新華社播發(fā)消息，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳騰云等與清華大學(xué)馬雄峰合作，首次在實驗中實現(xiàn)了模式匹配量子密鑰分發(fā)。
量子密鑰分發(fā)基于量子力學(xué)基本原理，可以實現(xiàn)理論上無條件安全的保密通信，因此一直是學(xué)術(shù)界的研究熱點。該項研究成果表明，模式匹配量子密鑰分發(fā)在不需激光器鎖頻鎖相技術(shù)的條件下，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全成碼且在城域距離有較高成碼率，極大地降低了協(xié)議實現(xiàn)難度，對未來量子通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建具有重要意義。
從遙遠(yuǎn)神秘的實驗室走來，量子科技似乎離我們又近了一步。
當(dāng)前，利用量子科技認(rèn)識和改造世界的浪潮在世界范圍內(nèi)蓬勃興起。量子科技將給世界帶來怎樣的變化？請看——
量子“風(fēng)暴”，方興未艾
您還以為量子科技是近些年才出現(xiàn)的新技術(shù)？其實，量子科技與量子力學(xué)相伴相生。1900年，德國物理學(xué)家普朗克提出量子概念，隨后，海森堡、薛定諤、玻爾等一批天才科學(xué)家奠定了量子力學(xué)的理論框架，量子時代就這樣開啟了。量子力學(xué)建立后，催生和發(fā)展起來一系列科學(xué)與技術(shù)，直接或間接改變和提升著人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力。
您還以為量子科技是遙不可及的“玄”技術(shù)？事實上，量子科技早已并將持續(xù)造福人類社會。晶體管、激光器、核聚變、核磁共振、全球定位系統(tǒng)以及無處不在的電腦和互聯(lián)網(wǎng)……這些改變時代的技術(shù)都是量子科技的產(chǎn)物。如果說晶體管是計算機(jī)的基礎(chǔ)，激光技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，那么量子力學(xué)直接催生了現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展。
了解量子科技之前，須先了解量子的一些詭異特性：“分身術(shù)”——量子疊加，即一個量子可以同時存在好幾種狀態(tài)；“遠(yuǎn)程心靈感應(yīng)”——量子糾纏，糾纏的量子如同一對有心靈感應(yīng)的雙胞胎一樣。同時，量子還很“古怪”——不可分割和不可克隆。劉慈欣在小說《球狀閃電》中這樣描寫量子現(xiàn)象：“不看，它就存在；看了，它就消失”。
量子力學(xué)是復(fù)雜的。百年來，量子力學(xué)一直難以被大眾理解，甚至連它的創(chuàng)造者本身都難以駕馭。微觀尺度的量子世界具有“不確定性”“重疊性”“不可觀測性”等，這些都有悖我們對于世界是“客觀的”“有規(guī)律的”“可描述的”等常識認(rèn)知。
量子力學(xué)的觀念卻又是革命的。量子力學(xué)和相對論的出現(xiàn)，推翻了由牛頓、胡克等科學(xué)家構(gòu)建的經(jīng)典物理學(xué)體系。量子力學(xué)給世界帶來了前所未有的沖擊和震撼，以至于許多科學(xué)家在內(nèi)心對其充滿懷疑與畏懼。
然而，量子力學(xué)與經(jīng)典技術(shù)從來都不是相互對抗的。相反，在它們相互交融的過程中，量子力學(xué)為經(jīng)典技術(shù)指明了嶄新的方向。21世紀(jì)以來，科學(xué)家不僅利用量子載體推動經(jīng)典技術(shù)的革新，掀起一輪又一輪量子“風(fēng)暴”；他們還反過來利用不斷發(fā)展的經(jīng)典技術(shù)，實現(xiàn)對單個光子、電子、原子、分子等量子載體的探測和操縱，從而促進(jìn)量子理論的發(fā)展。
量子力學(xué)先驅(qū)玻爾曾說：“不為量子論所震驚者，必然不理解量子論。”現(xiàn)在，我們或許可以說：不為量子科技所震驚者，必然不了解量子科技。量子科技的發(fā)展誕生了一系列顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科技發(fā)明，逐漸成為經(jīng)濟(jì)社會跨越式發(fā)展、軍事武器顛覆性進(jìn)步的基石與動力。
