前瞻与畅想：量子科技改变世界
■钟 军 张 媛 王妍妍
2月9日，新华社播发消息，中国科学技术大学潘建伟、陈腾云等与清华大学马雄峰合作，首次在实验中实现了模式匹配量子密钥分发。
量子密钥分发基于量子力学基本原理，可以实现理论上无条件安全的保密通信，因此一直是学术界的研究热点。该项研究成果表明，模式匹配量子密钥分发在不需激光器锁频锁相技术的条件下，可以实现远距离安全成码且在城域距离有较高成码率，极大地降低了协议实现难度，对未来量子通信网络构建具有重要意义。
从遥远神秘的实验室走来，量子科技似乎离我们又近了一步。
当前，利用量子科技认识和改造世界的浪潮在世界范围内蓬勃兴起。量子科技将给世界带来怎样的变化？请看——
即将问世的“悟空”量子计算机外景。
电影《流浪地球2》中的量子计算机MOSS。 资料图片
量子“风暴”，方兴未艾
您还以为量子科技是近些年才出现的新技术？其实，量子科技与量子力学相伴相生。1900年，德国物理学家普朗克提出量子概念，随后，海森堡、薛定谔、玻尔等一批天才科学家奠定了量子力学的理论框架，量子时代就这样开启了。量子力学建立后，催生和发展起来一系列科学与技术，直接或间接改变和提升着人类获取、传输和处理信息的方式和能力。
您还以为量子科技是遥不可及的“玄”技术？事实上，量子科技早已并将持续造福人类社会。晶体管、激光器、核聚变、核磁共振、全球定位系统以及无处不在的电脑和互联网……这些改变时代的技术都是量子科技的产物。如果说晶体管是计算机的基础，激光技术是互联网的基础，那么量子力学直接催生了现代信息技术的发展。
了解量子科技之前，须先了解量子的一些诡异特性：“分身术”——量子叠加，即一个量子可以同时存在好几种状态；“远程心灵感应”——量子纠缠，纠缠的量子如同一对有心灵感应的双胞胎一样。同时，量子还很“古怪”——不可分割和不可克隆。刘慈欣在小说《球状闪电》中这样描写量子现象：“不看，它就存在；看了，它就消失”。
量子力学是复杂的。百年来，量子力学一直难以被大众理解，甚至连它的创造者本身都难以驾驭。微观尺度的量子世界具有“不确定性”“重叠性”“不可观测性”等，这些都有悖我们对于世界是“客观的”“有规律的”“可描述的”等常识认知。
量子力学的观念却又是革命的。量子力学和相对论的出现，推翻了由牛顿、胡克等科学家构建的经典物理学体系。量子力学给世界带来了前所未有的冲击和震撼，以至于许多科学家在内心对其充满怀疑与畏惧。
然而，量子力学与经典技术从来都不是相互对抗的。相反，在它们相互交融的过程中，量子力学为经典技术指明了崭新的方向。21世纪以来，科学家不仅利用量子载体推动经典技术的革新，掀起一轮又一轮量子“风暴”；他们还反过来利用不断发展的经典技术，实现对单个光子、电子、原子、分子等量子载体的探测和操纵，从而促进量子理论的发展。
量子力学先驱玻尔曾说：“不为量子论所震惊者，必然不理解量子论。”现在，我们或许可以说：不为量子科技所震惊者，必然不了解量子科技。量子科技的发展诞生了一系列颠覆传统认知的科学发现和科技发明，逐渐成为经济社会跨越式发展、军事武器颠覆性进步的基石与动力。
量子科技将成为新一轮科技革命和产业变革的前沿阵地，全局性整合量子科技资源、集中力量突破发力，已在全球形成广泛共识。各国纷纷出台支持量子技术研发的重大计划、倡议和发展政策，如美国量子“登月计划”、欧盟“量子宣言”旗舰计划、英国“国家量子技术计划”、日本“量子司令部机构”等，旨在从国家战略层面体系化推动量子科技发展。
颠覆经典，超越极限
凭借神奇基因，量子力学“天生”就从原理上颠覆了一些经典学科。当量子物理学与信息科学交叉融合，便产生了量子信息技术。这门新学科直接引发了第二次量子革命，其代表领域是：量子计算、量子通信与量子精密测量。
量子计算具有足以颠覆经典计算的能力。与非0即1的经典比特不同，量子计算采用“量子比特”，可同时处理0和1。因而量子计算机“九章”一分钟完成的任务，超级计算机“富岳”需要花费一亿年！这不是1到100的提升，而是从“蜡烛”到“电灯”的颠覆。当今人类社会正朝着“数智时代”前进，经典计算机的速度将碰到“天花板”。后摩尔时代，经典计算机最有力的竞争者就是量子计算机。科学家们预言，当可以精确操纵的量子比特超过一定数目时，量子计算机的能力将会远超任何一台经典计算机。
