，且它們以不同的速度向不同的方向傳播。

一般情況下，光線在穿過真空時是不會發(fā)生變化的，但是當(dāng)光線穿過像中子星周圍的強磁場時，就會改變真空中的虛擬粒子的性質(zhì)，從而改變光的偏振。

五是量子溫度效應(yīng)。 在經(jīng)典物理世界，熱量從高向低是平滑傳遞的，但是在量子物理學(xué)中，在只由一層單層的碳原子構(gòu)成的石墨烯中，電子所攜帶的熱量會以波的形式傳播，并出現(xiàn)一些部分溫度不變，而另一些部分則溫度上升的特殊現(xiàn)象，更為奇特的是這些波的大小是可控的?？茖W(xué)家因此可以通過熱顯微鏡，在量子尺度上觀測溫度變化。那么，量子溫度效應(yīng)在計算、醫(yī)學(xué)和環(huán)境監(jiān)測等方面就可以大顯身手。

未來應(yīng)用：亂花漸欲迷人眼

諸多奇異的量子效應(yīng)，預(yù)示著眼花繚亂的應(yīng)用。

量子計算及未來產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

人們引以為傲的量子計算就是巧妙操縱量子疊加效應(yīng)，用量子力學(xué)原理作為計算邏輯，其計算速度極大超越了經(jīng)典計算的速度。

目前在用的計算機之所以被稱為經(jīng)典計算機，是因為它雖然在硬件上用到了半導(dǎo)體，也用到了量子力學(xué)，但是其計算邏輯并不是量子力學(xué)的。與現(xiàn)有的思考相比，量子力學(xué)的邏輯只能用“瘋狂”來形容。簡單來說，“一切過往皆為序章”，量子能夠同時存在于兩個地方，且能夠快速前進或后退，甚至能夠進行所謂的瞬間移動。這也是量子計算速度超越想象的原因所在。谷歌制造的量子計算機，據(jù)稱是現(xiàn)有計算速度的十萬倍。

如果說，經(jīng)典計算機的0或1只能分別運行的話，而在量子計算機那里，既能分別運算0或1，又能同時運算代表0和1，這也是一種疊加效應(yīng)。

同理，傳統(tǒng)計算機需要數(shù)十億年才能解決的問題，量子計算機在極短時間內(nèi)就能解決了。

具體來說，世界第一超算Summit需要大約1萬年完成的計算，量子計算機只需要3分20秒。

因此，有人說，量子計算將顛覆一切！

但就目前來說，能夠成熟應(yīng)用的量子計算還未出現(xiàn)，各先進國家也正處于努力提高量子比特（量子信息的基本單位，目前并沒有確切的表述，不同研究者有不同的表述）的階段。在產(chǎn)業(yè)方面，量子云被認為是量子計算最先落地的應(yīng)用領(lǐng)域，谷歌、亞馬遜、IBM、微軟等巨頭都已在量子云領(lǐng)域進行了布局。硬件方面，谷歌正在實驗54量子比特芯片，IBM開發(fā)了53量子比特的計算機。我國的進展是，騰訊、華為、百度、阿里巴巴均在積極參與量子計算的開發(fā)。潘建偉院士科研團隊正努力攻關(guān)高量子比特計算技術(shù)，其團隊在2018年成功實現(xiàn)了18個量子比特的糾纏。

日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學(xué)、意大利特倫托大學(xué)的合作者開發(fā)出一種專用的量子計算機——71個格點的超冷原子光晶格量子模擬器，對量子電動力學(xué)方程施溫格模型進行了成功模擬，通過操控束縛在其中的超冷原子，從實驗上觀測到了局域規(guī)范不變量，首次使用微觀量子調(diào)控手段在量子多體系統(tǒng)中驗證了描述電荷與電場關(guān)系的高斯定理，取得了利用規(guī)?；孔佑嬎愫土孔幽M方法求解復(fù)雜物理問題的重要突破。

科學(xué)家們在今年的達沃斯論壇上展望了量子計算的應(yīng)用前景，認為量子計算將極大推進大分子開發(fā)、加密算法破譯、人工智能等。

具體來說，一是加速新藥開發(fā)。這是因為量子計算天然具備擅長模擬分子特性，計算機數(shù)字形式可以直接幫助人類獲得大分子性狀，極大縮短理論驗證時間，加快開發(fā)COVID-19疫苗、抗癌藥物等的速度。

二是加速破解加密算法。這是量子疊加效應(yīng)最突出的特性。

三是加速人工智能。要實現(xiàn)更深層次的人工智能離不開量子計算硬件設(shè)備的成熟與完善以及量子人工智能算法的長足進步。

四是加速金融發(fā)展。量子計算可釋放的巨大算力，將為開發(fā)新的金融服務(wù)和產(chǎn)品帶來無限可能性。

量子通信及未來產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

量子通信分為量子密鑰分發(fā)（QKD）和量子隱形傳態(tài)兩大技術(shù)。目前來看，量子隱形傳態(tài)技術(shù)仍處于實驗室階段，正在進行實際應(yīng)用的是量子密鑰分發(fā)技術(shù)。