量子科技將成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿陣地，全局性整合量子科技資源、集中力量突破發(fā)力，已在全球形成廣泛共識。各國紛紛出臺支持量子技術(shù)研發(fā)的重大計劃、倡議和發(fā)展政策，如美國量子“登月計劃”、歐盟“量子宣言”旗艦計劃、英國“國家量子技術(shù)計劃”、日本“量子司令部機(jī)構(gòu)”等，旨在從國家戰(zhàn)略層面體系化推動量子科技發(fā)展。
顛覆經(jīng)典，超越極限
憑借神奇基因，量子力學(xué)“天生”就從原理上顛覆了一些經(jīng)典學(xué)科。當(dāng)量子物理學(xué)與信息科學(xué)交叉融合，便產(chǎn)生了量子信息技術(shù)。這門新學(xué)科直接引發(fā)了第二次量子革命，其代表領(lǐng)域是：量子計算、量子通信與量子精密測量。
量子計算具有足以顛覆經(jīng)典計算的能力。與非0即1的經(jīng)典比特不同，量子計算采用“量子比特”，可同時處理0和1。因而量子計算機(jī)“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級計算機(jī)“富岳”需要花費(fèi)一億年！這不是1到100的提升，而是從“蠟燭”到“電燈”的顛覆。當(dāng)今人類社會正朝著“數(shù)智時代”前進(jìn)，經(jīng)典計算機(jī)的速度將碰到“天花板”。后摩爾時代，經(jīng)典計算機(jī)最有力的競爭者就是量子計算機(jī)。科學(xué)家們預(yù)言，當(dāng)可以精確操縱的量子比特超過一定數(shù)目時，量子計算機(jī)的能力將會遠(yuǎn)超任何一臺經(jīng)典計算機(jī)。
量子計算是量子科技中關(guān)注度最高的領(lǐng)域，各國正在從包括量子硬件建設(shè)、量子軟件建設(shè)、量子控制、量子云服務(wù)等不同領(lǐng)域發(fā)力，聚合體系化發(fā)展。2019年IBM首先實現(xiàn)了50量子比特計算機(jī)“IBM-Q”，53量子比特的“懸鈴木”（Sycamore）緊隨其后。我國是目前唯一在光量子和超導(dǎo)量子兩種物理體系都實現(xiàn)這一關(guān)鍵技術(shù)突破的國家，以“九章號”“祖沖之號”為代表的計算原型機(jī)先后實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”，立起新的里程碑。
量子保密通信相對于傳統(tǒng)保密通信，理論上來看是絕對安全的。量子通信是基于量子疊加態(tài)或量子糾纏效應(yīng)，通過量子隱形傳播、量子密鑰分發(fā)等技術(shù)手段，實現(xiàn)量子態(tài)信息傳輸或者量子保密通信。量子力學(xué)中的不確定性、測量坍縮和不可克隆三大原理使得通信“永不泄密”成為可能。
對于廣域量子通信，目前國際上形成三種發(fā)展路線圖：一是通過光纖實現(xiàn)城域量子通信；二是通過中繼實現(xiàn)城際量子通信；三是通過衛(wèi)星實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離量子通信。歐盟等國20世紀(jì)90年代起就開始對量子通信進(jìn)行研究和開發(fā)，21世紀(jì)后多國已建立城域?qū)嶒灳W(wǎng)，通信距離超過上百公里。我國于2016年發(fā)射了世界上首顆量子衛(wèi)星“墨子號”，填補(bǔ)了第三種路線圖的空白。2022年6月，“墨子號”首次實現(xiàn)了地球上兩個相距1200公里地面站間的量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸，向構(gòu)建全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)邁出重要一步。