量子计算是量子科技中关注度最高的领域，各国正在从包括量子硬件建设、量子软件建设、量子控制、量子云服务等不同领域发力，聚合体系化发展。2019年IBM首先实现了50量子比特计算机“IBM-Q”，53量子比特的“悬铃木”（Sycamore）紧随其后。我国是目前唯一在光量子和超导量子两种物理体系都实现这一关键技术突破的国家，以“九章号”“祖冲之号”为代表的计算原型机先后实现“量子计算优越性”，立起新的里程碑。
量子保密通信相对于传统保密通信，理论上来看是绝对安全的。量子通信是基于量子叠加态或量子纠缠效应，通过量子隐形传播、量子密钥分发等技术手段，实现量子态信息传输或者量子保密通信。量子力学中的不确定性、测量坍缩和不可克隆三大原理使得通信“永不泄密”成为可能。
对于广域量子通信，目前国际上形成三种发展路线图：一是通过光纤实现城域量子通信；二是通过中继实现城际量子通信；三是通过卫星实现更远距离量子通信。欧盟等国20世纪90年代起就开始对量子通信进行研究和开发，21世纪后多国已建立城域实验网，通信距离超过上百公里。我国于2016年发射了世界上首颗量子卫星“墨子号”，填补了第三种路线图的空白。2022年6月，“墨子号”首次实现了地球上两个相距1200公里地面站间的量子态远程传输，向构建全球化量子通信网络迈出重要一步。
量子精密测量更是远远超越了经典测量的极限。量子精密测量以量子为“尺子”，利用微观粒子（光子、原子、离子）的量子态进行制备、操控、测量和读取，实现对角速度、重力场、磁场、频率等物理量的超高精度“写真”。神奇的是，量子世界里测量结果是随机的，物体的状态也会在测量时突然改变，然而，量子精密测量却使人类得以在精密测量领域实现跃迁。比如，1967年铯原子钟重新定义了“秒”；2010年铝离子光钟达到37亿年误差不超过1秒的惊人水平……原子钟已经从科学幻想，一步步成了航空航天等领域的重要支撑。
量子精密测量极大地提高了测量精度、稳定性和灵敏度，它不易受环境干扰，且无须校准。科学家们预言，量子精密测量未来可能彻底改变现有测量仪器仪表的形态。目前，各国科学家正在积极开发量子超分辨显微镜、量子磁力计、量子陀螺仪等，许多成果已经应用在材料、地质、生物等相关研究中。
重塑世界，潜能无限
2022年10月，诺贝尔物理学奖颁发给了三位量子信息科学领域的科学家——阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格，以表彰他们在量子信息科学方面作出的突出贡献，同时也激发了全球对量子科技的聚焦关注和谋划攻关。人们不禁开始思考，量子科技将以怎样的姿态改写未来世界？
毫无疑问，量子科技必将造福国计民生。量子科技将在密码保护、城市规划、道路设计、气象预测、金融分析、战略认知、新药物研发等领域，打开全新图景。同时，量子科技也会深刻影响纳米成像、室温超导体研发、先进农业、能源开发、人工智能等领域。如今，量子科技给人类带来的帮助已经初见端倪。2022年，日本成功利用基于金刚石的量子传感器磁力计探测心脏中的异常磁信号。这意味着，心磁图或将取代精度不高的心电图，从而更有效地治疗心血管疾病。许多科学家相信，随着量子科技在医学领域不断发展，越来越多的不治之症将被攻克。
量子科技将重塑战争面貌。克劳塞维茨曾说：“要想通晓战争，必须审视每个特定时代的主要特征。”信息化、智能化的未来战场上，可能会出现这样的场景：决策机构通过量子优化算法进行战争预测、仿真推演、大规模任务规划、资源规划等；指挥人员利用装载了人工智能的量子计算机，快速分析海量战场数据，并进行智能决策；战场上，量子通信将打造牢不可破的新型军事通信网，全域搜索、智能识别、网状火力杀伤将基于绝对信息安全生成新型一体化作战模式；此外，量子传感和精密测量将重写战场精度，量子雷达将彻底终结隐身战机时代……
更多的科学家，则将目光投向未知疆域。他们认为，量子科技更重要的意义在于，它能加深人们对于自身的理解，揭示自然界演进规律的秘密，帮助人类探索太空、深海、地心等更广袤的空间，接近浩渺宇宙中无法触及的谜团。2021年加拿大和英国科学家利用量子模拟，首次模拟了基本量子粒子——重子；2022年我国科学家首次在处于强相互作用极限下的费米超流体中测得神秘的“第二声”的衰减率……这些对“宇宙参数密码本”的一步步破译，甚至有望支持我们探索遥不可及的中子星，了解宇宙在大爆炸之初的情况。