量子密鑰分發(fā)是一個通信雙方協(xié)商產(chǎn)生共享密鑰的過程。發(fā)送和接收裝置間通過量子信道和經(jīng)過認證的經(jīng)典信道相連。

在難度上，量子通信技術(shù)比量子計算稍低。我國在這一領(lǐng)域目前處于世界領(lǐng)先水平，“京滬干線”已建成，“墨子號”量子通信衛(wèi)星已發(fā)射，并實現(xiàn)了全球首次洲際量子通信。

因為量子通信所具有的高安全性，可廣泛應(yīng)用于對信息安全要求很高的領(lǐng)域或行業(yè)，如軍事國防、政務(wù)、金融、互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)、電力等。從長期的趨勢來看，更為安全、高效、穩(wěn)定的量子互聯(lián)網(wǎng)勢必會取代傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)。

軍事國防。因為軍事國防對信息安全要求最高，大概率會較快實現(xiàn)量子通信的大規(guī)模應(yīng)用，如作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)機動的安全軍事通信網(wǎng)絡(luò)、信息對抗能力等。

國家政務(wù)。政府機關(guān)單位（如公安、工商、地稅、財政）可以搭建量子通信節(jié)點，保證實時語音通信、實時文本通信，及文件傳輸?shù)鹊陌踩浴?/p>

金融。目前，金融交易的網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化、快速化和貨幣數(shù)字化快速推進，亟需提升金融交易的機密性、完整性、可控性、可用性、抗抵賴性和可靠性。

云服務(wù)。隨著5G技術(shù)的推廣與深入應(yīng)用，大量數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)向云端轉(zhuǎn)移，云計算數(shù)據(jù)中心對信息安全的要求顯著增高。

電力。和平時期，電力系統(tǒng)的發(fā)、變、輸、配、用等，對安全、穩(wěn)定、可靠都有著很高要求。為應(yīng)對戰(zhàn)爭風(fēng)險，更需要提高安全級別。量子通信有望幫助電力系統(tǒng)實現(xiàn)安全穩(wěn)定可靠運行。

量子精密測量及未來產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

據(jù)報道，2020年5月復(fù)旦大學(xué)研究團隊實現(xiàn)了迄今含原子數(shù)（千億個）最多的原子自旋壓縮以及突破標(biāo)準量子極限的高靈敏度原子磁力計。實際上，這樣的成就僅僅是量子精密測量的眾多應(yīng)用方向之一。

往前回溯到1927年。在這一年，海森堡提出了量子不確定性原理：粒子的位置與動量不可同時被確定，位置測定得越準確，動量的測定就越不準確，反之亦然。

雖然在量子計算、量子通信等領(lǐng)域，量子的不確定性被視作缺點，但在量子測量方面卻成為可被利用的特點。量子的奇正相依體現(xiàn)得極為明顯。量子體系與待測物理量相互作用，從而引發(fā)量子態(tài)的改變，得以實現(xiàn)對物理量進行測量。

與經(jīng)典物理中的測量明顯不同，量子測量不是獨立于所觀測的物理系統(tǒng)而單獨存在的，而測量本身即是物理系統(tǒng)的一部分，所作的測量也會對系統(tǒng)的狀態(tài)產(chǎn)生干擾，這并不妨礙量子測量的精度遠超經(jīng)典測量。

隨著量子技術(shù)的進步，量子相干、量子糾纏、量子統(tǒng)計等特性已經(jīng)實現(xiàn)標(biāo)準量子極限的突破，使更高精度的測量變?yōu)楝F(xiàn)實。當(dāng)然，量子力學(xué)測不準原理仍然在發(fā)生著限制作用，從而導(dǎo)致測量精度不可能無限制地提高，這個不可突破的最終極限被稱為海森堡極限。

那么，設(shè)計一種可實際應(yīng)用的并且達到海森堡極限的量子精密測量技術(shù)就成為學(xué)術(shù)界的努力方向。

一般來說，按照對量子特性的應(yīng)用，量子測量分為三個層次，第一個層次是基于微觀粒子能級測量;第二個層次是基于量子相干性測量;第三個層次是基于量子糾纏進行測量，均突破了經(jīng)典理論的極限。

第一個層次從20世紀50年代就逐步在原子鐘等領(lǐng)域開始應(yīng)用。其應(yīng)用原理是，當(dāng)原子從一個“能量態(tài)”躍遷至低一級“能量態(tài)”時，便會釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的，被定義為共振頻率。在上世紀30年代，哥倫比亞大學(xué)的拉比就發(fā)明了一種被稱為磁共振的技術(shù)，用于測量原子的自然共振頻率。但在很長一段時間里，原子鐘的實用性并不強，直到20世紀50年代才由扎卡來亞斯與美國Malden公司一起建造了商用原子鐘，也就是今天用于GPS的銫原子鐘的前輩。1967年，國際計量大會依據(jù)銫原子的振動，重新定義了秒。這就是量子理論在測量問題上的第一個重大貢獻。