量子精密測量更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了經(jīng)典測量的極限。量子精密測量以量子為“尺子”，利用微觀粒子（光子、原子、離子）的量子態(tài)進(jìn)行制備、操控、測量和讀取，實現(xiàn)對角速度、重力場、磁場、頻率等物理量的超高精度“寫真”。神奇的是，量子世界里測量結(jié)果是隨機(jī)的，物體的狀態(tài)也會在測量時突然改變，然而，量子精密測量卻使人類得以在精密測量領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)躍遷。比如，1967年銫原子鐘重新定義了“秒”；2010年鋁離子光鐘達(dá)到37億年誤差不超過1秒的驚人水平……原子鐘已經(jīng)從科學(xué)幻想，一步步成了航空航天等領(lǐng)域的重要支撐。
量子精密測量極大地提高了測量精度、穩(wěn)定性和靈敏度，它不易受環(huán)境干擾，且無須校準(zhǔn)。科學(xué)家們預(yù)言，量子精密測量未來可能徹底改變現(xiàn)有測量儀器儀表的形態(tài)。目前，各國科學(xué)家正在積極開發(fā)量子超分辨顯微鏡、量子磁力計、量子陀螺儀等，許多成果已經(jīng)應(yīng)用在材料、地質(zhì)、生物等相關(guān)研究中。
重塑世界，潛能無限
2022年10月，諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給了三位量子信息科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家——阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤和安東·塞林格，以表彰他們在量子信息科學(xué)方面作出的突出貢獻(xiàn)，同時也激發(fā)了全球?qū)α孔涌萍嫉木劢龟P(guān)注和謀劃攻關(guān)。人們不禁開始思考，量子科技將以怎樣的姿態(tài)改寫未來世界？
毫無疑問，量子科技必將造福國計民生。量子科技將在密碼保護(hù)、城市規(guī)劃、道路設(shè)計、氣象預(yù)測、金融分析、戰(zhàn)略認(rèn)知、新藥物研發(fā)等領(lǐng)域，打開全新圖景。同時，量子科技也會深刻影響納米成像、室溫超導(dǎo)體研發(fā)、先進(jìn)農(nóng)業(yè)、能源開發(fā)、人工智能等領(lǐng)域。如今，量子科技給人類帶來的幫助已經(jīng)初見端倪。2022年，日本成功利用基于金剛石的量子傳感器磁力計探測心臟中的異常磁信號。這意味著，心磁圖或?qū)⑷〈炔桓叩男碾妶D，從而更有效地治療心血管疾病。許多科學(xué)家相信，隨著量子科技在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不斷發(fā)展，越來越多的不治之癥將被攻克。
量子科技將重塑戰(zhàn)爭面貌。克勞塞維茨曾說：“要想通曉戰(zhàn)爭，必須審視每個特定時代的主要特征。”信息化、智能化的未來戰(zhàn)場上，可能會出現(xiàn)這樣的場景：決策機(jī)構(gòu)通過量子優(yōu)化算法進(jìn)行戰(zhàn)爭預(yù)測、仿真推演、大規(guī)模任務(wù)規(guī)劃、資源規(guī)劃等；指揮人員利用裝載了人工智能的量子計算機(jī)，快速分析海量戰(zhàn)場數(shù)據(jù)，并進(jìn)行智能決策；戰(zhàn)場上，量子通信將打造牢不可破的新型軍事通信網(wǎng)，全域搜索、智能識別、網(wǎng)狀火力殺傷將基于絕對信息安全生成新型一體化作戰(zhàn)模式；此外，量子傳感和精密測量將重寫戰(zhàn)場精度，量子雷達(dá)將徹底終結(jié)隱身戰(zhàn)機(jī)時代……
更多的科學(xué)家，則將目光投向未知疆域。他們認(rèn)為，量子科技更重要的意義在于，它能加深人們對于自身的理解，揭示自然界演進(jìn)規(guī)律的秘密，幫助人類探索太空、深海、地心等更廣袤的空間，接近浩渺宇宙中無法觸及的謎團(tuán)。2021年加拿大和英國科學(xué)家利用量子模擬，首次模擬了基本量子粒子——重子；2022年我國科學(xué)家首次在處于強(qiáng)相互作用極限下的費(fèi)米超流體中測得神秘的“第二聲”的衰減率……這些對“宇宙參數(shù)密碼本”的一步步破譯，甚至有望支持我們探索遙不可及的中子星，了解宇宙在大爆炸之初的情況。