近些年隨著量子態(tài)操控技術(shù)研究的不斷深入，基于微觀粒子能級測量的自旋量子位測量系統(tǒng)，利用磁場變化導(dǎo)致自旋量子位的能級結(jié)構(gòu)變化，出現(xiàn)輻射改變或頻譜吸收，就可以完成磁場的精確測量。利用類似原理，同樣又可以實現(xiàn)對溫度與應(yīng)力的精密測量。

金剛石氮空位色心作為一種自旋量子位，因其可實現(xiàn)對多種物理量的超高靈敏度檢測，得以廣泛應(yīng)用于磁場、加速度、角速度、溫度、壓力的精密測量，已顯現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

目前，金剛石色心測量系統(tǒng)已實現(xiàn)芯片化，并應(yīng)用于陀螺儀、磁力計、磁成像裝置。如2019年麻省理工學(xué)院首次在硅芯片上制造了基于金剛石色心的量子傳感器，實現(xiàn)了對磁場的精密測量。同年，2019年中科大首次實現(xiàn)基于金剛石色心的50納米空間分辨力高精度多功能量子傳感，并可用于微納電磁場及光電子芯片檢測。

量子測量的第二個層次是基于量子相干性的測量技術(shù)，利用量子的物質(zhì)波特性，通過干涉法進行外部物理量的測量。技術(shù)相對成熟，精度較高，廣泛應(yīng)用于陀螺儀、重力儀、重力梯度儀等領(lǐng)域。遵循同一原理的超導(dǎo)量子干涉儀，可用于軍事、醫(yī)學(xué)、地學(xué)、地球物理、空間物理等領(lǐng)域。

雖然熱原子和冷原子在量子干涉儀中均可實現(xiàn)原子干涉，但是因為冷原子的動量更小，相干長度更長，其測量靈敏度比熱原子會高很多。因此，冷原子干涉技術(shù)成為主流應(yīng)用，如量子陀螺儀、量子重力儀、量子加速度計等，已得到各國重視，被用于高靈敏導(dǎo)航系統(tǒng)等。

早在2003年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）就制定了高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（PINS）計劃，同年歐洲空間局也制定了空間中的高精度冷原子干涉測量技術(shù)（HYPER）計劃。這其中的關(guān)鍵儀器就是量子陀螺儀。

量子測量的第三個層次是基于量子糾纏進行量子測量，其技術(shù)條件最為嚴苛，同時也最接近量子的本質(zhì)，其在理論上可以突破標(biāo)準量子極限，無限接近海森堡極限，實現(xiàn)超高精度的測量。

基于此原理，可將量子衛(wèi)星定位系統(tǒng)用于高精度量子定位導(dǎo)航。只是基于量子糾纏的定位系統(tǒng)目前仍停留在理論階段，主要應(yīng)用仍是超冷原子技術(shù)。此外，量子糾纏特性還可應(yīng)用于量子目標(biāo)識別領(lǐng)域，如雷達系統(tǒng)的距離分辨能力和角分辨能力有望突破經(jīng)典極限。這一層次的技術(shù)目前僅停留在實驗室階段，產(chǎn)業(yè)化和實用化還要有待時日。

好消息是實驗室已經(jīng)實現(xiàn)了海森堡極限精度，實際應(yīng)用已現(xiàn)曙光。

波士頓咨詢（BCG）預(yù)測，到2028年，工程師們將研發(fā)出可用于低復(fù)雜程度的量子模擬問題的非通用量子計算機，主要應(yīng)用領(lǐng)域是制藥、化學(xué)、材料科學(xué)等。而2030年之后，量子計算機將在各類商業(yè)應(yīng)用中優(yōu)于經(jīng)典計算機，推動量子計算加速發(fā)展。

除了量子計算外，量子科技的主要應(yīng)用方向還包括量子通信和量子測量。同樣是基于量子力學(xué)的特性，量子通信和量子測量，在信息安全和防竊聽、測量精度和靈敏度方面突破經(jīng)典技術(shù)的瓶頸。與尚在實驗室進行研發(fā)的量子計算相比，量子通信已經(jīng)進入到應(yīng)用階段，并且國內(nèi)已經(jīng)形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈。

據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院提供的數(shù)據(jù)，我國量子通信整體市場規(guī)模在2019年為325億元，同比增長19%。但長期來看，量子通信有望引領(lǐng)量子互聯(lián)網(wǎng)的革命，出現(xiàn)量子物聯(lián)網(wǎng)、量子云計算等前沿形態(tài)。

由于量子科技在信息安全上的重要作用和產(chǎn)業(yè)變革上的巨大潛力，歐美近年來都在這個領(lǐng)域大幅增加研發(fā)投入，并啟動國家級的量子科技戰(zhàn)略行動計劃。8月26日，美國宣布將在未來5年，向人工智能和量子信息科學(xué)等領(lǐng)域投入10億美元以上，扶持12個相關(guān)研究中心的發(fā)展。

這意味著，量子科技已然成為中美在繼5G、人工智能之后的新賽道。

責(zé)任編輯：孟繁科